萌芽杯機械創(chuàng)新大賽論文報告(論文)題目：給力換水機作者所在院校：北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院作者所在專業(yè)：過程裝備與控制工程作者所在班級：裝備0901班作者姓名：劉華李悅王丹瑤指導(dǎo)教師姓名：張婭張有忱賀建蕓完成時間：2011年5月31日摘要：本設(shè)計主要是針對人們在日常生活中，為飲水機換水時的不便而提出“依靠機械提供便利”的想法，并產(chǎn)生對“給力換水機”的研究。通過機構(gòu)的設(shè)計與鏈接，對水桶實現(xiàn)手控機械式升降與自動翻轉(zhuǎn)，并在設(shè)備處于閑置狀態(tài)時通過調(diào)整，使之成為日常生活中的一把椅子，既節(jié)省空間又時尚美觀。關(guān)鍵詞：給力、飲水機、換水、升降椅Abstract:Thisdesign,whichnamed“toforce”,ismainlyforpeopleintheirdailylife,whenitisinconvenienttoexchangethewaterbucketfromdrinkingfountain.Wecomeupwithanideaofsavingeffortbymachinery,whichgivesrisetotheobjectiveofexchangingveryconvenientlythewaterbucketfromdrinkingmachinebythemanualmechanicalcontrolandautomaticflippingdown.Furthermore,thedrinkingfountaincouldbedeformedasadailylifechairwhenitisidle,andwhichcouldsavespaceandisstylishappearance.Keywords:toforce,drinkingfountain,exchangingthewaterbucket,liftchair目錄第1章設(shè)計背景 4第2章基本原理 4第2.1節(jié)前后輪子的特殊結(jié)構(gòu) 4第2.2節(jié)水桶鉛直方向旋轉(zhuǎn)180°原理 5第2.3節(jié)“機械手”鎖緊及啟動機械式升降原理 5第2.4節(jié)整體裝置的基本原理 6第3章裝置結(jié)構(gòu) 7第3.1節(jié)“機械手”的相關(guān)計算 73.1.1自由度的計算 73.1.2各桿受力分析 83.1.3“機械手”夾緊時位移的計算 103.1.4各桿強度計算 10第3.2節(jié)機械式升降裝置的原理及受力分析 11第3.3節(jié)絲杠的相關(guān)參數(shù)計算 12第3.4節(jié)裝置實例圖 13第4章創(chuàng)新點 14參考文獻: 14第1章設(shè)計背景眾所周知，水是生命之源，我們每天都離不開水。出門在外，人們會為了簡便而選擇瓶裝礦泉水或者各種飲料水；而回到家中，人們會選擇桶裝純凈水，既能方便升溫降溫又可以節(jié)約用水，這也就是飲水機成為如此普遍的家用電器的原因。然而，據(jù)調(diào)查，普通飲水機水桶(如圖1.1所示)的規(guī)格為直徑36cm、高50cm、容量18～19L、重量可達20kg。對于力量較單薄的尤其是大多數(shù)女性來說，搬運及換水是一件相對困難的任務(wù)。而對于擁有足夠力氣的大多數(shù)男性來說，在換水的那一瞬間也會由于水的重量問題而不好控制，對設(shè)備產(chǎn)生較大沖擊，甚至造成損壞。經(jīng)了解，市場上還沒有能夠解決這一問題的商品存在。“給力換水機”的誕生讓這一切都成為了過去！圖1.1飲水機樣圖第2章基本原理第2.1節(jié)前后輪子的特殊結(jié)構(gòu)圖2.1和圖2.2為給力換水機的前輪和后輪圖。首先，輪子可以方便搬運。在這里，前、后輪還起著不同的作用。前輪主要是起導(dǎo)向作用，可完成360°旋轉(zhuǎn)，而后輪如圖2.2所示，只能向前進，無法向后退。這樣，在換水或者乘坐時，可達到固定的效果。圖2.1前輪結(jié)構(gòu)示意圖圖2.2后輪結(jié)構(gòu)示意圖第2.2節(jié)水桶鉛直方向旋轉(zhuǎn)180°原理圖2.3“前手”結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示依靠圓柱鉸鏈機構(gòu)，加上外力，使得豎直向上的水桶在豎直方向上實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)，以便完成換水工作。另外，“前手”表面附有一層橡膠(圖示中黑色部分)增大了與水桶之間的摩擦，從而能更好地實現(xiàn)夾緊。第2.3節(jié)“機械手”鎖緊及啟動機械式升降原理機械手”鎖緊及啟動機械式升降原理如下：1、“機械手”是依靠加工有螺紋(單向)的絲杠傳動作用，帶動多桿機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的位移，至前“手”的部分直至將水桶完全夾緊。2、機械式升降裝置的啟動同樣是依靠加工有螺紋的絲杠傳動作用。與前者不同的是，此處的加工螺紋為雙向的，帶動最下層的升降板由兩端向中央移動(中央向兩端移動)，從而上面的每一層一次完成水平方向的縮進(伸長)和前置方向的升高(降低)，達到升(降)的目的。第2.4節(jié)整體裝置的基本原理基本原理的流程圖如圖2.4所示。搖動“機械手搖動“機械手”后部搖把A，使得前“手”夾緊水桶推動“機械手”于滑槽中移動至合適位置將水桶置于裝置的前方水平地面上 手搖手搖“啟動升降裝置”后部搖把B至合適高度移動輪子轉(zhuǎn)向，使得水桶處于飲水機正上方以與剛才相反的方向搖動搖把B，使得裝置帶動水桶緩慢下降，直至安裝水桶以與第1步相反方向搖動搖把A，使得主桿后退一段距離，從而使前“手以與第1步相反方向搖動搖把A，使得主桿后退一段距離，從而使前“手”松開以與第3步相同的方向搖動搖把B，使得裝置下降到適合高度。推動以與第3步相同的方向搖動搖把B，使得裝置下降到適合高度。推動“機械手”于滑槽中移動至初始位置.變身為一把椅子圖2.4基本原理流程圖2、基本原理的文字介紹如下：⑴將水桶至于裝置的前方水平地面上，距離不要過遠(yuǎn)。推動“機械手”于滑槽中移動至合適位置，使得前“手”部分中心軸位置與水桶水平方面中心軸重合。搖動“機械手”后部搖把A，使主桿沿絲杠前進一段距離，使得前“手”夾緊水桶為止。⑵手搖“啟動升降裝置”后部搖把B，使得機械式升降裝置升高至高于飲水機半個水桶的高度，依靠椅子下面的輪子，使得水桶處于飲水機正上方。⑶以與剛才相反的方向搖動搖把B，使得裝置帶動水桶緩慢下降，直至安裝水桶完畢。⑷以與第1步相反方向搖動搖把A，使得主桿后退一段距離，從而使前“手”松開。⑸以與第3步相同的方向搖動搖把B，使得裝置下降到適合高度。推動“機械手”于滑槽中移動至初始位置。此時，裝置變?yōu)橐话焉畛Ｓ玫目梢苿拥囊巫?。?章裝置結(jié)構(gòu)第3.1節(jié)“機械手”的相關(guān)計算3.1.1自由度的計算圖3.1“機械手”原理簡圖自由度：F＝3n－(2pl＋ph)=3*9-(2*13+0)=13.1.2各桿受力分析圖3.2為水桶的受力圖，圖3.1為桿1水平面受力圖。由圖示受力分析得2uFn=G則Fn=當(dāng)選取青銅橡膠材質(zhì)u=0.25G=400NFn=2G=800N圖3.2水桶受力圖圖3.3桿1水平面受力圖由靜力平衡方程∑Mo=0-Fn*150-F1*100*cos30°=0求得F1=-1.38KN（3·1）∑Fx=0-F1*cos30°-F2*sinθ=0F2=1.26KN（3∑Fy=0Fn+F1*sin30°-F2*cosθ=0θ=85°（3·3）圖3.4桿2水平面受力圖∑MB=0F2′*100*sin(90-85+14.5)°-F3*200*sin60°=0F3=0.24KN（3·圖3.5桿3水平面受力圖圖3.6桿4水平面受力圖由二力桿F4=F3′=0.24KN（3·5）∑Fx=02F4′*sin30°-F=0F=0.24KN（3·6）3.1.3“機械手”夾緊時位移的計算如圖3.7所示當(dāng)推動桿向前移動距離S=50mm時，由圖解法可得到OP桿將繞著B點逆時針旋轉(zhuǎn)Φ=10.3°從而使OB桿下降一段距離，帶動O′B′和AO′下降同樣距離S′=10.3°**100=17.9mm（3·7），以到達夾緊水桶的效果。圖3.7“機械手”位移計算示意圖3.1.4各桿強度計算由于桿2、3、4均固定在機架上，而無需考慮其強度和剛度條件是否滿足材料要求。只需計算圖3.8示意的桿在豎直平面內(nèi)受力引起的剪力彎矩是否滿足強度和剛度條件即可。圖3.8桿1、2、5豎直面受力圖∑Fz=0-f+Fm+Fc=0解得Fm+Fc=f=Fm<fFc<f（3·8）對于O′點取距：Ma=f*150Mm=Fm*100<MaMc=Fc*100<Ma（3·9）故只許算AO′段桿是否滿足強度和剛性條件即可。圖3.9桿AO′的剪力彎矩圖材料選擇45剛[σ]=1.03MPa尺寸長為150mm直徑為R=25mm經(jīng)計算得f==200NM=f*0.15=200*0.15=30N.M（3·10）σ===0.4MPa第3.2節(jié)機械式升降裝置的原理及受力分析圖3.10升降機構(gòu)原理圖圖3.11每一根桿受力如圖第3.3節(jié)絲杠的相關(guān)參數(shù)計算圖3.12絲杠樣圖1、絲杠參數(shù)的計算：⑴滾珠直徑Pa=4mmDw=0.6Pa=2.4mm（3·11）⑵螺旋開角λ=3°tan=0.0025則=0.14°（3·12）傳動效率η==95.5%》90%合格λ=arctand==24.2選取公稱直徑為25mm底徑d2=d-Dw=25-2.4=22.6mm2、最大軸向力：⑴不發(fā)生彎曲變形可承受最大軸向力P1==10KN(k=1.0E=2.1*105MPaI=)\（3·13）⑵允許拉伸(壓縮)變形下可承受最大軸向力P2=5.4KN（由公稱直徑查表得出）3、預(yù)緊力的計算：F=P2=1.8KN4、一定負(fù)載下的壽命轉(zhuǎn)數(shù)：L=（）3*106=1.07*106r(Ca=6140Fa=4KNFw=1.5)（3·14）5、精度要求：C7第3.4節(jié)裝置實例圖圖3.13裝置閑置時所呈現(xiàn)的普通椅子樣圖圖3.14裝置工作時樣圖∑MA=G1*L1-G2*L2∵G1<G2L1<L2∴∑M第4章創(chuàng)新點設(shè)計的“給力換水機”有如下創(chuàng)新之處：1.工作狀態(tài)(1)通過機構(gòu)的升降，達到省力的效果。(2)通過“機械手”裝置對水桶的控制，達到平穩(wěn)的效果。(3)與人為相比，機械式換水裝置使整個過程變得更加優(yōu)雅。2.閑置狀態(tài)根據(jù)機構(gòu)設(shè)計的特點，通過調(diào)整，使閑置狀態(tài)下的裝置變?yōu)槌Ｓ玫囊话岩巫樱?jié)省空間，實現(xiàn)了功能的最大化。3.附加功能⑴通過更換“前手”結(jié)構(gòu)，夾取體積大小不同的物品，并利用裝置機械式升降的特點，將物品放置于高處或者取用高處的物品，解決了日常生活中我們必須通過梯子才能完成的一些工作。⑵由于裝置具有方便運輸和承載物品的特殊用途，我們還可以利用它完成搬運物品的工作，減輕負(fù)擔(dān)、省時省力。參考文獻:⑴孫桓，陳作模，葛文杰，機械原理[M]，西北工業(yè)大學(xué)機