1、機(jī)電工程系課程設(shè)計(jì)說明書專 業(yè)：機(jī)械電子工程課 程：機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)姓 名：廖聰學(xué) 號(hào)：2015143227班 級(jí)：15級(jí)機(jī)械電子工程2班時(shí) 間：2017. 06. 262017. 06. 30目 錄設(shè)計(jì)任務(wù)書1第一章 機(jī)械方案的設(shè)計(jì)與選擇31.1 功能要求31.2 機(jī)械方案的設(shè)計(jì)與選擇3第二章 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62.1 原始數(shù)據(jù)62.2 圖解法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)62.3 解析法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)7第三章 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制83.1選定比例尺83.2運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制8第四章 解析法運(yùn)動(dòng)分析94.1 建立機(jī)構(gòu)位置方程94.2位置方程求解（消元法）94.3位置方程求解（幾何法）114.4 建立速度方程并求解124.5 建立

2、加速度方程并求解124.6 運(yùn)動(dòng)分析程序13第五章 圖解法運(yùn)動(dòng)分析135.1 選取分析位置135.2 分析位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制135.3 速度分析145.4 加速度分析15第六章 計(jì)算機(jī)編程166.1 交互界面設(shè)計(jì)166.2 數(shù)據(jù)輸入有效性檢驗(yàn)176.3 主程序設(shè)計(jì)176.4 結(jié)束退出程序設(shè)計(jì)20總 結(jié)21設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)任務(wù)汽車風(fēng)窗刮水器機(jī)構(gòu)二、課程設(shè)計(jì)的目的1、進(jìn)一步鞏固和加深我們所學(xué)的理論知識(shí)，并將它們應(yīng)用于實(shí)際機(jī)構(gòu)的分析研究和設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)我們分析問題、解決問題的能力。2、使我們得到機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的完整訓(xùn)練，并具有機(jī)構(gòu)選型、組合以及確定傳動(dòng)方案的能力，培養(yǎng)我們開發(fā)和創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的能力

3、。3、使我們對(duì)于機(jī)械的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和設(shè)計(jì)有一較完整和系統(tǒng)的概念。4、進(jìn)一步提高我們的設(shè)計(jì)計(jì)算、分析、繪圖、表達(dá)和使用技術(shù)資料的能力。三、原始條件1、工作條件（1）曲柄AB由電機(jī)通過減速器帶動(dòng)單向轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）刮水器左右擺動(dòng)角=120；（3）刮水器左右平均速度相等，無急回特性； 2、精度與誤差要求擺角允許誤差：5%3、原始數(shù)據(jù)：組數(shù)曲柄轉(zhuǎn)速1lCD120r/min60mm120225r/min60mm120330r/min60mm120430r/min65mm120本設(shè)計(jì)小組為第3組數(shù)據(jù)。四、任務(wù)圖示ADB1=1201B2C2C1圖1 汽車風(fēng)窗刮水器機(jī)構(gòu)五、要求（1）針對(duì)題目查閱、收集和研究與設(shè)計(jì)內(nèi)

4、容相關(guān)的參考文獻(xiàn)與資料，在功能分析的基礎(chǔ)上，擬定出至少兩種機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案；進(jìn)行分析對(duì)比、評(píng)價(jià)選優(yōu)，確定設(shè)計(jì)方案； （2）機(jī)械系統(tǒng)中各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)和有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。（3）繪制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。（4）用解析法對(duì)主體機(jī)構(gòu)各位置（一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，繪制主體機(jī)構(gòu)執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)線圖；用相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法對(duì)主體機(jī)構(gòu)某一位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并將結(jié)果與解析法比較。（5）編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。第一章 機(jī)械方案的設(shè)計(jì)與選擇1.1 功能要求 根據(jù)任務(wù)書的要求和汽車風(fēng)窗刮水器機(jī)構(gòu)的工作實(shí)際，確定刮水器機(jī)械系統(tǒng)的功能要求。（1）曲柄AB由電機(jī)通過減速器帶動(dòng)單向轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）刮水器左右擺動(dòng)角=120；（3）刮水

5、器左右平均速度相等，無急回特性； 刮水器的啟動(dòng)與停止由控制系統(tǒng)控制，不在本課程設(shè)計(jì)范圍。1.2 機(jī)械方案的設(shè)計(jì)與選擇1、方案1：AB1=1201B2C2C1D12345圖2 方案1結(jié)構(gòu)草圖對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沒有急回特性，但從動(dòng)件作滑塊來回直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要將其轉(zhuǎn)化為往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，為此，方案1主要包括以下兩組機(jī)構(gòu)：（1）對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由主動(dòng)件AB桿、連桿BC、滑塊3和機(jī)架組成。滑塊的兩個(gè)極限位置為C1和C2。（2）移動(dòng)轉(zhuǎn)塊導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由移動(dòng)轉(zhuǎn)塊4、擺桿5組成，其中轉(zhuǎn)塊與滑塊4通過活動(dòng)鉸鏈相連，跟隨構(gòu)件4作平動(dòng)，同時(shí)也作轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)擺桿5來回?cái)[動(dòng)。特點(diǎn)分析：（1）傳動(dòng)角分析圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角分析

6、圖一般曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角分析見圖，最小值為=90處，圖中最高點(diǎn)cosmin=a+eb本方案第一機(jī)構(gòu)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，偏心距，e=0， cosmin=ab可見，對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角可以通過曲柄和連桿的長(zhǎng)度來控制，容易滿足最小傳動(dòng)角的要求。不計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿4與擺桿5之間的摩擦，第二機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角始終為90，傳動(dòng)性能較好。（2）結(jié)構(gòu)分析方案1需要設(shè)置尺寸較大的滑軌，給構(gòu)件3定向，加工復(fù)雜。（3）受力與功率分析方案1中，滑塊3與機(jī)架導(dǎo)軌之間、擺桿與移動(dòng)轉(zhuǎn)塊之間可能存在嚴(yán)重的摩擦，使功率損耗嚴(yán)重，增加潤(rùn)滑系統(tǒng)則會(huì)顯著增加開發(fā)和使用成本。如果移動(dòng)副之間過臟或出現(xiàn)卡滯，甚至造成損壞電機(jī)的嚴(yán)重后果?？傊?，方

7、案1具有傳動(dòng)性能較好，最小傳動(dòng)角容易控制的優(yōu)點(diǎn)；但機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，摩擦損耗大，可靠性較差等缺點(diǎn)。2、方案2ADB1=1201B2C2C1123圖4 方案2結(jié)構(gòu)草圖方案2由曲柄1、連桿2,、擺桿3、機(jī)架組成，構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，擺桿3的鉸鏈中心在曲柄中心上方，曲柄鉸鏈中心A與連桿BC的C點(diǎn)兩個(gè)極限位置共線，顯然，該機(jī)構(gòu)極位夾角=0，則K=180+180-=1機(jī)構(gòu)無急回特性。特點(diǎn)分析：（1）該方案全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)副，只要滿足傳動(dòng)角要求，功率消耗較小。（2）該方案采用轉(zhuǎn)動(dòng)副，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，滿足汽車惡劣氣候條件（工作在雨雪天氣）下工作的要求。（3）該方案擺桿CD段處于轉(zhuǎn)動(dòng)副D點(diǎn)下端，尺寸較小，而工作段在

8、上端，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊。3、方案確定通過兩種方案的特點(diǎn)分析，綜合考慮機(jī)構(gòu)的使用要求、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定本設(shè)計(jì)采用方案2。計(jì) 算 及 說 明結(jié) 果第二章 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)：1=30r/minlCD=60mm=120ADB1=1201B2C2C1123yxO圖5 圖解法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)2.2 圖解法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)建立如圖坐標(biāo)系OxyC1C2=2lCDsin2=103.92mm在C1C2的延長(zhǎng)線上選取一點(diǎn)A作為曲柄固定鉸鏈中心，設(shè)C1A=300mm，則C2A=C1A-C1C2=196.08mm根據(jù)機(jī)械原理公式5-11AB=C1A-C2A2=51.96mmBC=C1A+C2A2=248.

9、04mm由圖示可知：yD=lCDcos2=30mmxA=lCDsin2+BC-AB=248.04mm所以AD=yD2+xA2=249.85mm2.3 解析法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)圖6 解析法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)=180K-1K+1=0DC1C2中，C1C2=2csin2AC1C2中，C1C22=b+a2+b-a2-2b+ab-acos將C1C2=2csin2帶入上式得2csin22=b+a2+b-a2-2b+ab-acos由于=02csin22=b+a2+b-a2-2b+ab-a方程有無窮多解，含兩個(gè)未知數(shù)，可假定一個(gè)a，再求解b。為了與圖解法比較設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)a的長(zhǎng)度為圖解法的求解結(jié)果：a=AB=51.96mm根據(jù)公式

10、求解 b則b=BC=248.04mm根據(jù)圖5，求出d=AD=249.85mm第三章 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制3.1選定比例尺uL=運(yùn)動(dòng)尺寸的實(shí)際長(zhǎng)度圖上所畫的長(zhǎng)度mmm或mmmm本方案選取uL=1mmmm3.2運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制（1）建立坐標(biāo)系Oxy，以下按比例尺作圖（2）根據(jù)yD=30mm，在y軸正方向確定D點(diǎn)鉸鏈中心（3）根據(jù)xA=248.04mm，在x軸正方向確定A點(diǎn)鉸鏈中心（4）根據(jù)AB=51.96mm，以A點(diǎn)為圓心，AB為半徑畫圓，與x軸交點(diǎn)分別為B1和B2。（5）根據(jù)=120，以D點(diǎn)分別作與y軸成60的斜線，交x軸分別為C1和C2。ADB1=1201B2C2C1123yxO圖9 本方案機(jī)構(gòu)運(yùn)

11、動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制第四章 解析法運(yùn)動(dòng)分析4.1 建立機(jī)構(gòu)位置方程按照一般曲柄搖桿機(jī)構(gòu)建立機(jī)構(gòu)位置方程：AB11B2l2DyBC1C2C123xl1l4l3圖10 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)位置矢量（1）原點(diǎn)通過，軸沿機(jī)架方向，建立如圖直角坐標(biāo)系Oxy。（2）建立封閉矢量環(huán)如圖L1+L2-L3-L4=0（3）建立矢量投影位置方程l1cos1+l2cos2-l3cos3-l4=0l1sin1+l2sin2-l3sin3=0給定1，則變量為2和34.2位置方程求解（消元法）上式方程可變?yōu)閘2cos2=l4-l1cos1+l3cos3l2sin2=-l1sin1+l3sin3上式兩邊平方相加消去2l22=l12+l32+l

12、42-2l1l4cos1+2l3l4-l1cos1cos3-2l1l3sin1sin3設(shè)A=2l3l4-l1cos1；B=-2l1l3sin1C=l12+l32+l42-l22-2l1l4cos1則方程為：Acos3+Bsin3+C=0將cos3=1-tan2321+tan232sin3=2tan321+tan232帶入上式，解出3=2tan-1BA2+B2-C2A-C同理解得2=tan-1l3sin3-l1sin1l4-l1cos1+l3cos33表達(dá)式中負(fù)號(hào)代表下圖所示位置，由于四桿機(jī)構(gòu)為平面四桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀況不可能出現(xiàn)此情況，所以：A1l2DyBCxl1l4l3z圖11位置方程的假根

13、3=2tan-1B+A2+B2-C2A-C2=tan-1l3sin3-l1sin1l4-l1cos1+l3cos34.3位置方程求解（幾何法）A1l2DyBC123xl1l4l312圖12 位置方程的幾何法求解lBD=l12+l42-2l1l4cos1因?yàn)閘BDsin1=l1sin1所以1=sin-1l1sin1lBD三角形BCD中，可求出22=cos-1lBD2+l32-l222lBDl33=-1-2因?yàn)閘2sin2=-l1sin1+l3sin3所以2=sin-1l3sin3-l1sin1l2顯然，采用幾何法求解過程，運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單。4.4 建立速度方程并求解對(duì)位置方程求導(dǎo)得速度方程：-l22

14、sin2+l33sin3=l11sin1l22cos2-l33cos3=-l11cos1變換后得：-l22sin2cos2+l33sin3cos2=l11sin1cos2l22cos2sin2-l33cos3sin2=-l11cos1sin2兩式相加消去23=l11sin1-2l3sin3-2同理可得2=l11sin1-3l2sin3-2用矩陣形式表示，則為-l2sin2l3sin3l2cos2-l3cos323=l11sin1-l11cos14.5 建立加速度方程并求解對(duì)速度方程求導(dǎo)得加速度方程（1=0）：-l112cos1-l2sin22-l2cos222=-l3sin33-l3cos33

15、2-l112sin1+l2cos22-l2sin222=l3cos33-l3sin332采用消去法可求出2和3。3=l222+l112cos1-2-l332cos3-2l3sin3-22=l332-l112cos1-3-l222cos2-3l2sin2-3用矩陣形式表示，則為-l2sin2l3sin3l2cos2-l3cos323=l2cos2-l3cos3l2sin2-l3sin32232+l112cos1l112sin14.6 運(yùn)動(dòng)分析程序根據(jù)位置、速度、加速度方程編制運(yùn)動(dòng)分析程序，程序源文件見第六章。選取1=45作為分析位置，得出 第五章 圖解法運(yùn)動(dòng)分析5.1 選取分析位置可以任選一位置

16、進(jìn)行圖解法運(yùn)動(dòng)分析，并與解析法的結(jié)果進(jìn)行比較。我們選取1=45作為分析位置。5.2 分析位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制圖13 分析位置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖（1）選取uL=1mmmm（2）根據(jù)l4確定AD鉸鏈中心（3）根據(jù)l1和1=45確定鉸鏈B的位置（4）以B為圓心，以l2為半徑畫圓弧，以D為圓心，以l3為半徑畫圓弧，兩圓弧的交點(diǎn)為鉸鏈C的位置5.3 速度分析vB=1l1=108.83mm/s矢量方程：vC=vB+vCB圖14 圖解法速度分析選擇一點(diǎn)p為極點(diǎn)，根據(jù)速度比例尺作矢量pb代表vB（pb=vBuv）；過b作垂直于BC的射線；過p作垂直于CD的射線；兩射線交于c。pc代表C點(diǎn)絕對(duì)速度值； bc代表C點(diǎn)相

17、對(duì)于B點(diǎn)的速度值。計(jì)算2和3與解析法結(jié)果相比較，可以看出，求得的結(jié)果與解析法基本一致，由于作圖難免帶來誤差，圖解法的精度相對(duì)較低。5.4 加速度分析矢量方程：C=B+CB即 Cn+Ct=B+CBn+CBt大小 32lCD ？ 12lAB 22lBC ?方向 DC DC AB BC BC 圖15 圖解法加速度分析（1）選擇一極點(diǎn)p，根據(jù)加速度比例尺作矢量pb代表B（pb=12lAB/ua）,方向?yàn)槠叫杏贏B；（2）以b開始作bb矢量，大小為22lBC/ua，方向平行于 BC；（3）以b開始作一射線，方向垂直于 BC；（4）以p開始作矢量pc代表Cn（pc=32lCD/ua）,方向?yàn)槠叫杏贑D；（

18、5）以c開始作一射線，方向垂直于CD；（6）兩射線交點(diǎn)為c；CBt=2lBC=bcuCt=3lCD=ccu與解析法結(jié)果相比較，可以看出，求得的結(jié)果與解析法基本一致，由于作圖難免帶來誤差，圖解法的精度相對(duì)較低。第六章 計(jì)算機(jī)編程機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的解析法結(jié)果利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算。6.1 交互界面設(shè)計(jì)利用Matlab設(shè)計(jì)GUI界面圖16 軟件界面設(shè)計(jì)左側(cè)為參數(shù)輸入系列控件，參數(shù)監(jiān)控用于輸入1的角度值，并觀察對(duì)應(yīng)2，3，2，3的結(jié)果。右側(cè)為2，3，2，3，2，3曲線觀察axes控件。6.2 數(shù)據(jù)輸入有效性檢驗(yàn)參數(shù)輸入系列控件輸入值必須為數(shù)值型，如果為字符型，則需要提示用戶重新輸入。在相應(yīng)

19、回調(diào)函數(shù)callback中輸入以下代碼：user_entry=str2double(get(hObject,String)if isnan(user_entry)errordlg(請(qǐng)輸入數(shù)值,你輸入錯(cuò)誤.)end6.3 主程序設(shè)計(jì)主程序在“開始計(jì)算”按鈕的回調(diào)函數(shù)中編寫，將1按照1度遞增求取360個(gè)位置的速度、加速度特征值。主程序如下：hd=pi/180;du=180/pi;global omega1 l1 l2 l3 l4;% -獲取控件數(shù)據(jù)l1=str2double(get(handles.L1VALUE,String);l2=str2double(get(handles.L2VALUE,

20、String);l3=str2double(get(handles.L3VALUE,String);l4=str2double(get(handles.L4VALUE,String);% -下面為選擇1popup_sel_index = get(handles.W1VALUE, Value);switch popup_sel_index case 1 omega1=20; case 2 omega1=25; case 3 omega1=30; case 4 omega1=35; case 5 omega1=40; case 6 omega1=45;end% -計(jì)算鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加

21、速度for n1=1:361 phi1(n1)=(n1-1)*hd; Lbd=sqrt(l4*l4+l1*l1-2*l4*l1*cos(phi1(n1); sita1=asin(l1/Lbd)*sin(phi1(n1); sita2=acos(-l2*l2+l3*l3+Lbd*Lbd)/(2*l3*Lbd); if sita20 sita2=sita2*pi; end phi3(n1)=pi-sita1-sita2;% -計(jì)算l3角位移 phi2(n1)=asin(l3*sin(phi3(n1)-l1*sin(phi1(n1)/l2);% -計(jì)算l2角位移 A=-l2*sin(phi2(n1)

22、,l3*sin(phi3(n1);l2*cos(phi2(n1),-l3*cos(phi3(n1); B=l1*sin(phi1(n1);-l1*cos(phi1(n1); omega=A(omega1*B); omega2(n1)=omega(1);omega3(n1)=omega(2);% -計(jì)算角速度 A=-l2*sin(phi2(n1),l3*sin(phi3(n1);l2*cos(phi2(n1),-l3*cos(phi3(n1); B=omega1*omega1*l1*cos(phi1(n1);l1*sin(phi1(n1); C=l2*omega2(n1)*cos(phi2(n1

23、),-l3*omega3(n1)*cos(phi3(n1);l2*omega2(n1)*sin(phi2(n1),-l3*omega3(n1)*sin(phi3(n1); alpha=A(C*omega+B); alpha2(n1)=alpha(1);alpha3(n1)=alpha(2);% -計(jì)算角加速度End% -繪圖，轉(zhuǎn)換為度、弧度/秒、弧度/平方秒axes(handles.axes5);plot (phi2*du)axes(handles.axes6);plot (phi3*du)axes(handles.axes1);plot (omega2*2*pi/60)axes(handle

24、s.axes2);plot (omega3*2*pi/60)axes(handles.axes3);plot (alpha2*2*pi/3600)axes(handles.axes4);plot (alpha3*2*pi/3600)% -繪圖% -關(guān)鍵數(shù)據(jù)觀察，轉(zhuǎn)換為度、弧度/秒、弧度/平方秒set(handles.edit2,String,roundn(omega2(91)*2*pi/60,-4)guidata(hObject,handles);set(handles.edit3,String,roundn(alpha2(91)*2*pi/3600,-4)guidata(hObject,handles);set(handles.edit4,String,roundn(omega3(91)*2*pi/60,-4)guidata(hObject,handles);set(handles.edit5,String,roundn(alpha3(91)*2*pi/3600,-4)guidata(hObject,handles);% -關(guān)鍵數(shù)據(jù)觀察6.4 結(jié)束退出程序設(shè)計(jì)在回調(diào)函數(shù)中，輸入以下代碼：selection =