全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽

1、第五屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽作品說明書學(xué)校全稱：上海市同濟大學(xué)作品名稱：康樂馬申報者姓名 ：王世元、劉玉炯、弓鵬偉孫通、潘強標(biāo)指導(dǎo)老師：訚耀保2012年 5月康樂馬設(shè)計說明書設(shè)計者：王世元，弓鵬偉，劉玉炯，孫通，潘強標(biāo)指導(dǎo)老師：訚耀保（同濟大學(xué)機械工程學(xué)院，上海，201804）作品內(nèi)容簡介“康樂馬” 是一個以人工腳踏為動力的四腳步行機械馬。 這機械馬以健身，休閑娛樂為設(shè)計主題。 “康樂馬”結(jié)構(gòu)上分成主體框架，馬腿和腳踏傳動三大部分。主體框架使用鋁合金材料， 即達(dá)到強度要求也減輕整體重量， 框架上安裝有齒輪，鏈輪等機構(gòu)傳遞動力給四個馬腿。 馬腿采用對稱布置， 但行走時仿照真正馬的方式，四個馬

2、腿相互錯開行走，并且馬腿抬腿，收腿速度不同，實現(xiàn)了“康樂馬”在行走時重心始終不變， 保持行走時的平穩(wěn)。 腳踏傳動部分我們沿用現(xiàn)有自行車腳踏的結(jié)構(gòu)，鏈條鏈輪的方式傳動，安裝方便的同時也節(jié)約成本。 “康樂馬”采用仿生設(shè)計， 人騎在上面以腳踏的形式提供動力， 然后通過傳動機構(gòu)帶動機械馬的四肢從而實現(xiàn)前進(jìn)后退。由于仿照馬行走時四肢的相互平衡協(xié)調(diào)的特性，本作品相比于現(xiàn)在使用的自行車， 人坐在上面將會很舒適的越過泥濘， 草地，沙地等不平穩(wěn)的路面， 即使馬蹄踩到石頭等物品也不會出現(xiàn)翻側(cè)的情況。 本作品操作簡單，只要坐上去就會操作， 完全不用像自行車得經(jīng)過學(xué)習(xí)才能使用， 是老小皆宜的大眾化產(chǎn)品， 而且以人力為

3、動力的機械馬完全不受能源的限制， 并且不會對周圍環(huán)境造成污染， 同時它體積小， 只要有小塊空地就能使用， 可以是家里使用的健身工具，也可供小區(qū)里人們休閑娛樂。1. 研制背景和意義目前城市里的人大部分都沒機會在生活接觸到真正的馬， 更不用說騎上真正的馬奔馳在草原上。同時忙碌的都市生活也只能讓人在空閑時在健身房里重復(fù)著單一的動作來運動運動手腳。這樣單調(diào)乏味的生活可以因“康樂馬”這一發(fā)明而改變。 “康樂馬”仿照馬的外形讓人有一種親近大自然的感覺， 讓人不自覺的愛上騎馬。 同時“康樂馬”結(jié)構(gòu)簡單，相對于市場上的健身器材，不僅價格低廉，而且也為攜帶提供了方便。使用者可以“康樂馬”帶到小區(qū)的草地上，一邊觀

4、賞自然，一邊腳踏著“康樂馬”鍛煉身體。由于體積小，重量輕，康樂馬可以使用在小區(qū)和家里，極大的擴展了健身器材的使用范圍。2. 設(shè)計方案2.1 整體設(shè)計方案康樂馬整體按功能分為三部分，分別為支撐架， 行走機構(gòu)和傳動機構(gòu)。 支撐架一方面承受人的重力，將其傳給腿，另一方面給其他機構(gòu)提供一個相對靜止的機架。支撐架分為前段、中段、后段。其中，前段后段分別放置前后腿及前后傳動變速齒輪。中段安置安置座子和腳踏機構(gòu)。行走機構(gòu)即腿的機構(gòu)， 由兩組四桿機構(gòu)構(gòu)成，由腳踏機構(gòu)傳來的動力驅(qū)動。傳動部分分為鏈條傳動和齒輪傳動，安置在機架內(nèi)部，將人腳產(chǎn)生的扭矩傳遞到四條腿的主動件上。整體結(jié)構(gòu)如圖。各主要參數(shù)如下表項目參數(shù)總長

5、1400mm總寬660mm總高900mm每步長度300mm行走速度216m/h效率0.7822.2 腿的設(shè)計方案由于腿是整個機構(gòu)的執(zhí)行部分， 又是整個馬的承重部分， 因此，腿的設(shè)計至關(guān)重要。首先，要保證腿上腳的部分運動軌跡盡量擬合直線， 并且使抬腳的時間盡量短，觸地的時間長，這樣有利于保證行走的平穩(wěn)。其次，單獨的平面結(jié)構(gòu)容易使腿在承重時左右彎曲，也會是關(guān)節(jié)處受力加大。解決第一個問題，馬的腿部機構(gòu)采用兩個四桿機構(gòu)構(gòu)成，由同一個主動件驅(qū)動，只有一個自由度，如下圖所示。經(jīng)反復(fù)的仿真實驗，確定各部分尺寸。項目尺寸（ mm）110022953180428051306410742084209331解決第二

6、個問題，馬腿的結(jié)構(gòu)采用空間桿組來加強其穩(wěn)定性。如圖所示。關(guān)節(jié)的設(shè)計 ：為了實現(xiàn)馬邁步的靈活性和減小摩擦，馬腿關(guān)節(jié)加裝軸承。關(guān)節(jié)由套筒、軸、軸承、耳及螺母組成，結(jié)構(gòu)如下圖。架子的設(shè)計 ：架子由四部分組成，各個部分由矩形鋼管焊接而成，其中，為了保證三角架受力的均衡， 將三角拉桿置于架子中部。 各部分零件如下圖所示。傳動部分設(shè)計方案： 傳動部分主要由兩部分組成，第一部分為鏈條傳動，將人腳產(chǎn)生的扭矩傳遞到前面架子上的齒輪； 將前面架子上的扭矩傳遞到后面架子上的齒輪。 鏈條具有不受傳遞距離限制的優(yōu)點， 因此采用鏈條傳動， 這樣可以使得腳踏的位置可以隨意安置。 第二部分為齒輪傳動， 將鏈條傳來的扭矩變速后

7、傳遞到四桿機構(gòu)的原動件。整體布置如下圖。(1)變速齒輪設(shè)計 : 為了保證運動的平穩(wěn)，馬的抬腿時間應(yīng)盡量短，這樣，出現(xiàn)三條腿著地的時間就會很短，大部分時間是四條腿平穩(wěn)移動。為了實現(xiàn)這個特點，在傳動上設(shè)計了變速齒輪，以使在馬腿抬高的相位內(nèi)加速。變速齒輪如下圖。3 理論設(shè)計計算3.1 查資料可知普通成年人可以提供 200w左右的動力。普通成年人正常情況下蹬自行車為 60r/min 。即 P=200w n=60r/min i=5鏈輪傳遞效率10. 94齒輪傳遞效率20. 94滾動軸承傳遞效率3 0. 94設(shè)定：腳踏軸為0 軸，前腿齒輪主動軸為I 軸，前腿齒輪被動軸為II軸因為后腿的齒輪軸是由前腿的鏈條

8、帶動，因此有功率損失，受力比前腿的軸小，故只需校核前腿的軸。傳動比計算：根據(jù)運動循環(huán)圖可以求出變速齒輪的傳動比。設(shè)加速齒輪傳動比為 a，則慢速時傳動比為 1/a ，加速時間為 t 1 =0.2t,慢速時間t 20 .8 t加速相位為 136°, 慢速相位 224°a1360. 2t1224得 a=1.56a0. 8t因此，鏈條傳動比 b=i/a=3.2(1)0軸nd60 r/min(2) 軸nnd18.75 r/mimb(3) 軸n2n118. 75a12 r/min1. 56各軸的輸入功率(1)0 軸Pd200 w(2) 軸分別傳遞到兩條兩條，每一個鏈條傳動包括一個鏈條傳

9、動，一對軸承10.94PPd194 w(3) 軸包括兩隊軸承和兩對齒輪傳動，但與兩隊齒輪單獨嚙合20 .88P2 / 241. 4 wP1 2各軸的理論轉(zhuǎn)矩(1)0軸TdPd95500. 2N m955032nd60(2) 軸TP195500. 094955047. 87N mn118. 75(3) 軸T9550 P295500. 041433 N mn212各軸運動和動力參數(shù)匯總表軸號理論轉(zhuǎn)速 輸入功率 輸入轉(zhuǎn)矩（r/min ）（ w）傳動比(N·m)0 軸60200323.2第 I軸18.759447.87第 II軸1241.41.56333.2 軸承設(shè)計計算馬腿上的 1 軸承校

10、核：1 因為本作品的功率不大，故根據(jù)本作品極限位置的受力來校核軸承強度。軸的內(nèi)徑 d=20mm,且支承處只受徑向載荷，初選深溝球軸承的型號為61804。查表得Cr4030NC0r2320N軸承受力2. 根據(jù)受力可得因 F=1500N,故 Fr1 =Fr2 =750N3. 初步計算當(dāng)量動載荷 P，根據(jù)式P=fp(XFr+YFa)按照表 13-6 ，受輕微沖擊，選fp=1.2 。因只受徑向載荷， X=1,Y=0.P=1.2X1X750=900N4. 根據(jù)式（ 13-6 ），求軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值C=700N于設(shè)計手冊上的額定動載荷 Cr=4030N 額定靜載荷 C0=2320N 故符合強度馬

11、腿上的軸承2 校核：2 因為本作品的功率不大，故根據(jù)本作品極限位置的受力來校核軸承強度。軸的內(nèi)徑 d=15mm,且支承處只受徑向載荷，初選深溝球軸承的型號為61802。查表得Cr2200NC0r1260N軸承受力5. 根據(jù)受力可得因 F=1500N,故 Fr1 =Fr2 =750N6. 初步計算當(dāng)量動載荷 P，根據(jù)式P=fp(XFr+YFa)按照表 13-6 ，受輕微沖擊，選fp=1.2 。因只受徑向載荷， X=1,Y=0.P=1.2X1X750=900N7. 根據(jù)式（ 13-6 ），求軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值C=P=700N于設(shè)計手冊上的額定動載荷 Cr=2200N 額定靜載荷 C0=12

12、60N 故符合強度3.2 軸的設(shè)計計算0 軸上的功率 P、轉(zhuǎn)速 nd、轉(zhuǎn)矩 TdP=200wnd=60r/minTd=32N·m估算軸的最小直徑低速軸選用材料： 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。<由設(shè)計表 15-3>取 A0 =11233d min ' A0P0. 211216. 7mmnd60由于需要考慮軸上的鍵槽放大, dmin =20mm因該軸較短，故由上面的剪切強度計算已可以。 I 軸上的功率 P1 、轉(zhuǎn)速 n1、轉(zhuǎn)矩 T1 P1=94wN1=18.75r/min T1=47.87N·m估算軸的最小直徑低速軸選用材料： 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。<由設(shè)計

13、表 15-3>取 A0 =11233d min A0P0.09411219.2mmnd18.75由于需要考慮軸上的鍵槽放大, dmin =25mm利用 autodesk inventor軟件的軸設(shè)計功能進(jìn)行校核。軸扭應(yīng)力圖軸彎矩圖如上圖所示，彎矩和扭矩均發(fā)生在中間位置，由彎扭合成強度條件公式2（42(M)2（42ca）W）W0.1d31562.5mm3取0.31.1824103)24 （0.32ca(7.8016） 4.7MPa1562.5軸的材料為 45鋼，其 -1 55MPa ，所以 ca 1 ，滿足要求。II 軸上的功率 P2、轉(zhuǎn)速 n2、轉(zhuǎn)矩 T2P2=41.4wN2=12r/m

14、inT2=33N·m估算軸的最小直徑低速軸選用材料： 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理。<由設(shè)計表 15-3>取 A0 =11233d min 'A0P0. 041411216. 9mmnd12由于需要考慮軸上的鍵槽放大, dmin =20mm軸 II 的結(jié)構(gòu)軸彎曲應(yīng)力圖軸彎矩圖如上圖所示，彎矩和扭矩均發(fā)生在中間位置，由彎扭合成強度條件公式2（42c a）取0.3( 4. 0064)24（0. 32aca0. 32）4MP軸的材料為 45 鋼，其 -1 55MPa ，所以ca 1 ，滿足要求。3.3 齒輪設(shè)計計算1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（ 1）根據(jù)傳動方案，選用

15、直齒圓柱齒輪傳動。（ 2）運輸機為一般工作狀態(tài)的機器，轉(zhuǎn)速不高，故齒輪選擇7 級精度。（ 3）材料選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度 280HBS大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） HB2=240（ 4）選小齒輪的齒數(shù) Z1=39；則大齒輪齒數(shù) Z2 =61 （5）輸入功率按 0.2kw 計算2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計2kt T11Z設(shè)計公式 d1t 2.32 3dH（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)據(jù)1) 、試選 Kt =1.3 ；2) 、 T 9550 P19550000 0.29.55 104 N mm ；n1203)、選取 d=1；14)、查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa 25）

16、按齒面硬度查得小齒輪的解除疲勞強度極限H lim1600MPa大齒輪的解除疲勞強度極限H lim2550MPa6）計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N160n1 jLh 602018300 51.44 107N2N10.9210 71.567）取接觸疲勞壽命系數(shù) KNH1=1.0 ，KNH2=1.158）8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力去失效概率 1%，安全系數(shù) S=1， K HN111.0600 600MP aH 1SH 2632.5MPa（2）計算1）試算小齒輪分度圓直徑d1td1t2.3231.39.551042.56189.8263.378mm1.5660022) 、計算圓周速度d1t n1V=0.067m/s

17、60 10003) 、計算齒寬bd d1t 163.378 63.378mm4）計算齒寬和齒高的比 bhd1t63.3781.63模數(shù) mt39z1齒高 h=2.25mt =3.66mmb =17.33h5)計算載荷系數(shù)根據(jù) v=0.067m/s， 7 級精度，查得動載荷系數(shù)KV=1.0直齒輪 KHKF1由表查得使用系數(shù)K A1.25由表用插值法查得7 級精度 KH1.422由 b17.33, K H1.422，查得 KF1.33h故載荷系數(shù) K1.4226) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得d1 d1t 3 K65.31Kt7）計算模數(shù)d165.31m1.67z1393、按齒根彎曲

18、強度設(shè)計2彎曲強度計算公式 m3 2kt T1YFaYSad z12F（1）確定公式內(nèi)的各個計算數(shù)值1）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限FE 1500MPa大齒輪的彎曲疲勞強度極限FE 2380MPa2）取彎曲疲勞壽命系數(shù)K FN 10.92， KFN 20.973)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，K FN1 FE10.92 500F 1328.57MPaS1.4F 2 263.29MPa4)計算載荷系數(shù) KKKAKVKF KF1.665) 查取齒形系數(shù)由表查得YFa12.40,YFa 22.286）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表查得YSa11.67,YSa 21.737) 計算大、小齒輪

19、的 YFaYSa F YF a1YSa10.0122, YF a2YSa20.0150F 1F 2m321.669.551040.01223921.37對比計算結(jié)果 ,取 m=2mmz1d132, z232 1.56 50m3.4 鍵的設(shè)計計算鍵的強度校核變速齒輪安裝在軸的兩個支撐點間，齒輪和軸的材料都是鍛鋼，用鍵構(gòu)成靜連接。齒輪的精度為 7 級，裝齒輪處的軸徑的 =20mm，齒輪輪轂寬度為 28mm，需傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=95.5Nm,載荷有輕微沖擊。采用平鍵，根據(jù) d=20mm查表得的鍵的截面尺寸為： 寬度 b=6mm，高度 h=6mm，由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長 l=25mm根據(jù)機

20、械設(shè)計式6-12T103p apkld對軸計算階段選取的鍵進(jìn)行校核。因為材料都是鋼，由機械設(shè)計表6-2 ，取 p110MPa取 C型普通平鍵 C6×28 GB/T 1096( b6mm,h6mm,L25mm)鍵的工作長度 lL b / 2256 / 222mm鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 k0.5h0.5 63mm2T 103295. 5103pkld322144. 9MPa204.工作原理及性能分析4.1 邁步的機械運動循環(huán)圖p 110MPa4.2 使機器運轉(zhuǎn)所需要的力（保證人可以蹬的動）用 mad機械設(shè)計軟件分析，加載支撐力 500N，摩擦力 100N，分析主動件受力情況，如下圖力的加

21、載圖桿件 1 受力圖（單位N· mm）由圖可得最大值為44.5N· m但四條腿并非同時達(dá)到最大值， 在一條腿達(dá)到最大值時， 其他三條腿處于負(fù)值區(qū)，起促進(jìn)運動的作用， 這時候，腳的力將分配到受力最大的腿上， 由上面計算可知人腳提供的扭矩足夠驅(qū)動。 但該扭矩超過了設(shè)計時的平均扭矩 T2=33N·m 故需重新校核。軸扭應(yīng)力圖軸彎矩圖如上圖所示，彎矩和扭矩均發(fā)生在中間位置，由彎扭合成強度條件公式2（42c a）取0.3ca( 5. 4)24 （0.320. 45） 5. 407MPa軸的材料為 45鋼，其 -1 55MPa ，所以 ca 1 ，滿足要求。4.3 效率本機器馬的機械傳動效率：滾動軸承： 0.995鏈條： 0.9齒輪： 0.96總的傳動效率為： n=0.9995 20 x 0.96 x 0.9=0.7824.4 重心估計由于馬左右對稱， 重心落到整體結(jié)構(gòu)的中心面上， 但由于馬的四條腿邁步順序不同，會使整體中心在中心平面上變動。一條腿的重心矩形管30*15 厚度 1mm表面積90mm2鋼的密度7.85g/cm3可求出鋼管線密度0.7065g/mm由公式mixiymi yixmimi代入各桿中心坐標(biāo)和相應(yīng)質(zhì)量，可求得重心坐標(biāo)極限位置 1x122y1241.1極