《逆向工程與產(chǎn)品創(chuàng)新設計》 課件 4.3 水陸兩棲車結構設計

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水陸兩棲車結構設計項目四

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水陸兩棲車結構設計

水陸兩棲車由上殼體、下殼體、電池、電動機、開關和車輪等多個組件構成，如圖4-3-1所示。電動機產(chǎn)生的動力通過車輪轉變成其行進的推力，以克服水陸兩棲車在陸地或水中航行的阻力。外形為多個規(guī)則和不規(guī)則平面或曲面構成。

前期已經(jīng)完成了水陸兩棲車上蓋的三維數(shù)據(jù)采集和逆向造型設計，項目要求產(chǎn)品外形參考原有上蓋外形，考慮到生產(chǎn)的經(jīng)濟性從市場上采購部分配件，完成水陸兩棲車的結構設計。1、電池蓋2、電池3、車輪4、齒輪箱5、電機6、上殼體7、電路板8、下殼體圖4-3-1水陸兩棲車結構示意圖項目四

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水陸兩棲車結構設計水陸兩棲車結構設計任務書本任務要求設計的水陸兩棲車總體布置如圖4-3-2（a）所示，外形尺寸為：長150mm左右，寬140mm左右，總高80mm左右，軸距由車身上蓋模型決定。根據(jù)制定的總體布置方案及選定的配件，結合產(chǎn)品結構、機械制圖、模具設計與制造、人體工程學、3D打印等專業(yè)相關知識，使用提供的電機、車輪、電池、遙控器及接收板、開關，進行結構和功能方面進行設計，可選用提供的標準件。最終完成設計零件的三維造型，并進行三維虛擬裝配。根據(jù)要求對水陸兩棲車下蓋、傳動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)殼體、電機安裝殼體進行設計，具體設計要求如下：1、傳動系統(tǒng)設計傳動機構包括齒輪、軸、支承板等零件，要求根據(jù)圖4-3-2（a）所示的傳動路線示意圖，根據(jù)電機參數(shù)設計傳動系統(tǒng)，采用三級直齒圓柱齒輪減速傳動，總傳動比35~40，每級傳動比為2~4，四輪均為驅動輪，同一側的車輪用一個電機驅動，前后兩輪轉速和方向一致。所有軸與孔采用基孔制間隙配合，軸孔公差不大于8級，將電機安裝在電機保護殼，然后連接到傳動支承板上，要求電機做防水密封處理。結構合理，軸與齒輪定位準確、傳動可靠。設計電機安裝殼體與傳動支承板連接可靠，保證密封。

（a）總體布置圖

（b）傳動機構實物圖4-3-2水陸兩棲車結構設計項目四

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水陸兩棲車結構設計水陸兩棲車結構設計任務書2、行走系統(tǒng)設計設計特技車的行走系統(tǒng)，要求使用提供的車輪等配件。3、車身下蓋設計車身下蓋外形與上蓋外輪廓形狀吻合，外殼下蓋與上蓋輪廓布局風格類似，外形美觀。信號接收PCB板安裝在上蓋內部，要求在下蓋上設計電池安裝盒，需要保證電池盒安裝可靠，電池安裝方便且有固定密封結構，電池安裝時不需要拆裝電池盒蓋以外的零部件。根據(jù)傳動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、上蓋的連接安裝要求設計車身下蓋內部結構，使各系統(tǒng)合理定位安裝在車身上連接成一個整體。傳動系統(tǒng)定位合理，連接可靠，與上蓋之間結合面吻合度高。4、裝配圖及零件圖繪制根據(jù)水陸兩棲車結構設計結果，生成總體裝配圖及傳動系統(tǒng)左右支承板、電機安裝前端殼體、電機安裝后端殼體及第二級傳動雙聯(lián)齒輪的零件圖。要求裝配關系表達清晰正確，配合公差表達正確，視圖選擇合理，有爆炸圖。項目四

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水陸兩棲車結構設計水陸兩棲車結構設計任務書提供的從市場采購的水陸兩棲車配件如下：1、電機及信號接收PCB板圖4-3-3為電機及信號接收PCB板外觀與接線圖，該電機為130直流電機，噪音低，啟動電流小。電機外形參數(shù)經(jīng)直接測量實物，外形尺寸為20mm×15mm×35mm，接收板外形尺寸66.5mm×30.5mm×4.5mm，接收板上帶電源開關，此配件通過螺釘直接安裝在水陸兩棲車上蓋結構內即可。2、電池圖4-3-4為電池外形，Φ15×50，900mAh，3.7V。圖4-3-3電機及接收板

圖4-3-4電池外觀圖項目四

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水陸兩棲車結構設計水陸兩棲車結構設計任務書3、車輪圖4-3-5為車輪外觀圖，該車輪空心結構采用螺旋槳排水車輪，螺旋槳結合外圈橡膠防滑帶，可以隨時隨地切換游玩場地，輪胎內部為ABS塑料，外徑尺寸經(jīng)測量為直徑70mm，車輪的孔徑為直徑11mm，車輪用螺釘從側面固定在動力輸出軸上。圖4-3-5

車輪外觀圖項目四

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水陸兩棲車結構設計水陸兩棲車結構設計任務書4、傳動軸提供傳動軸Φ3mm，數(shù)量10根，學生根據(jù)設計需求選用合適長度自行測量處理。5、密封圈圖4-3-6為電池蓋密封圈，數(shù)量1個，外框外形尺寸為63mm×36mm×2mm，內框外形尺寸為58mm×31mm×2mm。圖4-3-6

電池蓋密封圈項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本原則1、材料的合理選擇任何產(chǎn)品都由材料組成。在產(chǎn)品設計時，首要考慮的是材料的合理應用。材料不僅取決于產(chǎn)品的基本功能，還取決于產(chǎn)品的價格。因此，在選擇材料時，應根據(jù)產(chǎn)品應用領域、產(chǎn)品市場定位和產(chǎn)品功能選擇材料。2、結構設計的合理性產(chǎn)品結構設計并不是越繁雜越好，反之，在達到產(chǎn)品功能的前提條件下，結構越簡潔明了越好，簡潔的結構在生產(chǎn)制造安裝上越簡單。產(chǎn)品產(chǎn)品結構設計時，必須達到相應的結構簡單實用，包括所有固定按鈕、加強筋、卡扣、螺絲柱等。3、模具結構設計的簡化產(chǎn)品外觀及結構設計設計完成后，設計并制造模具進行注射成型，開展產(chǎn)品外觀設計時，必須確保產(chǎn)品能夠根據(jù)模具進行加工。產(chǎn)品結構設計安全可靠，模具無法完成或難以完成是不符合標準的結構。作為結構工程師，要掌握模具，了解模具的主要結構、產(chǎn)品注射成型方法、脫模形式等，只有這樣才能在設計產(chǎn)品外觀時盡量避免簡化模具。項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本知識---壁厚壁厚的大小取決于產(chǎn)品需要承受的外力、是否作為其他零件的支撐、承接柱位的數(shù)量、伸出部分的多少以及選用的塑膠材料而定。一般的熱塑性塑料壁厚設計應以4mm為限。從經(jīng)濟角度來看，過厚的產(chǎn)品不但增加物料成本，延長生產(chǎn)周期，增加生產(chǎn)成本。從產(chǎn)品設計角度來看，過厚的產(chǎn)品增加引致產(chǎn)生空穴氣孔的可能性，大大削弱產(chǎn)品的剛性及強度。1、平面準則最理想的壁厚分布無疑是切面在任何一個地方都是均一的厚度，均一的壁厚是非常重要的。但為滿足功能上的需求以致壁厚有所改變總是無可避免的，應盡量設計成漸次的改變，并且在不超過壁厚3:1的比例下進行設計。在此情形，由厚膠料的地方過渡到薄膠料的地方應盡可能順滑。太突然的壁厚過渡轉變會導致因冷卻速度不同和產(chǎn)生亂流而造成尺寸不穩(wěn)定和表面問題。2、轉角準則

壁厚均一的要求在轉角的地方也同樣需要，以免冷卻時間不一致。冷卻時間長的地方就會有收縮現(xiàn)象，因而發(fā)生部件變形和撓曲。此外，尖銳的圓角位通常會導致部件有缺陷及應力集中，尖角的位置亦常在電鍍過程后引起不希望的物料聚積。集中應力的地方會在受負載或撞擊的時候破裂。較大的圓角提供了這種缺點的解決方法，不但減低應力集中的因素，且令流動的塑料流得更暢順和成品脫模時更容易。項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本知識---卡扣

卡扣是連接兩個零件的一種非常簡單、經(jīng)濟且快速的連接鎖定方式，在強度要求不高的情況下可以用于代替螺絲固定。扣位設計在于“扣”，需要結合緊密，保證測試強度，達到安裝目的即可?？鄢Ｗ鲈谘b飾件固定、面底殼組裝、屏幕固定、按鍵限位、蓋體扣合等結構處。

所有類型的卡扣接頭都有一個共同的原理，即一個部件的突出卡鉤，在連接操作過程中會短暫地偏轉，并在配合部件的凹陷處卡住。在設計卡扣時，特別需要考慮裝配過程中的操作力和拆除過程中的拆除力。卡扣設計有很大的靈活性，由于在配合過程中需要一定的彈性，故卡扣連接結構常用在塑膠零件上。項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本知識---卡扣卡扣主要有如下幾種基本形式：1、懸臂卡扣懸臂卡扣裝配時主要承受彎曲力，如圖4-3-8所示的卡扣連接方式具有很大的保持力，同時從箭頭處缺口按壓彈臂卡扣，也可以實現(xiàn)輕松拆卸。圖4-3-8

按壓拆卸懸臂卡扣項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本知識---卡扣卡扣主要有如下幾種基本形式：1、懸臂卡扣如圖4-3-9所示的面板模塊上的四個懸臂卡扣可將模塊牢牢地固定在底座上，同時扣合面帶有一定斜度，在需要時仍可將模塊移除。如圖4-3-10所示的非連續(xù)環(huán)形卡扣設計，與后面所說環(huán)形卡扣近似；在環(huán)形卡扣上增加一些切口，使卡扣具有更好的彈性，同時安裝時卡扣受力也變?yōu)橹饕惺軓澢Α?/p>

圖4-3-9

四邊懸臂卡扣

圖4-3-10

非連續(xù)環(huán)形卡扣設計項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本知識---卡扣2、U型卡扣屬于懸臂彈性卡扣的一種，在簡單懸臂卡扣基礎上，增加U型結構，進一步增加卡扣彈性，如圖4-3-11所示。U型卡扣可以具有很大的扣合保持力，同時，U型槽的存在，使得拆卸時可以手動撥動卡扣，方便拆卸。這種卡扣結構常見于電池蓋及一些需要多次拆卸的卡扣結構。3、扭力卡扣裝配時卡扣主要承受扭力（剪切力），常用于需要多次拆卸的卡扣結構，如連接器扣合。不同于U型卡扣，扭力彈性卡扣，主要是通過一個轉軸（或扭轉支點）傳遞力矩實現(xiàn)卡扣的扣合與拆卸，如圖4-3-12所示。

圖4-3-11U型卡扣

圖4-3-12扭力卡扣項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本知識---卡扣4、環(huán)形卡扣環(huán)形卡扣呈軸對稱結構，卡扣裝配時承受多方向應力，通過一整圈連續(xù)的卡扣，實現(xiàn)兩個零件的連接，如圖4-3-13所示。這種卡扣常用于筆筒、燈罩等產(chǎn)品，由于卡扣是連續(xù)一整圈，本身不具有彈性，扣合與拆卸過程，主要通過零件材料本身變形，故卡扣扣合量一般做的比較小。5、球形卡扣球形卡扣也主要是依靠零件材料本身變形實現(xiàn)扣合與拆卸；不同于環(huán)形卡扣的是，其卡扣部分是一個球面，連接后的兩個零件可以沿球心實現(xiàn)一定角度的三維旋轉，如圖4-3-14所示。

圖4-3-13環(huán)形卡扣

圖4-3-14球形卡扣項目四

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水陸兩棲車結構設計產(chǎn)品結構設計基本知識---加強筋

加強筋主要用于加強產(chǎn)品的殼體強度，增加剛性，防止產(chǎn)品變形扭曲，而且不會因為增加了剛性而導致產(chǎn)品外觀表面縮水等不良問題，是降低產(chǎn)品單價成本，增加產(chǎn)品強度的最佳方式。1、加強筋設計原則:（1）加強筋的厚度應小于被加強的產(chǎn)品壁厚，防止連接處產(chǎn)生凹陷。（2）加強筋的高度不宜過高，一般高度小于3倍壁厚。否則會使筋部受力破壞，降低自身剛性。增加產(chǎn)品的剛度，應增加加強筋的數(shù)目而不應增加其高度。（3）加強筋的斜度可大些，一般應大于1.5°，方便脫模，避免頂出時損傷產(chǎn)品表面。（4）加強筋根部圓角會影響加強筋根部厚度，從而間接影響縮痕，因此圓角也不能過大，如一定需要，圓角半徑最好不大于壁厚的0.25。（5）多條加強筋要分布得當，排列相互錯開，以減少收縮不均。（6）一般加強筋都是加斜骨，目的是避免困氣，有利于注塑及強度。項目四

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水陸兩棲車結構設計2、加強筋設計形式（1）當有多條加強筋交叉連接時，注意防止材料局部集中堆積，避免背部產(chǎn)生縮痕，可參考以下方式設計。圖4-3-15不同的加強筋截面形狀產(chǎn)品結構設計基本知識---加強筋項目四

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水陸兩棲車結構設計2、加強筋設計形式（3）加強筋與外壁連接時，盡量保持加強筋與外壁垂直，如圖4-3-17所示。（a）不合理的設計

（b）理想的設計

圖4-3-17加強筋與外壁連接設計產(chǎn)品結構設計基本知識---加強筋（4）為了增加產(chǎn)品的剛度，應增加加強筋的數(shù)目而不是高度，加強筋應設計的矮一些，多一些為好。（5）如果空間允許，加強筋或螺絲柱等結構避免設計在比較陡的斜面上，無法避免時注意做防縮處理。項目四

4.3水陸兩棲車結構設計2、加強筋設計形式（6）如果螺絲柱或者立柱過高或者需要承受一定的力度時，就需要設計加強筋以增強其強度，如圖4-3-18所示。加強筋的大端厚度，取值范圍在0.4t~0.60t，一般取值是料厚的50%。加強筋的高度，一般要求不大于3t。加強筋距離零件表面的距離，一般要求不小于1.00mm。圖4-3-18立柱加強筋設計產(chǎn)品結構設計基本知識---加強筋項目四

4.3水陸兩棲車結構設計水陸兩棲車結構設計思路1、根據(jù)上蓋逆向設計結果，鏡像后修剪中間過渡曲面后設計下蓋外曲面。2、根據(jù)上殼特征完成下蓋細節(jié)特征設計。3、根據(jù)提供的電池外形尺寸完成下蓋電池盒蓋設計。4、根據(jù)配合特征