玩具指南车课程设计

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1、课程设计—玩具指南车设计姓名：张峻彬班级：机制0808班学号：U200810678指导老师：杨家军华中科技大学-17-目录一、指南车简介-2-二、指南车设计参数要求-2-三、指南车转弯运动学-2-四、指南车设计方案汇总-3-定轴指南车方案—宋代指南车-3-差动式指南车方案—五十年代的指南车-4-五、指南车设计方案的比较和选择-5-指南车设计方案比较-5-指南车设计方案的选择-6-六、玩具指南车详细设计-6-差动齿轮系方案选择-6-玩具指南车外形尺寸设计-9-玩具指南车的锥齿轮设计-10-锥齿轮强度校验-14-其他重要结构设计-16-七、参考文献-17--17-一、指南车简介指南车，又称司

2、南车（图1），是中国古代用来指示方向的一种机械装置。它利用差速齿轮原理，它与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。指南车图1二、指南车设计参数要求指南车是中华民族文化瑰宝，设计指南车玩具有利于提升孩子的智力同时宣扬中华民族传统文化。玩具指南车在设计过程中，应该满足玩具大小的要求，且在空间限制的要求下使得齿轮系的设计最为简单。总的来说，玩具指南车的尺寸要求为140mm×140mm×140mm。三、指南车转弯运动学车辆直线行驶时，不存在定向问题，关键在转弯时必需研究一番车辆转弯时的运动

3、情况。如图2所示的车辆转向图，图中车轮直径D、轮距2L、转弯半径r。车辆左转弯，在XOY平面内以θ角度量。假设车辆沿地面作纯滚动(无滑动)，那么，左(内)侧车轮A沿地面滚过弧长为S1，右(外)侧车轮B沿地面滚过弧长为S2。车轮A、B绕自身轴线回转的角度分别为ΦA、ΦB,有：S1=(r-L)θ=ΦAD/2S2=(r+L)θ=ΦBD/2S2-S1=(r+L)θ-(r-L)θ=2θL=(ΦB-ΦA)/2DΦB-ΦA=θL/D　　　　　　(1)为了讨论简便,令2L=D(轮距等于轮径,由结构保证),则:2θ=ΦB–ΦA　　　　　　　　　　　　　　　(2)-17-指南车运动学原理图2　当轮距等于轮径

4、的条件下，在车辆转弯时，外侧车轮与内侧车轮绕自身轴线回转的角度差(ΦA-ΦB)应等于整个车辆在XOY平面内转弯角度θ的两倍。上述结论推导的前提是车轮必须沿地面作纯滚动，此结论同样适用于右转弯。不仅适用于前进，也适用于后退，甚至在原地360°回转。当车转动θ角，利用两轮的回转角度差再加以特定的机械结构实现指针相对指南车以反方向转动θ角，从而实现指南的效果。四、指南车设计方案汇总指南车内部结构一般为齿轮系。齿轮系有定轴轮系的方案和差动轮系的方案。对于定轴轮系指南车，其每一齿轮的轴线都是固定的。定轴轮系的机构自由度为1，故只能也只需一个原动件。因此用定轴轮系构造的指南车，其作为原动件的两个车轮

5、不能同时驱动木仙人，而必需有一套自动控和自动离合的装置，并根据车子直行或转弯的情况来实现自动控制。差动轮系指南车与定轴轮系指南车的主要区别在于其构造上。差动轮系中至少有一个齿轮的轴线可绕另一齿轮的轴线回转，因此这种轮系必有转臂。同时行星轮是空套在转臂上的，所以行星轮既可自转又能公转。在原理上，差动轮系的机构自由度为2。所以用差动轮系构造的指南车，它的两个车轮可同时作为原动件来驱动木仙人，并利用两车轮的转角差来实现木仙人静止。定轴指南车方案—宋代指南车宋代指南车为双轮独辕车。辕在车的正中，用直木压在车轴上，伸出车的前端，供驾牲畜用。辕压在车轴上，有支点可以有限转动，以实现转向。它的轮距等于

6、轮径，具体构造和功能如图3所示。左右车轮D、D′，沿内侧周向分布有齿数为24棒齿的左右附足立子轮E、E′，它与左右小平轮F、F′常啮合。左右小平轮回转轴O3固结在车轮轴C上,齿数为12的棒齿。因为O3轴垂直地面,而车轮轴C平行于地面，所以由附足立子轮到-17-小平轮，实现了传递垂直轴间的运动。辕A回转轴O2固结车轮轴C上，其上面安装有中心大平轮G，齿数为48的棒齿。中心大平轮G回转轴O1固结在辕A上。直线行驶时，中心大平轮G与左右小平轮F、F′留有缝隙，不啮合，站立在中心大平轮G上,O1处木仙人的手指指向南。左(右)转弯时：由辕A控制中心大平轮G与右(左)小平轮F、(F′)啮合。这样，随

7、着车轮的转动，实现了由左(右)附足立子轮E、(E′)到左右小平轮F、(F′)；再由左(右)小平轮F、(F′)到中心大平轮G的传动。宋代指南车图3小平轮是惰轮，前一次啮合是垂直轴间的运动传递，后一次啮合是平行轴间的运动传递，这只有棒齿才有可能；其间实现了总传动比等于二的减速传动，即意味着站立在中心大平轮G上，O1处的木仙人转过的角度应该是车辆转弯时外侧车轮与内侧车轮绕自身轴线回转的角度差之半。式(2)中木仙人手指相对与车辆沿α～α弧偏