机械原理课程设计-指南车
机械原理课程设计 指南车的设计研究
学 院： 机械工程学院 指导教师：
目录
目录 ................................................................................................. 1 第一章 研究背景 ............................................................................ 2 第二章 基本原理 ............................................................................ 3 第三章 机构设计 ............................................................................ 3 1、机构原理 .............................................................................. 3 2、机构设计 .............................................................................. 4 3、设计方案 .............................................................................. 5 第四章 仿真分析 ............................................................................ 7 1、实体建模 .............................................................................. 7 2、仿真结果 .............................................................................. 8 第五章 总结 .................................................................................. 10 附 电子档清单 .............................................................................. 12
第一章 研究背景
指南车，又称司南车，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”。
指南车是古代一种指示方向的车辆，也作为帝王的仪仗车辆。指南车起源很指南车复原模型早，历代曾几度重制，但均未留下资料。直至宋代才有完整的资料。它利用齿轮传动系统和离合装置来指示方向。在特定条件下，车子转向时木人手臂仍指南。指南车的自动离合装置显示了古代机械技
术的卓越成就。但是，正如永动机不可能成功，机械式指南车也有它解不开的死穴。因为所有机械指南车，都是以两轮之间的“差动”来工作的，它希望两轮与地面作纯滚动，这是一种理想的数学模式，在实际中从来不曾有过。我们知道车轮尺寸会有制造误差，也会有磨损不均，还会有地面的坑坑洼洼。若将试验条件相对放宽，机械式指南车必定会与预期有较大的差异，被历史淘汰也是不可避免的。
本次研究的主题是指南车的机构设计，本小组对指南车的核心机构——加法机构进行分析设计，并通过CAD/CAE/CAM集成软件Solidworks对机构进行进行实体建模与运动分析。
第二章 基本原理
车箱内部设置有一套可自动离合的齿轮传动机构。当车子行进中偏离正南方向，向东(左)转弯时，东辕前端向左移动，而后端向右(向西)移动，即将右侧传动齿轮放落，使车
轮的转动能带动木人下方的大齿轮向右转动，恰好抵消车辆向左转弯的影响，使木人手臂仍指南方。当车子向西(右)转弯时，则左侧的传动齿轮放落，使大齿轮向左转动，以抵消车子右转的影响。而车子向正前方行进时，车轮与齿轮系是分离的，因此木人手臂所指的方向不受车轮转动的影响。如此，不管车子的运动方向是东西南北，或不断变化，车上木人的手臂总是指向南方，起着指引方向的`作用。
第三章 机构设计
1、机构原理
指南车使用了差动齿轮装置，或者称加法机构, 或者称差速器。其原理是当车辆直线行驶时左右两车轮转动角速度相等。差动机构没有输出。车辆转弯时两侧车轮角速度不相等，这时差动机构输出这个差值。驱动指示机构。
类似的装置应用在现代汽车的差速器和工业上加工齿轮的专用设备插齿机以及滚齿机中。
2、机构设计
根据指南车的运动特性，在自由度为一的定轴轮系设计中，由于直线前进时，自动离合装置不会与左右两轮相结合，故输出杆件不会产生旋转运动而能固定指向；但在左右旋转时，则必须固定某一轮使其转速为零，并以该轮与地面的接触点为圆心，由另一轮的旋转使车身转弯；在转弯时，自动离合装置启动，将车轮旋转运动传递至输出杆件，产生与车身相等的角速度旋转但方向相反的运动，使输出杆件保持固定指向。而在自由度为二的差动轮系设计中，整体机构的输入即为左右两轮的旋转角速度，用以控制输出件的运动状态。在直线前进时，左右两轮保持相同转速，此时车身并不旋转，同样地输出件此时角速度也会因为左右两轮的等角速度运动而相互抵销转速为零，但在左右旋转时，车身会因为左右两轮的速度差而产生旋转运动，而输出杆件则由内部传动造成输出杆件作与相等的角速度旋转但方向相反的运动，使输出杆件保持固定指向。
因此，在车轮与车身的运动分析上，定轴轮系指南车便成为差动轮系指南车的一个特例。而输出杆的运动，则会因内部传动机构设计而不同。据此，首先须推导出，左右两轮的角速度所造成车身旋转的角速度之间的数学关系。假设左右两轮的角速度分别为 ωL 与 ω
R ，车身旋转的角速度为 ω ，车轮的半径为 R ，两车轮中心距为 L ， 则依照图 4-1 所示，车在向右转弯时，左右两轮以点 O 为圆心作顺时针旋转运动， r1 与 r2 分别表示左右两轮与圆心 O 的距离(旋转半径)， S1 与 S 2 则表示左右两轮所行走的距离，则所有参数之间的数学关系推导如下：
根据两轮行进距离可得：
综上可得：
3、设计方案
基于差动轮系，设计一套加法机构。当车辆直线行驶时左右两车轮
转动角速度相等，差动机构没有输出。车辆转弯时两侧车轮角速度不相等，这时差动机构输出这个差值。通过加法机构，将两轮输入的角度差值转化为指向盘的转动角度，从而实现指向盘所指方向不变的工作特性，即起到“指南”的作用。
本组的设计方案如图所示（附件包含该图的AutoCAD图纸以及Solidworks的仿真分析模型）。图示为指南车的后轮，差动轮系将左右两个后轮的输入转化为指南盘转角的输出。轮系中的齿轮参数如下表格所示：
车轮参数：
左右轮直径：Φ400mm 轴距：400mm
通过以上参数可得ω=0.5(ωL-ωR)，本设计满足件，故能够实现“指南”的功能。
的条
第四章 仿真分析
1、实体建模
这里选用于SolidWorks的环境下进行指南车实体模型的建立。SolidWorks是一个架构在窗口操作系统下的3D实体绘图设计工具，让使用者拥有直觉式的设计空间。
传动机构的三维模型如图所示。齿轮大小不相同时, 其厚度也不相同, 建模时是完全根据实际尺寸进行造型的。
而整体的机构仿真图二如下：
图二 2、仿真结果
为了验证结构的合理性,使用仿真技术对机构进行了运动仿真分析。以下给出仿真结果曲线。图三中曲线是指向盘的相对于车身的转动角速度曲线w12??30,图四中曲线是右轮的转动角速度wL?600，图五中曲线是左轮的转动角速度wR?660。
图三：指向盘相对于车身角速度
图四：右轮转动角速度
图五：左轮转动角速度
图六：指向盘相对于地面角速度 我们设计时RR?0.5,车身相对于对面的角速度w??(wL?wR)?30LL
这与指向盘相对车子的角速度w12??30大小相等方向相反,所以指向盘相对地面的角速度始终为0，如图六所示, 实现了始终指南的功能。
仿真动画更清楚地显示了小车沿任意路径前进,指向盘的朝向始终不变的结果。
第五章 总结
本次课程设计，小组成员运用《机械原理》课程所学习的轮系相关知识，并查阅有关文献，设计出适用于指南车工作的差动轮系，并通过Solidworks对指南车外观及核心机构进行实体建模，使用Solidworks Simulation模块对模型进行运动分析，验证了小组机构设计的正确性。
在设计过程中，小组成员通过查阅大量有关资料，并与老师同学交流经验和自学，使我们学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获巨大。在整个设计中我们懂得了许多东西，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的可能不够完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我们终身受益。
课程设计这两周非常充实，让我们学到了很多东西。非常感谢老师的热心教导，与这次课程设计难得可贵的学习机会！
附 电子档清单
1、课题研究报告；
2、轮系设计图纸；
3、指南车运动仿真视频；
4、指南车虚拟样机（Solidworks 2013装配体格式）；
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