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1、华中科技大学机械科学与工程学院机械原理课程设计说明书太阳地球月球公转与自转演示仪指导教师：杨家军设计者：卜凡 林翰 U201110297王泽坤刘镭华中科技大学机械科学与工程学院机械中英1101班2014年1月目 录1.作品内容简介22.设计任务2 2.1设计背景2 2.2设计目标32.3设计目的及意义33.设计方案3 3.1设计方案选择3 3.2设计方案总体介绍5 3.3运动循环图6 3.4结构解析64.理论分析与计算7 4.1下压角度预计算7 4.2曲柄长度预计算7 4.3下压行程预计算7 4.4校正数据84.5运动轨迹模拟85.设计过程中的亮点10 5.1创意上的亮点10 5.2结构上的亮
2、点10 5.3绘图上的亮点105.4团队上的亮点106.收获与体会107.参考文献128.附录1312华中科技大学机械科学与工程学院太阳地球月球公转与自转演示仪设计者：卜凡、林翰、王泽坤、刘镭指导老师： 杨家军（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074）作品内容简介太阳与月亮对我们生活影响至深，日出而作，日落而息，春种秋收，冬暖夏凉，这便是太阳、月亮及地球的天体运动产生的。然而，许多人对日地月三者的运动规律不甚了解，不知道为何有四季之分，不清楚何来潮涨潮落，更不知在地球上只能看见月亮的一面。因此，我们决定利用所学的机械知识，尤其是齿轮与齿轮系的知识去设计模拟地球自转及绕太阳的公转，月球
3、的自转及绕地球的公转的演示仪。以期能直观反映日地月的运动规律。并设计以手动摇杆作为输入，以让学习者可以亲手操作模拟转动过程，而加深知识的印象。该演示仪可以作为天文选修课的入门学习教具，也可以供天文爱好者入门学习之用。联系人：卜凡联系电话：EMAIL：2 设计任务2.1 设计背景公元前十一世纪，传说中国周朝建立测景台，最早测定黄赤交角。公元前七世纪，中国用土圭测定冬至和夏至，划分四季。1542年，波兰哥白尼提出太阳中心说，认为恒星天层不动，地球每天绕其轴旋转一周，并作为一个行星每年绕太阳运行一周。而近代来，随着科学技术的快速发展，天文学的成就更是日新月异，我们的目光早已投向太阳系之外的天体。我们
4、了解并且能够精确计算漫天的星体运动，太阳系内的行星更是了若指掌。人类的足迹也已踏上了月球，机器人也已代替人登上了火星，并正向太阳系外前进。但是，许多人却依然缺乏天文学的基本知识。莫说漫天的星辰，许多人连对我们生活影响最深的太阳、月亮和地球三者的运动规律都不甚了解。这三大星体对我们的日常生活影响最深，甚至可以说决定了我们的生活方式。但是，许多人依然懵懵懂懂，知其然而不知其所以然。但天文知识又是极其深奥和复杂，对于普通人来说，并无过多时间去深入研究。因此，我们希望通过演示仪来生动表现日地月自转与公转的过程，让人们可以直观快速地了解这些知识。2.2 设计目标该演示仪可分为三大模块，太阳地球公转模块，
5、地球自转模块，地球月球自转与公转模块。太阳地球公转模块：我们的目标在于体现太阳地球公转的周期时间，以及表现公转的椭圆轨道，从而能解释四季变化。地球自转模块：我们的目标在于表现地球自转周期时间，以及黄赤交角，从而解释昼夜变化，并进一步解释四季变化。地球月球自转与公转模块：我们的目标在于表达月球公转的周期时间，以及公转与自转速度一致的事实，从而解释潮汐的起落和为何我们只能看见月球的一面。2.3 设计目的及意义我们的目的是通过机械设计来仿真出日地月三者在宇宙空间各时刻的相对位置,并能形象地表明地球月亮的运动状态,科学地解释由此产生的各种自然现象。使学习者通过该演示仪之演示，可轻松地了解这些基本知识。
6、且特意将演示仪设计为手动操作，可快可慢，由学习者自己掌握，因而学习者可直接观察运动全过程。可玩性强，可提高学习效率。3 设计方案3.1 椭圆运动设计方案选择1）连杆机构椭圆规方案连杆机构椭圆规方案的机构运动简图：如图，将输入的力作用于连杆OM上，则偏离M点的P点可画出椭圆的轨迹。但这种方案无法设计不同的传动比，因而无法调整公转和自转的速度。2）行星轮机构椭圆规方案如图，将输入的力作用于连杆，齿轮Z2上的B点画出椭圆轨迹。且齿轮Z2可继续传动，以此可实现一输入多输出，保证公转和自转的传动比。3）椭圆运动设计方案选择上述两种方案均可实现椭圆运动，但我们希望能实现一输入多输出，并将日地月的传动比通过
7、机构固定。因此，我们选择行星轮机构椭圆规方案。且该方案相比连杆机构椭圆规方案更简单，装配更容易。3.2总体设计方案的优化过程1）简单连杆机构方案简单连杆机构方案的机构图：将动力源的力作用在地球连杆和月球连杆上，使其分别绕着各自中心轴旋转。但该机构过于简单，无法实现一个输入多个输出，且无法实现非圆周的复杂运动。2）行星轮机构椭圆规方案该方案利用了行星轮椭圆规机构，成功模拟了公转的椭圆轨迹。且利用齿轮传动可达到用一个输入产生自转和公转输出的效果。但自转与公转传动比太大而使齿轮半径过大，因而该方案实际上不可以行。3）行星轮机构椭圆规第一次优化方案该方案在行星轮机构椭圆规方案上进一步改进了公转与自转之
8、间的传动装置，增设多级齿轮以达到减小齿轮半径而快速增加传动比的效果。但该方案因齿轮向外延伸，横向距离依然偏大。切该方案依然无法加入月球。4）行星轮机构椭圆规第二次优化方案该方案在行星轮机构椭圆规第一次优化方案上将公转自转之间的齿轮传动装置由横向改为纵向而节省了空间。并加入了月球极其传动装置。该方案已经在机械机构上达到最终的目的。5） 行星轮机构椭圆规最终方案该方案在行星轮机构椭圆规第二次优化上，考虑日地距离要比月地距离大得多，因而在日地连杆之间加入4个惰轮来增加日地距离，从而更贴近日地月公转与自转的真实情况，至此完成机构设计方案。3.2 设计方案总体介绍日地月公转与自转演示仪总体结构图该演示仪
9、可分为日地传动部分、日月传动部分、动力输入与传递部分三大部分。日地传动部分用于实现模拟地球公转与自转之间的传动比，并实现模拟地球绕太阳公转的椭圆轨迹以及地球自转平面与公转平面的夹角。日月传动部分用于实现模拟月球公转与地球公转的传动比，并实现模拟月球公转自转的同步以及月球绕地球公转的轨迹。动力输入与传递部分用于实现动力的输入与传递，并且拉长日地之间的距离，更好地模拟真实情况。3.3 结构解析1） 日地传动部分2）日月传动部分中心转轴套筒3） 动力输入与传递部分4 理论分析与计算如图，为该机构中所有齿轮的名称与齿数。Z1和Z2之间距离为550mm，Z2和Z3之间距离为40mm。所有齿轮模数与齿数如
10、下:Z1=100 Z2=50 M1=M2=2mmZ2=57 Z3=23 M2=M3=1mmZ4=23 Z3=57 M4=M3=1mmZ2=63 Z5=17 M2=M5=1mmZ6=17 Z5=63 M6=M5=1mmZ6=63 Z7=17 M6=Z7=1mmZ7=63 Z8=17 M7=M8=1mm4.1 计算地球公转与自转之比当计算地球公转速度与自转速度之比时，应将其视为定轴齿轮系进行计算。W1为公转速度，W8为自转速度。地球自转与公转速度之比=W8/W1=(Z1*Z2*Z5*Z6*Z7)/(Z2*Z5*Z6*Z7*Z8)=377.2即地球公转一圈，自转377.2圈。实际一年中，地球自转为3
11、65.24圈。为了齿轮制造配合方便，在误差并不影响实际模型效果的前提下而采用上述齿轮齿数。4.2 计算月球公转与地球公转之比实际中，月球绕地球公转速度与其自转速度一致，观察时可认为其绕地球公转，因而月球不设自转机构。当计算月球公转与地球公转之比时，应将其视为定轴齿轮系进行计算。W1为地球绕太阳公转速度，W4为月球绕地球公转速度。月球公转与地球公转速度之比=W4/W1=(Z1*Z2Z3/Z2*Z3*Z4)=12.28即地球公转一圈，月球公转12.28圈。实际一年中，地球上观察到月球公转为12.37圈。在实际模型演示中，误差可忽略，并且齿轮制造配合方便。4.3行星轮椭圆的分析如图所示，为使B点轨迹
12、为一椭圆，则齿轮Z2绕齿轮Z1公转1圈，齿轮Z2绕其中心自转2圈。因此Z1/Z2=100/50=2，此时满足条件，可画出椭圆轨迹。5 设计过程中的亮点5.1 创意上的亮点紧扣时代发展的脉搏，以“节能环保，绿色出行”的先进理念 ，实现了骑行与趣味健身的有机结合，而且产品采用模块化设计，使得骑行运动功能模块和趣味健身功能模块可以无缝切换。骑行运动功能模块使得骑行的安全性得到很大的提高，趣味健身功能模块结合自发电技术使得室内健身过程不但动感非凡，趣味十足，而且更加绿色环保。产品使用环保材料，轻量化结构设计，让出行更绿色。5.2结构上的亮点通过大胆地改造现有自行车的动力输入方式，避开了传统的脚蹬动力输入方式转而改成利用臀部下压产生的动力进行动力输入，利用曲柄滑块机构的优点良好的实现了这一设计目标，在主轴处通过离合套筒结构实现了两大功能模块的切换，实现了双功能。同时改进减震机构的放置，既更好的满足了臀部动力输入方式，又改进了减震效果，具有一举双得的效果。5.3绘图上的亮点没有简单地以完成任务为目标地设计结构、表达结构为重点，在绘图中充分地考虑了产品外观和实际功能的需要，大量使用曲面造型，整体设计经过两次绘图，虽然增加了很大的工作量但最终还是有很大程度上地提高产品外观质量，同时所有图纸和模型结构均使用计算机制作，大大
