汽车风窗刮水器机构设计.doc

机电工程系
课程设计说明书
专 业：
机械电子工程
课 程：
机械原理课程设计
姓 名：
廖聪
学 号：
2015143227
班 级：
15级机械电子工程2班
时 间：
2017. 06. 26～2017. 06. 30

目 录
设计任务书 1
第一章 机械方案的设计与选择 3
1.1 功能要求 3
1.2 机械方案的设计与选择 3
第二章 机构结构设计 6
2.1 原始数据 6
2.2 图解法设计机构 6
2.3 解析法设计机构 7
第三章 机械系统运动简图绘制 8
3.1选定比例尺 8
3.2运动简图绘制 8
第四章 解析法运动分析 9
4.1 建立机构位置方程 9
4.2位置方程求解（消元法） 9
4.3位置方程求解（几何法） 11
4.4 建立速度方程并求解 12
4.5 建立加速度方程并求解 12
4.6 运动分析程序 13
第五章 图解法运动分析 13
5.1 选取分析位置 13
5.2 分析位置机构运动简图绘制 13
5.3 速度分析 14
5.4 加速度分析 15
第六章 计算机编程 16
6.1 交互界面设计 16
6.2 数据输入有效性检验 17
6.3 主程序设计 17
6.4 结束退出程序设计 20
总 结 21

设计任务书
一、设计任务
汽车风窗刮水器机构
二、课程设计的目的
1、进一步巩固和加深我们所学的理论知识，并将它们应用于实际机构的分析研究和设计中，培养我们分析问题、解决问题的能力。
2、使我们得到机械运动方案设计的完整训练，并具有机构选型、组合以及确定传动方案的能力，培养我们开发和创新机械产品的能力。
3、使我们对于机械的运动学分析和设计有一较完整和系统的概念。
4、进一步提高我们的设计计算、分析、绘图、表达和使用技术资料的能力。
三、原始条件
1、工作条件
（1）曲柄AB由电机通过减速器带动单向转动；
（2）刮水器左右摆动角；
（3）刮水器左右平均速度相等，无急回特性；
2、精度与误差要求
摆角允许误差：±5%
3、原始数据：
组数
曲柄转速

1
20r/min
60mm
120°
2
25r/min
60mm
120°
3
30r/min
60mm
120°
4
30r/min
65mm
120°
本设计小组为第3组数据。
四、任务图示

图1 汽车风窗刮水器机构
五、要求
（1）针对题目查阅、收集和研究与设计内容相关的参考文献与资料，在功能分析的基础上，拟定出至少两种机械系统运动方案；进行分析对比、评价选优，确定设计方案；
（2）机械系统中各机构的运动尺寸设计和有关结构参数的确定。
（3）绘制机械系统运动简图。
（4）用解析法对主体机构各位置（一个运动循环）进行运动分析，绘制主体机构执行构件的运动线图；用相对运动图解法对主体机构某一位置进行运动分析，并将结果与解析法比较。
（5）编写设计计算说明书。
第一章 机械方案的设计与选择
1.1 功能要求
根据任务书的要求和汽车风窗刮水器机构的工作实际，确定刮水器机械系统的功能要求。
（1）曲柄AB由电机通过减速器带动单向转动；
（2）刮水器左右摆动角；
（3）刮水器左右平均速度相等，无急回特性；
刮水器的启动与停止由控制系统控制，不在本课程设计范围。
1.2 机械方案的设计与选择
1、方案1：

图2 方案1结构草图
对心曲柄滑块机构没有急回特性，但从动件作滑块来回直线往复运动，需要将其转化为往复摆动的运动，为此，方案1主要包括以下两组机构：
（1）对心曲柄滑块机构
由主动件AB杆、连杆BC、滑块3和机架组成。滑块的两个极限位置为C1和C2。
（2）移动转块导杆机构
由移动转块4、摆杆5组成，其中转块与滑块4通过活动铰链相连，跟随构件4作平动，同时也作转动，带动摆杆5来回摆动。
特点分析：
（1）传动角分析

图3 曲柄滑块机构传动角分析图
一般曲柄滑块机构传动角分析见图，最小值为处，图中最高点

本方案第一机构为对心曲柄滑块机构，偏心距，，

可见，对心曲柄滑块机构最小传动角可以通过曲柄和连杆的长度来控制，容易满足最小传动角的要求。
不计转动导杆4与摆杆5之间的摩擦，第二机构的传动角始终为90°，传动性能较好。
（2）结构分析
方案1需要设置尺寸较大的滑轨，给构件3定向，加工复杂。
（3）受力与功率分析
方案1中，滑块3与机架导轨之间、摆杆与移动转块之间可能存在严重的摩擦，使功率损耗严重，增加润滑系统则会显著增加开发和使用成本。如果移动副之间过脏或出现卡滞，甚至造成损坏电机的严重后果。
总之，方案1具有传动性能较好，最小传动角容易控制的优点；但机构相对复杂，摩擦损耗大，可靠性较差等缺点。
2、方案2

图4 方案2结构草图
方案2由曲柄1、连杆2,、摆杆3、机架组成，构成曲柄摇杆机构，摆杆3的铰链中心在曲柄中心上方，曲柄铰链中心A与连杆BC的C点两个极限位置共线，显然，该机构极位夹角，则

机构无急回特性。
特点分析：
（1）该方案全部采用转动副，只要满足传动角要求，功率消耗较小。
（2）该方案采用转动副，结构简单，工作可靠，满足汽车恶劣气候条件（工作在雨雪天气）下工作的要求。
（3）该方案摆杆CD段处于转动副D点下端，尺寸较小，而工作段在上端，传动机构结构紧凑。
3、方案确定
通过两种方案的特点分析，综合考虑机构的使用要求、可靠性、经济性等因素，确定本设计采用方案2。
计 算 及 说 明
结 果
第二章 机构结构设计
2.1 原始数据
原始数据：

图5 图解法设计机构
2.2 图解法设计机构
建立如图坐标系

在的延长线上选取一点A作为曲柄固定铰链中心，设，则
根据《机械原理》公式5-11

由图示可知：

所以

2.3 解析法设计机构

图6 解析法设计机构

中，

中，

将带入上式得

由于

方程有无穷多解，含两个未知数，可假定一个，再求解。
为了与图解法比较设计结果，设的长度为图解法的求解结果：

根据公式求解则

根据图5，求出

第三章 机械系统运动简图绘制
3.1选定比例尺

本方案选取
3.2运动简图绘制
（1）建立坐标系，以下按比例尺作图
（2）根据，在轴正方向确定D点铰链中心
（3）根据，在轴正方向确定A点铰链中心
（4）根据，以A点为圆心，AB为半径画圆，与轴交点分别为和。
（5）根据，以D点分别作与轴成60°的斜线，交轴分别为和。

图9 本方案机构运动简图绘制
第四章 解析法运动分析
4.1 建立机构位置方程
按照一般曲柄摇杆机构建立机构位置方程：

图10 曲柄摇杆机构位置矢量
（1）原点通过𝐴，𝑥轴沿机架𝐴𝐷方向，建立如图直角坐标系。
（2）建立封闭矢量环如图

（3）建立矢量投影位置方程

给定，则变量为和
4.2位置方程求解（消元法）
上式方程可变为

上式两边平方相加消去

设；

则方程为：

将

带入上式，解出

同理解得

表达式中负号代表下图所示位置，由于四杆机构为平面四杆机构，机构运动状况不可能出现此情况，所以：

图11位置方程的假根

4.3位置方程求解（几何法）

图12 位置方程的几何法求解

因为

所以

三角形BCD中，可求出

因为

所以

显然，采用几何法求解过程，运算相对简单。
4.4 建立速度方程并求解
对位置方程求导得速度方程：

变换后得：

两式相加消去

同理可得

用矩阵形式表示，则为

4.5 建立加速度方程并求解
对速度方程求导得加速度方程（）：

采用消去法可求出和。

用矩阵形式表示，则为

4.6 运动分析程序
根据位置、速度、加速度方程编制运动分析程序，程序源文件见第六章。
选取作为分析位置，得出

第五章 图解法运动分析
5.1 选取分析位置
可以任选一位置进行图解法运动分析，并与解析法的结果进行比较。我们选取作为分析位置。
5.2 分析位置机构运动简图绘制

图13 分析位置机构运动简图
（1）选取
（2）根据确定AD铰链中心
（3）根据和确定铰链B的位置
（4）以B为圆心，以为半径画圆弧，以D为圆心，以为半径画圆弧，两圆弧的交点为铰链C的位置
5.3 速度分析

矢量方程：

图14 图解法速度分析
选择一点为极点，根据速度比例尺作矢量代表（）；过作垂直于BC的射线；过作垂直于CD的射线；两射线交于。代表C点绝对速度值；代表C点相对于B点的速度值。
计算和

与解析法结果相比较，可以看出，求得的结果与解析法基本一致，由于作图难免带来误差，图解法的精度相对较低。
5.4 加速度分析
矢量方程：

即

大小 ？ ?
方向 ∥DC ⊥DC ∥AB ∥BC ⊥BC

图15 图解法加速度分析
（1）选择一极点，根据加速度比例尺作矢量代表（）,方向为平行于AB；
（2）以开始作矢量，大小为，方向平行于 BC；
（3）以开始作一射线，方向垂直于 BC；
（4）以开始作矢量代表（）,方向为平行于CD；
（5）以开始作一射线，方向垂直于CD；
（6）两射线交点为；

与解析法结果相比较，可以看出，求得的结果与解析法基本一致，由于作图难免带来误差，图解法的精度相对较低。
第六章 计算机编程
机构运动分析的解析法结果利用Matlab编程实现计算机自动运算。
6.1 交互界面设计
利用Matlab设计GUI界面

图16 软件界面设计
左侧为参数输入系列控件，参数监控用于输入的角度值，并观察对应，，，的结果。
右侧为，，，，，曲线观察axes控件。
6.2 数据输入有效性检验
参数输入系列控件输入值必须为数值型，如果为字符型，则需要提示用户重新输入。
在相应回调函数callback中输入以下代码：
user_entry=str2double(get(hObject,'String'))
if isnan(user_entry)
errordlg('请输入数值','你输入错误...')
end
6.3 主程序设计
主程序在“开始计算”按钮的回调函数中编写，将按照1度递增求取360个位置的速度、加速度特征值。
主程序如下：
hd=pi/180;
du=180/pi;
global omega1 l1 l2 l3 l4;
% ---获取控件数据
l1=str2double(get(handles.L1VALUE,'String'));
l2=str2double(get(handles.L2VALUE,'String'));
l3=str2double(get(handles.L3VALUE,'String'));
l4=str2double(get(handles.L4VALUE,'String'));
% ---下面为选择
popup_sel_index = get(handles.W1VALUE, 'Value');
switch popup_sel_index
case 1
omega1=20;
case 2
omega1=25;
case 3
omega1=30;
case 4
omega1=35;
case 5
omega1=40;
case 6
omega1=45;
end
% ---计算铰链四杆机构位移，角速度，角加速度
for n1=1:361
phi1(n1)=(n1-1)*hd;
Lbd=sqrt(l4*l4+l1*l1-2*l4*l1*cos(phi1(n1)));
sita1=asin((l1/Lbd)*sin(phi1(n1)));
sita2=acos((-l2*l2+l3*l3+Lbd*Lbd)/(2*l3*Lbd));
if sita2<0
sita2=sita2*pi;
end
phi3(n1)=pi-sita1-sita2;% ---计算l3角位移
phi2(n1)=asin((l3*sin(phi3(n1))-l1*sin(phi1(n1)))/l2);
% ---计算l2角位移
A=[-l2*sin(phi2(n1)),l3*sin(phi3(n1));l2*cos(phi2(n1)),-l3*cos(phi3(n1))];
B=[l1*sin(phi1(n1));-l1*cos(phi1(n1))];
omega=A\(omega1*B);
omega2(n1)=omega(1);omega3(n1)=omega(2);
% ---计算角速度
A=[-l2*sin(phi2(n1)),l3*sin(phi3(n1));l2*cos(phi2(n1)),-l3*cos(phi3(n1))];
B=omega1*omega1*[l1*cos(phi1(n1));l1*sin(phi1(n1))];
C=[l2*omega2(n1)*cos(phi2(n1)),-l3*omega3(n1)*cos(phi3(n1));l2*omega2(n1)*sin(phi2(n1)),-l3*omega3(n1)*sin(phi3(n1))];
alpha=A\(C*omega+B);
alpha2(n1)=alpha(1);alpha3(n1)=alpha(2);
% ---计算角加速度
End
% ---绘图，转换为度、弧度/秒、弧度/平方秒
axes(handles.axes5);
plot (phi2*du)
axes(handles.axes6);
plot (phi3*du)
axes(handles.axes1);
plot (omega2*2*pi/60)
axes(handles.axes2);
plot (omega3*2*pi/60)
axes(handles.axes3);
plot (alpha2*2*pi/3600)
axes(handles.axes4);
plot (alpha3*2*pi/3600)
% ---绘图
% ---关键数据观察，转换为度、弧度/秒、弧度/平方秒
set(handles.edit2,'String',roundn(omega2(91)*2*pi/60,-4))
guidata(hObject,handles);
set(handles.edit3,'String',roundn(alpha2(91)*2*pi/3600,-4))
guidata(hObject,handles);
set(handles.edit4,'String',roundn(omega3(91)*2*pi/60,-4))
guidata(hObject,handles);
set(handles.edit5,'String',roundn(alpha3(91)*2*pi/3600,-4))
guidata(hObject,handles);% ---关键数据观察
6.4 结束退出程序设计
在回调函数中，输入以下代码：
selection = questdlg(['Close ' get(handles.figure1,'Name') '?'],...
['Close ' get(handles.figure1,'Name') '...'],...
'Yes','No','Yes');
if strcmp(selection,'No')
return;
end
delete(handles.figure1)

总 结
经过一个星期的努力，我们终于将机械设计课程设计做完了。作为机械电子工程大二的学生，我们觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在已度过的大二的时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在作设计，但我们不是艺术家。他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依，有 理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，由于本次大作业要求用 auto CAD制图，因此要想更加有效率的制图，我们必须熟练的掌握它。 
虽然过去从未独立应用过它，但在学习的过程中带着问题去学，我发现效率好高，记得大一学CAD时觉得好难，就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第二大收获。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
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