机械创新设计大赛说明书 修改 2

第六届全国大学生机械创新设计大赛参赛作品折叠式科氏惯量仪设计说明书
设计人员：张鹏张一超张作斌路旭蒋博文
指导教师：王平凯马海涛
参加单位：长春工业大学
2014年5
科氏惯量仪
设计者：张鹏，张一超，张作斌，路旭，蒋博文
指导教师：王平凯，马海涛
（长春工业大学机电工程学院）
摘要：
大学课程中有很多课程的相关的原理需要相应的实验才能做到深层的理解，比如说科氏加速度实验。

而如今的实验仪器存在以下几点不足：
1.实验仪器体积较大，不能让实验达到人手一台。

2.实验仪器造价昂贵，从而使多数学校不能大数目引进。

3.实验仪器不易移动，教师不能随意将仪器带到教室及其他地方。

4.实验仪器造型单调，没有趣味性，实验现象不能给同学们留下很深刻
的印象。

针对这一问题，研究小组做了充足的研究和调查，设计并制作了这一台折叠式科式惯量仪，希望借此解决以上问题，我们设计的设备有以下优点：
1.实验仪器体积浓缩且重量适中，可以轻易移动。

2.实验仪器造价低廉，每台造价2000~3000甚至能更低，这样就可以使
学校增加配备量,保证每位同学都能操作一台。

3.实验仪器操作简单方便，而且安全性更高。

4.实验仪器可以装箱带走，使老师可以轻易带到教室及其他地方。

5.实验仪器综合性高，它既能科氏加速度和转动惯量以及摩擦力矩实验。

6.实验仪器设计为透明主体，实验现象符合梦幻这一主题，吸引学生们
的热情。

因此，我们设计的便携式设备一方面能很好地适应日常教学的要求，另一方面，又能使同学们通过实验过程了解理论力学等相关知识，很好的提高学生们的学习热情，给理论力学课程增加了一个好帮手。

关键词：科氏力，惯量，可折叠，新颖
一、引言
一节实验课可以通过实验过程吸引每个学生的兴趣，提高他们的学习热情，学生上的每一节实验都与一周或是一个月所学的知识有着紧密的联系，它既是一种实践又是一次复习，帮助同学们加深对课堂知识的理解。

二、产品功能及结构
（一）产品功能：
①科氏力的测量；
②科氏加速度的计算；
③转动惯量的测量；
④试件的摩擦力矩的计算；
⑤电路控制的编程教学；
（二）产品结构：
箱体支架、动力源、传动机构、动作机构、装夹机构、电子测量机构、控制机构、安全机构。

1、箱体支架：主要起支撑仪器，起到底座的作用，并且当收起时起保护仪器、
防尘防灰作用。

箱体四周主要采用有机玻璃板，其具有重量轻、强度足够、表面光洁、价格低廉、易加工等优点。

箱体的底部采用铝板，具有加重重心的功能，加强整体机构的稳定性。

2、动力源：提供动力，是仪器的动力来源。

3、传动机构：大盘底部的转动采用的是V带轮结构将动力源的动力传递给动
作机构，它具有稳定高速传动，减少噪音。

顶部塔轮结构的升降采用的程序控制步进电机加上丝杠的行程，以实现塔轮的升降。

车的运动采用的是独立电源用红外线控制它的运动与停止。

4、电子测量机构：实时测量实验数据
采用应变片和传感器来做测量，其具有形状多样化、允许的电流大、柔性好、耐疲劳寿命高、承受大变形能力强、横向效应小、蠕变特性好、成本
低、效率高等特点，能很好地适应实验要求。

三、产品工作原理
这个实验仪器是由底部一个大盘做圆周运动，以此来模拟地球的自传，圆盘上固定有两个竖直圆环轨道，小车在轨道上做周转运行；此实验仪采用两个电动机驱动，分别产生牵连运动和相对运动，大圆盘提供定向转动。

当大圆盘和其上的小车同时旋转时，可以看到小车相向靠拢或背向分离的现象。

通过按动控制面板上的不同按钮，电机可改变转动速度来显现科氏加速度现象。

四、产品设计方案
1、整体外框方案
为了使提升同学们对实验的兴趣和老师授课的方便，再根据此次比赛梦幻课堂的主体，我们将实验仪器的外框设计成透明的，采用有机玻璃板，再用铝条做支柱，加强外框的强度，也起到了美观的效果，外框透明能够使人看着一种清晰的感觉，这样老师更容易向同学们授课，围观的学生可以透过箱体看到实验仪器内部的结构，和所有实验现象，箱体主题颜色采用蓝色和铬色调，蓝色代表了科技，给人一种科技感，铬色给人简单富有金属质感。

让同学们仅仅在外表就对该实验仪器产生一种兴趣，让同学们进一步深入学习实验的更多内容，以及程序的编写，硬件控制控制等一些自主完成的步骤。

如图1
箱体尺寸设计摒弃了现有的一些仪器巨大的外形体积，巨大的体积必然会增加仪器制作材料的费用，且不方便存放管理，很难做到学生实验人手一台，这样会打消一些学生对实验的兴趣，我们设计的仪器外框的长700mm，宽700mm，高400mm。

如果实现了商业化，该作品可以根据比例进行缩小，这样更容易学生的操作，和装运存放管理。

2、科氏试验仪方案设计
本课题的目的是设计一种用于立体演示地球科氏力的实验仪，使人们能明确地观察到地球上的物体沿赤道平面或与赤道面平行的纬度平面和垂直于赤道平
面的南北运动时所受科氏力情况。

该装置具有结构简单，加工方便，演示容易等特点。

目前尚没有这样的设备。

本设计正是基于这样的情况产生的，制作科氏惯性力和科氏加速度实验仪，即可以帮助人们加深对日常生活中的科氏惯性力和科氏加速度现象的理解，又能为理论力学的教学起一定的促进作用。

关于对科氏力的研究，如今已经有一些相关的实验仪器，然而此类的仪器我们总结出一些缺陷：
1、实验仪器制作单调，做实验没有趣味性；
2、效果明显，数据精确的仪器制作费用昂贵，很少有高校能够批量购买；
3、便宜结构简单的仪器，实验现象没有具体的代表性，不能让学生深入理解这原本抽象的物理量。

为了更好的模仿现实生活中汽车在行驶的过程中受到地球自转的影响，而产生的科氏加速度，和增加做实验的兴趣，我们用了小电动车在过山车轨道上运动的方式（如图2），底部有一大盘转动代替地球的自转运动，来给轨道上的小车提供牵引运动，由定义得知，牵连运动为转动的才有科氏加速度，在小车上我们装有相关的传感器，再通过单片机植入的公式程序，从而自动计算出小车在轨道上所受到的科氏加速度，通过外框的LED灯显示出来（如图3），再加上一些彩灯亮的数目，让同学们在通过试验后能够深刻的了解到科氏加速度的概念，进而加深对理论力学该章节的掌握。

3、转动惯量实验部分设计方案
转动惯量是刚体转动中惯性大小的量度。

它取决于刚体的总质量，质量分布、形状大小和转轴位置。

对于形状简单，质量均匀分布的刚体，可以通过数学方法计算出它绕特定转轴的转动惯量，但对于形状比较复杂，或质量分布不均匀的刚体，用数学方法计算其转动惯量是非常困难的，因而大多采用实验方法来测定。

转动惯量的测定，在涉及刚体转动的机电制造、航空、航天、航海、军工等工程技术和科学研究中具有十分重要的意义。

测定转动惯量常采用扭摆法或恒力矩转动法，本实验采用恒力矩转动法测定转动惯量。

转动惯量实验，用于做此实验的仪器，如今已经有了，然而现有的仪器它存在以下几点不足：
1、仪器昂贵，一台一般要2000~4000元左右。

2、实验误差大，时间计算不精确。

3、对学生操作要求低，不能让学生深刻掌握实验的内容。

我们针对这些不足之处进行了自己的设计，让原本很枯燥无味的实验，变得有趣味性，让学生动手的地方增加不少。

改进之后有如下几点优点：
1、我们在塔伦方面加以改进，把以前固定不变的结构，通过设计结构改为可以升降的塔伦，这样可以节省空间。

它的升降通步进电机通过联轴器链接丝杠实现，通过单片机编写行程控制它的升降高度，这些都是可以学生自己操作，还可以让学生对单片机控制有一些认识。

如图4
2、它的升降通步进电机通过联轴器链接丝杠实现，通过单片机编写行程控制它的升降高度，这些都是可以学生自己自己操作，还可以让学生对单片机控制有一些认识。

如图5
3、在时间测量方面我们增加了红外感应，用来计算实验所用的时间，这样减少了时间方面的误差。

如图6
五、 机械结构设计计算
1、物理结构计算及校核：
电机及传动： a 电机：
电机性能参数
项 目 数 值 单 位 相 数 2 步距角 18 度 转 矩 8.5 Nm 工作电压 24-80 VDC 电 流 4.0 A 相电阻 0.6 欧姆 相电感 11.0 mH 重 量 3.7 KG
底部大盘机构：电机带动丝杠，大转盘带动平台上的两个轨道转动，模拟地球的公转，转速可以变、转动方向可变。

塔轮联轴器的选择：已知塔轮电机转矩为2Nm ，轴径为4mm,一端轴径6mm ，另一端轴径为10mm 。

丝杠的选择：
丝杠的工作长度L ：余量行程工作台l l l ++=L =76mm 丝杠的工作载荷F ：F=10N 丝杆的工作精度为mm 04.0± 2、滚动轴承的寿命计算
轴承的寿命与载荷间的关系可表示为下列公式：
或
式中：──基本额定寿命（106转）；──基本额定寿命（小时h）；C ──基本额定动载荷，由轴承类型、尺寸查表获得；P──当量动载荷（N），
根据所受径向力、轴向力合成计算；──温度系数，由表1查得；n──轴承
工作转速（r/min）；──寿命指数（球轴承，滚子轴承）。

修正额定寿命计算
对于要求不同的可靠度、特殊的轴承性能以及运转条件不属于正常情况下的轴承寿命计算时，可采用修正额定寿命计算公式：
式中：──特殊的轴承性能、运转条件以及不同可靠度要求下的修正额定寿命（106转）；a1──可靠度的寿命修正系数；a2──特殊的轴承性能寿命修正系数；a3──运转条件的寿命修正系数。

（1）可靠性寿命修正系数a1
当轴承的可靠性不为90%时，应加入可靠性寿命修正系数（表7）
表7可靠性寿命修正系数a1
可靠度（%）90 95 96 97 98 99
a1 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21
（2）运转条件的寿命修正系数a3
●正常运转条件下，可取a3＝1；
●润滑条件十分理想时，可取a3＞1；
●润滑条件不好时，可取a3＜1。

（3）特殊的轴承性能寿命修正系数a2
●采用夹杂物含量非常低或经过特别分析处理的钢材，可取；
●采用特殊的材料、工艺或设计，而润滑却不良时，a2通常不能大于1的值；
●若采用特殊的热处理造成材料硬度降低而导致轴承寿命下降，应选取相应减小的a2值。

六、电子结构设计
1 实验仪器相关参考数据
表1-1
实验仪各部件部件参数
步进电机57*76MM
齿轮参数电机齿轮：m=2,z=42.主轴齿轮：m=2,z=37
主轴参数Ф=30mm，h=130mm
轨道Ф=356mm.h=42mm
电源电压直流24V
转盘转速n=75～92 (r/min)；直径Ф=420mm；
小车速度箱体3s/圈
a=700mm，b=700mm，h=367mm;
2电子结构部分说明书
（1）底盘动力部分：57步进电机、步进电机驱动器、步进电机控制器
（2）塔轮动力部分：直流减速电机
（3）小车动力部分：直流电机
（4）控制部分：智能手机模块、红外遥控模块
（5）测量部分：单片机终端、红外测速模块，数码管显示模块、加速度传感器
七、机构工作流程科氏加速度部分
开始
检测蓝牙
模块是否
连接
否
是
单轴控制器接入
是否有脉
冲输入
蓝牙开关P1.0接通
待机电机运转进行试验蓝牙开关P1.1接通
否是
硬度试验电机开始正转
撞针上升
关闭蓝牙开关P1.1
打开蓝牙开关P1.2、P1.3打开蓝牙开关P1.1
硬度试验绕线松开
手动释放撞针
完成硬度试验
电机归位
结束
转动惯量部分
开始
塔轮电
机蓝牙
控制开
启
否
是
电机转动
塔伦逐渐上升
缠线和吊钩码放不同的砝码，分
别实验
的得出数据
关闭电机蓝牙
结束
整体机构工作流程：
八、设计创新点
创新点：
1）、可折叠：仪器可以多重折叠，做实验时折起，做完实验可以装起来，简单整齐。

2）、一机多用：可以做测量科式加速度的实验和测转动惯量的实验，并且可以单独实验。

3）、现象明显：测量科氏加速度的实验中，学生们可以通过观察不同的转速时小车顶部小灯明暗的个数简单直观的观察出科室加速度的真实存在。

4）一人一台仪器，更有教学意义：现有的实验中大部分都是一组学生为这一台实验仪器做实验，本作品解决了这一问题,学生更容易掌握实验本质，更有教学意义。

5）、仪器造价低：作品用料少，而且材料的价格都不贵，所以仪器造价较低。

6）、外形新颖：作品的外形在设计上十分新颖，与大部分现有的实验仪器的外观有所不同，给学生直观感受会很好，提升实验的兴趣。

7）、提高学生动手能力：仪器可以多重折叠，而这些动作都需要学生自行来完成，这研究会提高学生的动手能力和对实验的理解程度。

应用前景及产品完善
所设计的实验仪器因能够折叠存放，所用材料经济实惠，并且仪器体积小。

所以不仅使体积小不占空间价钱低，方便运输与搬运，而且使本实验仪器的一些实验结果是以装饰的效果来体现具有梦幻性，能够让同学们对实验本身更加感兴趣，充分调动同学们的积极性，让同学们学习到更多关于材料力学以及理论力学的知识。

本实验演示仪将两个实验综合到一个试验仪器上，理论力学课程也可以使用此演示仪进行运动演示，这样不仅大大节约了实验成本，而且使实验仪起到了一机多用的目的，在以后的教学实验中此实验仪会有很大的发展空间。

当时间和资金充足时，产品还可以进一步完善，完善方面如下：
1、研究一种基于智能手机控制的空间立体科氏加速度、转动惯量测量系统。

解决当今高校中大学生自身在学习科氏力的过程中遇到的问题，通过空间立体换向轨道的横向旋转与小车的纵向行驶同时进行来模拟现实世界火车在轨道上的行驶，由于科氏加速度的作用，小车内部控制装置会随之移动，小车顶部测量装置进行检测，经显示系统将对应不同速度下的科氏加速度显示出。

2、采用智能手机进行遥控整个系统运行，改变以往检测设备及实验的管理方式，优化人机界面，以此来提高学生们的感性认识和参与热情。

3、结合智能网络，测量数据经无线传输至智能终端，进行数据分析。

完善和丰富了课程的内容。

九、结束语
在本次大赛中，经过多方收集资料，利用已有的演示仪和理论力学、机械制造知识确定了折叠式科氏惯量仪的大体结构和各零部件的设计。

相比之前演示仪，该实验仪可以同时演示模仿在地球赤道平面或平行于赤道平面和垂直于赤道平面的运动时所受科氏力的情况，实验效果会更全好更。

有了它，老师们在理论力学的教学中又多了一个好帮手，很多同学们能够轻松的认识到科氏加速度和科氏力的存在情况了。

经过一年半的努力，新型实验仪终于制作完成，在此次设计中我们受益良多，从科氏力被发现到生活中的各种科氏力现象，重新理解了科氏力的各项理论，希望在以后的生活中自己能用科氏力理论发现更多的现象，能够通过自己的创新做出对社会有益的事情。

通过此次设计，总结出在碰到问题时应注意如下几点：
1、心态：应该保持认真的态度，坚持冷静独立的解决问题。

2、认真学好基本知识，扎实自己的基本知识，使面对问题时不会遇到很多挫折，从而打击自己的信心，结果使自己很浮躁，越来越不想搞这设计，故应该好好学习基本知识，一步一步的来，不要急功近利。

3、树立自己的良好形象，乐观的面对生活，坚持自己的想法和意识。

对于坚持最重要，坚持不一定能有结果，但是不坚持毫无成功可言。

耐心，做事要仔细认真。

附录一、整体结构图及二维图
整体结构图：
在对各零件进行精确计算的基础上，经过三维建模，确定各零部件之间尺寸配合正确，其三维模型图（图、图）和工程图（图）分别如下：
图
图
图
部分结构二维图：
实物图：
第六届全国大学生机械创新设计大赛作品设计说明书
参考文献
1、《机械设计》第五版杨可桢程光蕴李仲生主编
2、《理论力学》第七版哈尔滨工业大学理论力学教研室编
3、《物理实验指导书》长春工业大学编
4、《机械原理》第七版西北工业大学机械原理及机械零件教研室编
5、《机械制图》第六版大连理工大学工程图学教研室编
6、《机械设计课程设计手册》[M].北京.高等教育出社.2006.5.吴宗泽编
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