蠕动运动仿真 说明书

创新设计大赛

毛毛虫设计说明书

武汉大学

毛毛虫设计小组

毛毛虫

大自然中生物的运动形态，无奇不有，毛毛虫所具有的蠕动运动就是其中之一；用一种简单、新颖而又巧妙的机构将它实实在在地表现出来，即成为我们创新设计的目标。

一设计原理

毛毛虫蠕动运动形态众所周知，它的身躯各部分与仿真机构的对应如表（一）；运动形态前进一步与仿真机构的运行一个循环动作的对应如表（二）。

二结构和运动特征

1 结构特征

整个机构是由凸轮机构、齿轮传动机构、四杆机构和超越离合器机构组成，如图（一）所示。

图（一） 仿真机构结构简图

（1）各分机构的组成

（A ）凸轮机构和齿轮传动机构

凸轮机构由主动件凸轮与从动件杆五组成。其中凸轮本身也是一个齿

轮，外缘为齿轮，能够参与齿轮传动，靠内一侧有凸轮沟槽。而对杆五，其一端是一段封闭型的直滑槽，与凸轮轴的前端配合，形成一个移动副，另一端是铰接处，两端之间的适当位置上装有一个小滑轮，以与凸轮滑槽配合形成一个线接触高副，减小摩擦阻力。

齿轮传动机构是一对直齿圆柱齿轮，即由凸轮的外缘部分与一小齿轮啮合组成。其中，小齿轮是和一台小型低转速直流电机的输出轴固接在一起的。

（B ）四杆机构和超越离合器机构

四杆机构由杆一杆二杆三杆四通过铰链连接组成。杆一杆二长度相等，

杆三杆四长度也相等。杆一杆二铰接，杆三杆四铰接，杆一杆三铰接，杆二杆四铰接之后，就使这个多杆机构呈对称的倒“V ”状的拱形。

超越离合器机构为齿式内啮合棘轮机构，由棘轮与滚动轴承组成。棘轮外圈紧固在轴承外圈上，棘爪则装在与轴承内圈固接在一起的轴承端盖上。它主要靠棘爪的自身重力制动，使轴承外圈相对于内圈只能单向转动。

（2）分机构间的配合

1-前棘轮

2-后棘轮

3-凸轮齿轮

4-杆一

5-杆二

6-杆三

7-杆四

8-杆五

9-小齿轮

（A）凸轮机构和四杆机构间的配合

凸轮通过凸轮轴同时与杆一杆二铰接，形成两个转动副；杆五下端由一个圆销同时与杆三杆四铰接，也形成两个转动副。

（B）凸轮机构与齿轮机构间的配合

凸轮本身就是一个齿轮，与小齿轮啮合形成一个平面高副。

（C）四杆机构与超越离合器机构间的配合

超越离合器共有四个，分成两组（两组完全相同），一组同时与杆一杆三由前轮杆铰接，另一组同时与杆二杆四由后轮杆铰接，这样就形成了

四个单向（同方向）的转动副了。

（D）四杆机构和齿轮机构间的配合

齿轮机构中的小齿轮连同电机安装在杆二的适当位置上，可看作齿轮与杆二铰链连接形成一个转动副。

2工作原理

电机（电源为一般电池，安装在杆一的适当位置上）驱动小齿轮转动时，小齿轮以齿轮传动的方式带动凸轮以凸轮轴为中心转动，凸轮进一步通过几何封闭的形式推动杆五，使杆五相对于凸轮轴上下往复移动。这样就循环地改变杆一杆二铰接处与杆三杆四铰接处之间的距离，让四杆机构“伸展”和“收缩”交替进行。

而在这个动作的同时，超越离合器的单向自锁性决定了滚轮只能向前转动而不能后退。所以当四杆机构“伸展”时，后轮自锁，前轮向前滚动；当四杆机构“收缩”时，前轮自锁，后轮向前滚动。如此“伸展”“收缩”交替着往复进行，就形成了蠕动运动的前进机制，见图（二）。

三创新特点

1整体机构方面的创新

(1)没有固定机架，所有构件和零件都是运动的，对此我们采取了一定措施，

保证了整个机构的平稳和运动的确定。

(2)结构巧妙简明紧凑，利用较简单的机构实现较复杂的运动。

(3)利用所学习过的四杆机构、凸轮机构、齿轮传动机构、超越离合器机构等

常见机构，将它们进行巧妙的组合，模拟出蠕动运动的状态特征。

2零部件及机构设计的特点

(1)将凸轮机构与传动齿轮融为一体，以减轻重量，使结构和谐美观。

(2)利用对称的四杆机构、杆五滑槽和凸轮轴前端的配合，保证了杆五与四杆

机构前后两端连线始终垂直。

(3)采用超越离合器实现了所需自锁，即前、后轮只能前进不能后退，确保了

整个机构的前进机制。

四应用前景展望

该仿真机构可用于物理课程和机械专业课程的教学，特别是对于机械专业的课程，因为结合了机械原理课程中几种常见而实用的机构，有希望成为其课程设计的研究对象。另外，它也适合于投放玩具市场，成为开发智力，培养动手能力的新型玩具。

设计者：江平余雄杰

指导老师：袁泽虎

武汉大学毛毛虫设计小组

2004年4月5日