多功能行李箱的设计(有cad图+三维图)

多功能行李箱的设计
摘要
环保机械产品是近年来备受市场亲睐的绿色新型科技产品。

我经过几个月的思考与实践，设计出了这一款多功能环保行李箱，它能帮助人们解决许多日常生活中的环保问题，也能使人们意识到环保、科技、机械之间的重要联系。

在设计过程当中，通过对各数据的计算、CAD应用及工程图的绘制、机械运动仿真、PRO/E、SolidWorks 中参数的选取及三维实体建模等，设计出了这款由上、中、下三箱体组成的多功能环保行李箱。

关键词：SolidWorks与CAD应用；运动仿真；环保与机械；绿色新型科技产品
ABSTRACT
The environmental protection engineering products were the recent years are subject to the market kissed lai the green new science and technology product。

I undergo several month-long ponders and the practice，Designed this section of green multi-purpose environmental protection suitcases，It can help the people to solve in many daily life environmental protection problems，Can also cause the people to realize between the environmental protection, technical, machinery's important relation，In designs in the middle of the process，Through to various data computation, in engineering plat plan, mechanical movement simulation, SolidWorks parameter selection and three dimensional entity modelling and so on，esigned this section the multi-purpose environmental protection suitcases which was composed of the upper, middle and lower three box of bodies.
Key words：solidworks and cad application；movement simulation；environmental protection and machinery；green new science and technology product
目录
一绪论 (1)
1.1研究背景及意义 (1)
1.2 国内外状况 (1)
1.3发展趋势 (1)
1.4应用对象 (1)
1.5设计构想 (1)
二工作原理 (2)
2.1 设计理念 (2)
2.2 设计原理 (2)
2.3 总体模型 (2)
三、设计计算 (3)
3.1运动情况 (4)
3.2受力情况 (5)
3.2.1 选取弹簧 (5)
3.2.2 杆件的选取 (6)
3.2.3 轴1旋转杆件的选取 (7)
3.2.4 圆柱杆件的选取 (8)
3.3 开口销的选择 (8)
3.4箱盖、箱盖附板以及其连接设计 (9)
3.4.1 箱盖附板的设计 (9)
3.4.2 箱盖附板与箱盖连接设计 (10)
3.4.3 箱盖设计 (11)
3.4.4 箱盖与箱体的连接设计 (11)
四、产品CAD零件图 (12)
五、运动仿真技术与Pro/ENGINEER应用 (12)
5.1对产品设计理念的影响 (12)
5.2产品工作装置运动仿真设计步骤 (12)
六、产品工作装置的三维实体建摸 (13)
6.1工作装置零件建摸 (13)
6.1.1箱体的生成 (13)
6.1.2上盖的生成 (14)
6.1.3座椅的生成 (15)
6.1.4连杆的生成 (15)
6.1.5抽屉的生成 (16)
6.1.6连接销轴的生成 (16)
6.2工作装置装配模型建摸 (17)
6.2.1 轴1与箱体的连接模型装配 (18)
6.2.2 轴2与轴1的连接模型装配 (19)
6.2.3 轴3与轴2的连接模型装配 (19)
6.2.4.轴3与椅子背板的连接 (20)
6.2.5 椅子背板与座板的连接模型装配 (21)
6.2.6 轴1与轴4的连接模型组装配 (21)
6.2.7 轴4与磁铁板的连接模型装配 (22)
6.2.8抽屉与磁铁板以及箱体的连接模型装配 (22)
七、整体工作装置运动仿真 (23)
7.1概述 (23)
7.2创建产品工作装置的机械运动仿真 (24)
7.2.1连接轴的设置 (24)
7.2.2创建快照 (24)
7.2.3定义伺服电动机 (24)
7.2.4运行运动 (27)
7.2.5获取分析结构 (30)
7.2.6运动机构的仿真示例 (31)
八、材料的选择 (33)
8.1选材原则 (33)
8.2材料类型 (33)
九、设计小结 (34)
十、致谢 (35)
十一、参考文献 (36)
1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着人类科学技术的不断发展，人与自然的和谐已成为当今世界的焦点。

关注环境，即关注人类生存的明天。

由于人们物质文化生活水平的提高，已趋于一种享受生活的精神意态。

户外活动也就不断的增多，但就当我们在享受生活时，却不无意识的“伤害”到了大自然，威胁着人类自身的生存空间。

针对目前的这一情况，我设计了一款简单实用的绿色多功能环保箱。

其可广泛用于各类风景区、自然保护区、生态公园以及一些人们平时的户外野炊活动的场所。

1.2国内外状况
目前，我国的各类环保产品种类繁多，其应运已涉及到人们的日常生活当中。

随着北京申奥的成功，环境保护更是与经济快速发展息息相关。

随着我国经济持续、健康、高速稳定的发展，对环保产品的需求将增长，在国家经济宏观调控与环境保护的互补形式下，研究与开发类似本产品的环保机械产品，将成为各开发商新的焦点。

国外尽管有类似的产品，但对于大多数的发展中国家及一些贫困地区，其高昂的费用就令人们望而止步。

因此，本设计的开发在不久的将来将存在很大的市场发展空间。

1.3发展趋势
轻巧、方便能更好的符合人们的需求，取材以轻质塑胶为主，功能全面、适用范围广、价格适宜。

环保功能更是一个新的创新。

1.4应用对象
户外活动群体
各风景区、自然保护区、生态公园以及一些社区活动休息中心等场所。

1.5设计构想（多功能、全系列）
产品折叠是外形类似于普通的行李箱，分上中下三层。

上层为存储空间，可适宜携装各类必备物品或工具；中间层为抽屉用于回收各类事后废弃物；下层为各机构活动的主空间，展开后可当做简易的带椅子的小桌用。

2、工作原理
2.1设计理念
本产品以绿色设计为设计理念，以结构、材料、工艺的选择为出发点，节能省料、简化零件，采用模块化设计，从而达到即环保又适用的目的。

2.2 设计原理
以空间四杆机构为运动的主体，辅之于一些简易的拉伸、活动销轴等机构。

2.3总体模型（如图1、图2、图3）
图1
图2
图3
3、设计计算
主体桌面总长为1000 mm,总宽为500+200*2=900 mm
主体箱高为300 mm
3.1运动情况
说明：一般成年人体重在440N——980N之内，座椅背的最大摆角为30︒，摆动速度由弹簧控制。

具体情况见图4、图5分析：
图4 椅子摆动前
图5 椅子摆动后
座椅背摆动到最大角30︒时，四杆机构运动如图5。

座椅背的摆动由四杆机构带动抽屉做进出运动，座椅背摆动至最大角度时，推动轴2、轴3组成的连杆向右移动，然后经轴1、轴4组成的连杆推动抽屉向外运动。

各部件在水平方向的运动距离经几何计算可得，当摆动角在0——30︒间时，抽屉的进出拉伸距离S的范围S=0——160 mm。

几何计算过程如下：
在等腰三角形12AB B 中，已知12AB AB ==150 mm, ∠12B AB =15︒,则：
由余弦定理易知12B B =221212215AB AB AB AB COS +-••︒=289.78mm
同理在三角形122B B C 中：11B C =22B C 即为轴4的长度4L ,12C C 即为所求的抽屉进出的距离S Max=160mm ，∠212B B C =15︒,11124B C C C L S +=+，则：
由余弦定理易知4L =88.86mm
又取AD L =100 mm 所以有轴1 1L =150+AD L =250 mm
轴2 2L =500+AD L +50=650 mm
轴3 3L =300+75+AD L =475 mm
3.2受力情况 （如图6、图7）
图6 摆动前受力
图7 摆动后受力
3.2.1选取弹簧
已知人体重、摆动的角度及各运动杆件的长度，由上图6、图7受力分析运用平
行四边行法则可得：（а取最大值30︒，G 取980N ）
1F =Sin а*G=490N （1）
F=130F Sin ︒=245N (2) F=k*x （3）
弹簧拉伸长度x 在图5中由余弦定理可知：x=92.65mm 所以，Kmax=F/x=2.64
据此选择弹簧材料型号：取弹簧直径D=1mm ，D 级钢丝弹簧，则其极限强度[σ]=2300MPa 。

（查机械设计手册 软件版2008）
而σMax =F/A=1131.64
/4*1π=1441.58 MPa<[σ]=2300MPa 满足要求。

3.2.2杆件的选取
一般成年人体重F=440N ——980N ；查机械设计手册 软件版2008 选用碳素钢Q195作为杆件。

其应力σb =315 MPa ——390 MPa ，η=2
[σ] min=
σ
η
=315/2
图8 轴力图
由杆件的轴力图8可知：受力杆件各截面上的轴力相等，但为满足产品轻巧原则，杆件材料选空心碳素结构钢。

则其横截面面积为：
A=
()2
21144
4
d d π
π
•-
•- （4）
（其中空心杆件管壁厚为2mm ）
则危险截面上的最大正应力：
σMax= 4A
Max
F
=
()2211980
[ ] min= 157.5 MPa 4444d d σπ
π≤⎛⎫⨯•-•- ⎪
⎝⎭
（5）
代入2d 即可求的1d ≥2.25mm 故可取1d =25mm
3.2.3轴1的旋转杆件的选取
图9 受力分析图
如图9所示，经受力分析可知：
Ay
F
= By F = C D mg F F === 2
314
d L g πρ
（6）
(其中m 为轴1的质量，3d 为轴1直径，ρ为销轴材料碳素钢密度)
由M, s F 图知CD 段为纯弯曲 则：
max c M M ==
Ay
F
AC X •= 2
314
d L g πρ
•100 （7）
(AC X 已知为100mm, ρ=7.8kg/3m )
横放时销轴的最大弯曲正应力为：
σMax=3
3/32Z M M W d π==' 2
1333
800gL d d ρ≤' [σ] min=157.5 MPa （8）
（其中3
d '为销轴的直径） 即可求的3d '≥0.34mm 故可取3
d '=25mm 3.2.3如图所示圆柱杆件的选取
图10
如图10所示，经受力分析可知：
1111
30422Ay
F G F Sin G ︒+=+⇒ 367.5Ay F N = （9）
由M, s F 图9知:
max c M M ==max 11
302
B B
C M M F Sin X ==-︒•=2.45N •m （10）
(其中BC X =20mm)
σMax=
34/32Z M M W d π== 34
32 2.45d π⨯≤[σ] min=157.5 MPa （11） 即可求的4d ≥0.54mm 故可取4d =25mm
3.3开口销的选取（如图11）
图11
由与销轴连接的两杆件直径为25mm,故查表GB/T882——2000 可知此处销钉长度在6——20mm 之内，所以开口销直径D=3.2mm 。

则开口销材料为Q235,不经表面处理,其
b
σ=530 MPa——560 MPa，强度核算，最大剪切力为：
σMax=
2
980
4
Max
F
A
D
π
==312.1 MPa 530MPa
≤（12）
满足题意，故取开口销直径D=3.2mm
3.4箱盖、箱盖附板以及其连接设计
3.4.1箱盖附板的设计
箱盖附板的板长a为980mm，宽b为200mm，受到的附着力F最大值为600N，
采用Q195碳素结构钢。

b
δ=320MPa （如图12、图13）
图12
图13
对其应力分析如下：
1
b
F
d
aδ
≥=
•
1.92 ⨯10-3mm （13）
2b
F
d a δ≥
=•9 ⨯10-3mm （14） 取d=2mm
3.4.2箱盖附板与箱盖连接设计
箱盖附板与箱盖连接如图14所示，拉出方式采用手动拉出，连接装置的材料为Q195碳素结构钢，b δ=320MPa ，其中单侧受正压力为F=300，a=10mm
图14
b δ=
1
F
a d • （15） 所以 10.09b
F
d mm a δ≥=• 取1d =2mm
同理可得取2d =2mm 3.4.3箱盖的设计
箱盖的长度a=1000mm ，宽为b=500mm ，箱盖受力为F=600N 选材料Q195碳素结构钢。

（如图15）
图15
[]b F
b
d
δδ=
≤• （16） 33.7510b
F
d mm b δ-≥
=⨯• （17） 取d=2mm C=7⨯d=7⨯2=14mm
箱盖中间可加以长度与箱体长相同的筋板，这样当桌面承受一定的重量时，可
减少桌面的受力弯曲程度。

3.4.4箱盖与箱体的连接
箱体与箱盖的连接采用合叶连接，如图16所示
图16
4、CAD 零件图（附：零件图图纸）
5、运动仿真技术与Pro/ENGINEER应用
5.1对产品设计理念的影响
以计算机仿真和产品生命周期为基础；以机械运动学，动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术,图形用户界面技术，信息技术，集成技术，多媒体技术，并行处理技术等。

将分散的产品设计开发和分析过程集在一起，使得产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象的对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。

而Pro/ENGINEER应用软件在工程中的应用，使机械二维、三维动态造型仿真的更直观更形象。

而对本产品实行绿色设计的理念无疑将起着重大的作用。

5.2 产品工作装置运动仿真设计步骤（如图17）
图17
工程图见整体装配图
6、产品工作装置三维实体建模
6.1工作装置零件建模
合理运用Pro/ENGINEER的各种不同的生成方法，合理、高效、快速的生成三维实体模型。

6.1.1箱体的生成（如图18）
图18
箱体建模主要采用拉伸，首先选定草绘平面进入草绘模式，绘出箱体二维草图，然后进行拉伸生成箱体三维实体，再在其上半部分为打盲孔，下半部分选择深度方式为穿透，应注意保证主要尺寸的准确性（尺寸见零件图）。

6.1.2上盖的生成（如图19）
图19
采用拉伸方法建立上盖基本体，然后采用对齐的方式插入边沿两平板。

6.1.3座椅的生成（如图20）
图20
先建立底盘框架，采用裁减命令生成槽钢结构，在框架上生成后续特征。

座椅的生成主要采用了拉伸命令，裁减命令和复制命令。

座椅建模过程中需注意翻转座背连接杆的正确定位及角度控制。

6.1.4连结杆的生成（如图21）
图21
连杆的生成比较简单，主要采用了拉伸命令，需要注意的是在草绘截面时尺寸的标注，要保证主要尺寸的准确，比如两孔中心距。

6.1.5抽屉的生成（如图22）
图22
抽屉建模主要采用拉伸，首先选定草绘平面进入草绘模式，绘出抽屉二维草图，然后进行拉伸生成抽屉三维实体，再在其上打盲孔，应注意保证主要尺寸的准确性（尺寸见零件图）。

6.1.6连接销轴的生成（如图23）
图23
销轴建模主要采用旋转命令，先绘制一条旋转轴，接着草绘截面，再绕旋转轴旋转360度就可生成销轴实体，然后生成轴端的限位孔，最后在需要倒角的部位倒角。

要注意的是建立限位孔时需先创建与柱面相切的基准面作为草绘截面。

6.2 工作装置装配模型建模
零件设计完成后，往往需要根据设计要求对零件进行装配。

在Pro/ENGINEER的装配模块中，通过定义零件之间的位置约束关系，可以把子零件装配成一个装配件，并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。

同时在生成装配体过程中，用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。

使用Pro/E 进行装配设计有两种基本方法，示意图如图24所示。

在上面两种方法中，第1种方法相对第2种方法是比较低端的方法。

因为在真正的概念设计中，很少利用一个零件来控制整个装配体的设计，往往都是在拿出产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化，直至细化到单个零件。

零件设计示意图零件零件部件装配件
部件装配件
零件
零件装配件
装配体设计示意图
（a ）由底向上的设计方法
装配体设计示意图
装配件
零件零件
部件装配件
部件装配件零件零件
零件设计示意图
(b)由顶向下的设计方法
图24 Pro/E 的装配件设计方法
前面已经生成多功能环保箱的各种底层零件的三维模型，然后采用由底向上的装配设计方法对这些零件进行空间定位来生成装配件。

在装配件设计时，可以根据需要对装配件中的零件进行修改，比如修改零件尺寸，移动零件在装配件中的位置，生成新的特征等。

对于一个装配件，当其中所有的零件都被完全约束时，这种装配件就称为参数化的装配件，否则就是非参数化的装配件。

下面对本次多功能环保箱工作装置模型的装配设计过程作简要叙述：
6.2.1连杆1与箱体的连接模型装配：
连杆1与箱体之间采用销轴连接，轴对齐为元件的A-10轴与主体的A-41轴。

（如图25）
图25
6.2.2连杆2与连杆1的连接模型装配
连杆2与连杆1采用销轴连接，轴对齐为元件的A-13轴与连杆1的A-4轴，之后调整位置使连杆2与连杆1成90度。

（如图26）
图26
6.2.3连杆3与连杆2的连接模型装配
连杆3与连杆2采用销钉连接，轴对齐方式为元件的A-4轴与连杆2的A-4轴，之后调整位置使连杆3与连杆2成180度角。

（如图27）
图27
6.2.4 连杆3与椅子背板的连接
连杆3与椅子背板采用销钉连接，轴对齐为元件的A-13轴与连杆3的A-8轴，调整位置使连杆3与椅子背板成90度角。

（如图28）
图28
6.2.5 椅子背板与座板的连接模型装配：
椅子背板与座板的销钉连接，轴对齐为元件的A-15轴与椅子背板的A-4轴，调整位置使椅子背板与座板成90度角。

（如图29）
图29
6.2.6 连杆1与连杆4的连接模型组装配：
连杆1与连杆4采用销钉连接，轴对齐为元件的A-8轴与连杆1的A-7轴，调整位置使连杆1与连杆4成90度角。

（如图30）
图30
6.2.7 连杆4与磁铁板的连接模型装配：
连杆4与磁铁板采用销钉连接，轴对齐为元件的A-2轴与连杆4的A-4轴，调整位置使连杆4与磁铁板成180度角。

（如图31）
图31
6.2.8抽屉与磁铁板以及箱体的连接模型装配：
抽屉的两个外侧面与箱体的两个内侧面分别采用平面连接，抽屉的底面与磁铁板的平面采用刚性连接。

（如图32、33、34）
图32
图33
图34
7、整体工作装置的运动仿真
7.1概述
完成整体工作装置的装配模型设计后，就要开始进行本次设计的核心内容―――多功能环保箱工作次试验才确定的。

可能因为初次设计，缺乏经验的原因，但也能够看出正确的装配方法是确保运动仿真能够实现的关键。

在Pro/ENGINEER的“机械（ Mechanism）”模块中，可进行一个机械装置的机械运动仿真，并将其结果输入到 Pro/MECHANICA中，以便于进一步进行力学分析，也可以将“机械”模型带入到“设计动画”中来创建一个动画序列。

7.2创建整体工作装置的机械运动仿真
7.2.1连接轴的设置
设置仿真组件的连接后，可以通过连接轴的设置功能多主体的现对位置、零位置参照和运动范围进行设置。

7.2.2拖动和快照
拖动功能可以在允许的运动范围内移动元件，快照将在组件中为初始条件定义所有主体的位置。

适用拖动和快照，能够验证运动关系是否正确，有利于添加运动关系，作为分析的起始点。

7.2.3 创建伺服电动机连接
伺服电动机能够为机构提供驱动，通过伺服电动机可以实现主体的旋转和平移运动，并且能以函数的方式定义运动速度。

本机构电动机模的定义方式：
类型：余弦
参数：q=A*cos(360*x/T)+C
A=幅值
B=相位
C=偏移量
T=周期
输出图形：余弦曲线的轮廓
过程如下：（如图35、图36、图37）
图35 类型2：常数
参数：q=a
A=18
图36
图37
7.2.4运行运动
向工作装置中增加伺服电动机后，可以启动“运行运动”命令，通过该命令可以设置伺服电动机时间周期和运动增量，来定义工作装置的运动方式。

下面是本次设计的整体机构工作装置运行运动的操作过程：（图38、图39、图40、图41、图42、图43）
图38
图39
图40
图41
图42
图43
7.2.5获取分析结果
进行分析后，可以通过回放、测量和轨迹曲线功能来获取分析结果。

适用回放功能可以实现运动干涉检测、创建运动包络和动态影像捕捉；通过测量功能，可以查看机构运动过程中精确的参数；适用轨迹曲线功能，可以直观的了解以运动主体的点、边或曲线相对运动对于零件的运动。

7.2.6运动机构的仿真示例（如图44、图45、图46、图47）
图44
图45
图46
图47
8、材料的选择
零件在合理的结构设计后，选材及材料的后续加工十分重要，它将直接关系到产品的质量及生产效益。

合理的选材标准应该是在满足零件工作要求的条件下，最大限度地发挥材料潜力，提高性能价格比，具有较好的工艺性和经济性。

8.1选材原则
以轻质、环保、价宜、方便为准则
8.2材料类型
以塑胶原料为主，辅之以金属原料
9、设计小结
环保机械产品是近年来备受市场亲睐的新型科技产品。

我经过几个月的思考与实践，设计出了这一绿色多功能环保行李箱，它能帮助人们解决了许多日常生活环保问题，也能使人们意识到了环保、科技、机械之间的重要联系。

在设计过程当中，经过我的努力，尽管解决了一些问题，但也碰到了许多的难题：如机械运动仿真、Pro/ENGINEER中参数的选取及三维实体建模等。

经查阅各类资料并在刘吉兆教授的精心指导及同学的倾心帮助下，使我能顺利完成这次毕业设计，在此我们表示衷心的感谢。

通过这次设计，我学到了许多的东西，拓展了一些在机械工业方面的知识，加深了对以前所学知识的巩固与串联，更使我知道计算机软件的应用与工程制图的重要性，环境保护的必要性及环保机械在市场上的可行性。

因而也使我在设计思想、设计方法和设计技能等方面得到了良好的训练。

10、致谢
本设计是在我们的指导老师张家良副教授的细心指导下完成的。

在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。

从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了张老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！
还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。

11、参考文献
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