1、 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 protect
2、ion 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
3、 many daily life environmental protection problems， Can also cause the people to realize between the environmental protection, technical, machinerys important relation， In designs in the middle of the process， Through to various data computation, in engineering plat plan, mechanical movement simulat
4、ion, 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； envir
5、onmental 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
6、 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
7、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
8、 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
9、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。 Q2567214873 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。
10、 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
11、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
12、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 12ABB 中，已知 12AB AB =150 mm, 12BAB =15 ,则： 由余弦定理易知 12BB = 221 2 1 22 1 5A B A B A B A B C O S =289.78mm 同理在三角形 1 2 2BBC 中： 11BC = 22BC 即为轴 4 的长度 4L , 12CC 即为所求的抽屉进出的距离 S Max=
13、160mm， 2 1 2BBC =15 , 1 1 1 2 4B C C C L S ，则： 由余弦定理易知 4L =88.86mm 又取 ADL =100 mm 所以有轴 1 1L =150+ ADL =250 mm 轴 2 2L =500+ ADL +50=650 mm 轴 3 3L =300+75+ ADL =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：（ 取最大值 30 ， G取 980N） 1F =Sin *G=4
14、90N （ 1） F= 1 30FSin =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 =2300MPa。（查机械设计手册 软件版 2008） 而 Max=F/A=1131.64/4*1 =1441.58 MPa =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 b=315 MPa 390 MPa， =2 mi
15、n=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= 2211444dd （ 4） （其中空心杆件管壁厚为 2mm） 则危险截面上的最大正应力： Max= 4AMaxF = 2211980 m in = 1 5 7 . 5 M P a4444dd （ 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： AyF= ByF= CDmgFF= 2314d Lg（ 6） (其中 m 为轴
16、 1的质量， 3d 为轴 1直径， 为 销 轴 材 料 碳 素 钢 密 度) 由 M, sF 图知 CD段为纯弯曲 则： max cMMAyF ACX = 23 14d Lg 100 （ 7） ( ACX 已知为 100mm, =7.8kg/ 3m ) 横放时销轴的最大弯曲正应力为： Max=33 / 32ZMMWd21333800 gLdd min=157.5 MPa （ 8） （其中 3d 为销轴的直径） 即可求的 3d 0.34mm 故可取 3d =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： 11 1 1304 2 2AyF G F S i
17、n G 367.5AyFN （ 9） 由 M, sF 图 9知 : max cMM m a x 11 302B B CM M F S in X 2.45N m （ 10） (其中 BCX =20mm) Max=34 / 32ZMMWd3432 2.45d 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
18、b =530 MPa 560 MPa， 强度核算，最大剪切力为： Max=29804MaxFAD312.1 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 错误 !未找到引用源。 b =320MPa （ 如 图 12、图 13） 图 12 图 13 对其应力分析如下： 1 bFd a 1.92 10-3mm （ 13） 2 bFd a 9 10-3mm （ 14） 取 d=2mm
19、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 =320MPa，其中单侧受正压力为 F=300， a=10mm 图 14 b = 1Fad （ 15） 所以 1 0 . 0 9bFd m ma 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 bFbd （ 16） 33 .7 5 1 0bFd m mb （ 17） 取 d=2mm C=7d=72=14
20、mm 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、
21、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
22、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.
23、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
24、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
25、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
26、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
27、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
28、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/ENGINEE
29、R 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）
