擺錘結(jié)構(gòu)設(shè)計論文范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了擺錘結(jié)構(gòu)設(shè)計論文參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1軌道設(shè)計

1.1滑槽的設(shè)計有以下三種方案方案一：在圖1（a）中小球與軌道理想為兩點接觸，其受力情況為垂直于兩斜坡面指向球心，因為碰撞后小球的速度方向不是理想的切線方向，若與理想的切線方向有角度的偏移，可能會發(fā)生干涉。方案二：圖1（b）中小球與軌道為理想的單點接觸，其受力情況垂直于底面向上，小球在運動的過程中與軌道始終保持單點接觸，實現(xiàn)理想的純滾動，這對于減少能量損失有幫助。圖1（c）中小球與軌道的接觸理想為單點接觸，其摩擦力比圖1（a）和圖1（b）小一點，但是軌道截面形狀的參數(shù)不易求解，加工實施困難。因此綜合以上三種的方案的比較分析，方案二更有利于加工和減少能量的損失，從而滑槽選擇方案二更適宜。

1.2球與滾道之間的摩擦力分析球與滾道之間的摩擦可分為滑動摩擦和滾動摩擦，滑動摩擦因數(shù)一般較大，摩擦的能量損失也較大，球在軌道上滑動的整個過程中產(chǎn)生的損失也最大，而整個過程中滾動摩擦力只是把平動動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動動能，因為轉(zhuǎn)動動能在碰撞過程中大部分損失，所以為了減小碰撞的整個運動過程中能量的損失，必須盡可能地減小平動動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動能，較好的方法就是通過增加軌道和滾球的剛度，從而減小滾動摩擦因數(shù)μ以及正壓力f。由f=μmgcosθ可知，滾槽的水平傾角θ越大，正壓力越小。因此，θ越大，小球與滑槽之間的摩擦力越小。

1.3軌道基本軌跡的確定綜上，對于該單擺球滾道“永動器”的軌道路徑設(shè)計為圓弧-直線的組合式軌道，如圖3（b）所示選用直線形軌跡，由于希望保持對心碰撞，軌跡底部加工出一段小水平直線，且該段直線的粗糙度較大，便于在小球碰撞擺錘時，小球?qū)⑥D(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為較大的摩擦力作用在擺錘上?？紤]到命題要求以及工程上的因素，我們選用的軌道為圓弧-直線式組合軌道，其示意圖如圖4所示。

2擺系統(tǒng)設(shè)計

2.1擺錘與滾球的選取擺錘到達(dá)最低點與位于軌道上的小球發(fā)生正碰，由動量守恒定律，因此，當(dāng)擺錘以速度v1的速度正碰靜止的小球時，理想狀態(tài)下，擺錘和小球可達(dá)到速度交換，從而實現(xiàn)永動碰撞的效果。由此類推，小球的質(zhì)量是擺錘的3倍時，依然可以實現(xiàn)速度交換，理論上，兩種方案都能實現(xiàn)速度交換，從而實現(xiàn)不斷碰撞，但由于碰撞能量損失和小球在軌道上滾動時的摩擦，因此擺錘和小球的速度不斷地交換下去實際上是不可能的。當(dāng)選用方案二時，通過碰撞的速度交換規(guī)律得知，擺錘與滾球在實際中更容易在碰撞后一起擺動。為了盡可能地實現(xiàn)擺錘與小球多次碰撞，應(yīng)選用方案一，即小球的質(zhì)量與擺錘的質(zhì)量相等。其擺錘和小球的參數(shù)為：小球直徑為20mm，擺錘直徑為20mm，二者都為實心鋼球。

2.2擺錘與擺桿的連接命題要求擺桿直徑為5mm的實心剛性桿件，由于擺桿自身的重量從而影響擺錘與滾球發(fā)生質(zhì)心碰撞，因此為盡可能減小這種影響，擺桿的材料采用鋁合金。擺錘的直徑為20mm，考慮到擺球為剛性實心小球，其強度較大，不易攻螺紋孔，因此采用激光打通孔，在擺桿端部打一個M2.5的螺紋孔，通過緊固螺紋件將擺錘和擺桿相連。其三維設(shè)計圖如圖5所示。

3螺桿軸的強度校核

根據(jù)圓軸在扭轉(zhuǎn)和彎曲組合變形下的強度條件。

4總體設(shè)計與調(diào)試

對于該裝置，我們已經(jīng)討論得出其各個方面的大致情況，下面進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計與調(diào)試。我們在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)兩個小球的碰撞過程分離開的時間極短，經(jīng)過少量的幾次碰撞后兩個小球就會在一起擺動，這對于運動時間的延長極為不利，現(xiàn)進(jìn)行如下分析：1）運動的小球在軌道上的速度衰減量極大，且最后近似于單擺的簡諧運動，在空氣阻力的影響下，經(jīng)過若干次的振動后近似趨于靜止。2）調(diào)試階段我們選取了桿套與滑動摩擦的部分進(jìn)行分析，觀察發(fā)現(xiàn)其影響不大。且分析發(fā)現(xiàn)滑動轉(zhuǎn)軸的精度如果設(shè)計不夠好，會極大地?fù)p耗能量。3）擺錘與擺球的質(zhì)量影響也比較大，且在運動的過程中我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大球碰撞小球時其運動過程較小球碰撞大球更易粘在一起運動。4）小球在軌道上下滾速度太快，致使擺錘與小球在第一次碰撞后運動過程無規(guī)律性，且最終的結(jié)果不太理想，這與周期有關(guān)。5）擺錘與小球碰撞點影響極大，因此在設(shè)計過程中需要能夠滿足支架和桿套可以進(jìn)行一定的微調(diào)。單擺-球滾道“永動器”總體設(shè)計的示意圖如圖6所示。

5軌道工藝分析

為了防止軌道過于笨重，以及便于加工，軌道材料選用鋁合金相對比較適宜?；蹫榫匦尾?，其加工有兩種方案［5］：方案一：用四軸聯(lián)動的數(shù)控機床銑。方案二：將軌道分成兩部分進(jìn)行加工，即直接平面數(shù)控銑中間的滑槽面，另一邊的擋板再用螺栓固定。但是方案一加工難度大，成本高，且滑槽面的精度不夠高，而方案二采用普通的數(shù)控銑機床就可以加工，因此，從工程管理上考慮優(yōu)先采用方案二加工。

6結(jié)語

類牛頓擺球式碰撞裝置的設(shè)計過程涉及理論的推理與分析，特別是軌道設(shè)計中的方案選取和各部件的尺寸參數(shù)的取值對于“永動”時間的影響較大，當(dāng)然，在規(guī)定的尺寸約束條件下，工程計算的結(jié)果只能作為一個可行的有效解，理論計算與現(xiàn)實情況差別的進(jìn)一步縮小，仍需要后續(xù)的深入研究探討。

作者：謝玄劉波代恒鄭華生單位：武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院