基于人机工程学的新型人力传动机构的设计、制造及应用研究

摘要

人力传动机构是日常生活中应用较为普遍的一种机械机构，自行车就是其中应用最为典型的实例。自行车在我国是一种需求量很大的交通工具，同时又是健身和休闲的良好工具，在我国较为落后的边远地区及广大的农村，自行车这种人力传动机构还是一种常见的交通运输工具。 该文针对传统自行车的传动机构及其传动特点进行分析，指出了传统自行车的人力传动机构中存在的缺陷和不足，即当人体施加作用力使曲柄回转到垂直于地面的上下位置时，机构中就出现了死点。机构中的死点造成了机构运动的不连续，因此，为克服死点使运动继续，骑行者须施加额外的作用力，这就消耗了一些不必要的体力。 为了解决传统人力传动机构的上述缺陷，该文结合人机工程学的相关理论，设计出了一种新型的人力传动机构，把该新型的机构应用到自行车的传动系统上，不仅可以克服传统自行车传动时的缺陷、消除死点，而且还能节省人的体力，有效利用人体的施力，提高自行车的传动性能。作为一种新型的人力传动机构，它与以往的其它人力传动机构有所不同，它不是靠改变曲柄的长度或增加变速器来达到省力节能的目的。机构中关键部分是一个椭圆齿轮轮系，传动原理是根据非圆齿轮机构可以实现变传动比的传动特性来实现不等速运动，从而改变左、右两曲柄的转速，避免两边死点的同时出现。椭圆齿轮机构可以实现变传动比的运动，因此在新型传动机构中，两边曲柄的转角关系是非线性变化的。传动比的变化，使得曲柄在回转中有增速过程也有减速过程，从而可以合理分配人的体力，即在应该施力时开始增速，在曲柄回程时减速。 实现机构传动的关键是椭圆齿轮的设计和制造及正确的初始安装位置，该文利用CAD技术和数控技术，实现了椭圆齿轮的设计和制造的一体化。避免了一般的复杂的编程过程，减少了大量复杂的计算工作，简化了设计过程，而且适用于一般的非圆齿轮的设计。 该新型人力传动机构在实际应用中具有很好的传动效果，实践证明，它能够改变传统机构的传动规律，实现曲柄的不等速运动，有效避免了死点现象的发生。该新型传动机构还可以应用到其它人力传动机构的场合，如人力三轮车、脚蹬游船等，具有良好的应用前景和很广的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1课题研究的提出背景及意义

1.2课题研究的国内外现状

1.2.1人机工程学及其在机械工程领域中的应用状况

1.2.2人力传动机构的研究现状

1.3本课题的主要研究内容

第二章新型人力传动机构的原理与总体设计

2.1传统人力传动机构的特点与分析

2.2新型人力传动机构模型的建立与分析

2.2.1人机系统的设计方法

2.2.2人力传动机构模型的简化与分析

2.3新型人力传动机构的原理与总体设计

2.4本章小结

第三章非圆齿轮机构的设计与制造

3.1非圆齿轮传动技术概述

3.1.1非圆齿轮传动技术的发展及国内外研究状况

3.1.2非圆齿轮的节曲线

3.1.3节曲线的方程式

3.1.4节曲线的曲率半径与凸性条件

3.1.5节曲线封闭的条件

3.1.6非圆齿轮的传动特性

3.1.7非圆齿轮的齿廓曲线

3.2椭圆齿轮的设计

3.2.1椭圆齿轮的节曲线方程

3.2.2椭圆齿轮传动压力角与节曲线凸性检验

3.2.3椭圆齿轮齿形的CAD

3.3椭圆齿轮的加工与制造

3.3.1非圆齿轮加工方法简介

3.3.2椭圆齿轮的CAM概述

3.3.3椭圆齿轮的数控线切割加工

3.3.4粉末冶金齿轮加工

3.4本章小结

第四章机构传动方案的设计与理论分析

4.1传动方案的设计

4.1.1传动方案原理设计

4.1.2设计方案一

4.1.3设计方案二

4.1.4传动方案的选择

4.2传动过程及理论分析

4.3机构的强度校核计算

4.3.1齿轮的失效形式及设计准则

4.3.2齿面的接触疲劳强度校核

4.3.3齿根弯曲疲劳强度校核

4.4注意事项

4.5本章小结

第五章传动机构的应用研究与实验方法

5.1实际应用与数据测试

5.1.1应用方法及测试内容

5.1.2测试结果分析

5.1.3实际传动过程分析

5.2对课题的未来展望

5.2.1传动性能测试实验台的总体构思设计

5.2.2数据分析方法

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录Ⅰ：椭圆齿轮加工的全部G代码