机械创新设计大赛.docx

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1、机械创新设计大赛第一章概述21.1 设计背景21.2 本设计的特殊优势3第二章产品说明书42.1 产品简介42.1.1 产品结构42.1.2 产品使用方法42.2 创新设计及原理62.2.1 加速部分设计62.2.2 阻尼部分剖析62.2.3 特殊设计1：多人循环部分设计82.2.4 特殊设计2：速度操纵器的设计92.2.5 特殊设计3：减速环节设计11第三章参数计算133.1 外壳尺寸及绳长计算133.2 齿轮及其转速的计算133.3 圆盘力矩及曲线力矩的计算143.4 小孔面积的确定143.5 速度调节器开关阀门的阻力及弹簧弹力的确定153.6 减速部分摩擦力的计算17第四章产品的成本计算

2、及其推广194.1 成本计算194.2 产品的推广19结束语20参考文献21第一章概述1.1 、设计背景城市火灾是一种发生频率高、涉及面广、破坏性大、反响强烈的突发性灾害。随着建筑高度的增加与日趋密集，建筑的安全隐患也越来越多，即使在发达国家的高楼遇有火灾、爆炸等事件时，由于时间、空间等诸多因素的限制，人员自救逃生也是一个极待解决的重要问题。高楼突然失火，电梯不能用,楼梯堵塞,飞不上去也跳不下来,如何才能迅速逃生?这样的情况每年都有发生，也有很多人因无法逃生而遇难,而高楼失火逃生装置在这样的环境下应运而生。在人们将越来越多的精力与时间都投入到对安全问题保障研究的同时,却忽略了最基础的一种手段，

3、在人们越来越多的用到各类高科技与现代手法进行安全保障的同时,却忽略意外事件的发生,是不能够借助外力与各类现代手段的，要靠最基础与最简单的方式，也就是机械的方式才是最安全与稳固的。目前国内外高楼逃生器要紧有下列几种形式：(1)包角加手控式：该类逃生器增加钢丝绳与轮之间的包角，使得钢丝绳与钢丝轮之间的摩擦力增加。另外，再利用手控装置，进一步调节下降速度的快慢。(2)间歇冲击式：间歇冲击式逃生器是通过间歇撞击能来消耗能量，如利用钟表中的擒纵叉与擒纵轮原理来消耗能量。(3)液体流淌阻尼式：液体流淌阻尼式是利用液体流淌阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速度的目的。其要紧特点是由于液体阻尼的大小取决于

4、外负载，因此不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度下降。通过对上述几种逃生器的认识，我们认为逃生器应该具有结构紧凑，工艺简单，安全可靠、使用方便、平稳快速、成本低廉等特点。基于此，本文设计出全自动高楼逃生器，这样不仅满足了高楼逃生器的基本特点，而且创新利用了齿轮传动比的调速功能。此设计由于小巧便利，成本低，特别适宜家庭备用于紧急脱险。1.2 本设计的特殊优势分析总结以往逃生器的不足，通过多方面的改进与完善，我们的设计形成了自己特殊的优势。(1)自动调速该装置在逃生者下降的过程中自动调速，无需手动操作，不需要专业知识。解决了以往逃生器儿童、妇女与老人无法使用的难题。（2）自动实现4ms的匀速下滑

5、该装置的液体阻尼系统，使速度变化趋于与缓，有缓冲作用，而且，液缸的特殊设计，孔径的精确计算，再加速度操纵器的双保险，使任何人使用都会保持4ms匀速下滑。（3）落地前自动减速该装置装有减速装置，减速装置能够实现在落地前8m自动减速，将速度从4ms减到1.5ms甚至更小，这样关于儿童、妇女与老人来说更加安全。（4）满足多人使用该装置特有的双线轴结构，能满足多人循环使用。（5）收尾存放方便该装置有一摇柄，使用结束后，通过摇柄轻松使绕回线轴，该装置体积小,重量轻，存放十分方便。第二章产品说明书2.1 产品简介2.1.1 .产品结构产品结构图如下:图2-1全自动高楼逃生器总结构图3齿轮9W齿轮8此逃生装

6、置呈圆柱体，长25cm,直径为20Cm,总质量为8kg。要紧由加速环节、液体阻尼环节、速度调节环节、多人循环环节与减速部分五大部分构成。液体阻尼器使逃生速度更加平稳，特殊的速度调节器能使逃生速度精确的保持在4s,精心构思的多人循环部分使小小的逃生器能够挽救多人的生命，精巧的减速器结构简单，却能起到落地前减速的效果。总之，此逃生装置体积小，重量轻，结构经凑，工艺简单紧急脱险。此装置使用直径0.50.6cm的解释绳子或者用钢丝绳线轴绕成可长达55m,能满足最高15层的高楼逃生使用。2.1.2 产品使用方法：（1）将装置固定在所在楼层，开始时，两根绳子分别缠绕在线轴1,线轴2上。（2）通过摇柄，放开

7、线轴1的绳子，然后再按下按键的按钮，使线轴1与线轴2连接。（3）逃生者1号将身上的绳索挂于线轴2上的绳索的挂钩上，跳楼逃生。随着线轴2的转动，线轴1同时的以同一方向转动，将线轴1的绳子自动收起。待逃生者1号降到地面，线轴1收起的长度恰好为所在楼层高度，为第二个人逃生制造了条件。（4）待逃生者1号解除绳索挂钩，逃生者2号能够从线轴1的挂钩逃生（挂钩的位置由逃生者2号设置），当线轴1下放的同时，线轴2自动收起，待逃生者2号降到地面，线轴2收起的长度恰好为所在楼层高度，为第3个人逃生制造了条件，因此逃生者3号能够使用线轴2的挂钩逃生，如此循环，可满足多人逃生。该装置的另一特点是有用性强，便于操作与存

8、放。逃生完毕后，收尾工作简单方便，若最后状态为线轴2收起，线轴1下放，则先断开按键，再摇动手柄使线轴1将绳子收起即可。若最后状态为线轴1收起，线轴2下放，则先断开连接3,使线轴1下放。然后，再按下按键，摇动手柄使两线轴同时收起，收起完毕后，再放回备用箱即可。该装置的还有一个特点，既能够将其固定在楼上使用，也能够将挂钩挂在楼层上，让逃生者随该装置降到地面。考虑到很多火灾发生在夜间，为了充分利用装置内部空间与能源，使逃生者在下降过程中与落地时有足够的照明，该装置还安装一小型发电机。该逃生器适用范围广泛，速度自动调节，无需手动操作，简单有用，性能稳固，安全可靠，适合大规模推广。2.2 创新设计及原理

9、本设计由加速环节、液体阻尼环节、速度调节环节、多人循环环节与减速部分五大部分构成，结构简单，原理明确。介绍中涉及到的诸多数据，其来源请参照第四章参数计算部分。下列说明全面设计原理。2.2.1 加速部分设计加速部分的作用一是减小液缸的负载，二是使稳速下滑的效果更加良好，设计如下图(2)：外壳/微型发电机T-齿轮6圆盘=三-轴齿轮5齿轮L-轮4齿轮2齿轮图2-2加速环节结构图加速部分有两级加速，每次加速倍数为2.5倍，共加速6.25倍。齿轮1通过固定轴与线轴2相连，线轴2的转动带动齿轮1转动，齿轮1到齿轮2为第一级加速，齿轮2与齿轮3同轴且固定在一起，齿轮3带动齿轮4为第二级加速，通过轴传到齿轮5

10、,因此齿轮5圆盘上的曲轴做圆周运动。曲轴通过连杆与活塞相连，圆周运动因此变为直线运动。2.2.2 阻尼部分剖析本设计使用流体阻尼式原理。弹性式用弹簧做阻力，阻力与下降位移有关，越往下阻力越大，还有可能在落地前反弹，而且无法做到下降时匀速。摩擦式由于长时间的磨合，摩擦系数有所改变，性能也不稳固，而液体流淌阻尼式是利用液体流淌阻尼把人体势能转化成液体热能，以达降低速度的目的。其要紧特点是由于液体阻尼的大小取决于外负载，因此不论人体质量的大小均能以比较恒定的速度（本设计下降速度为4ms）下降，全面设计如下：图2-3流体阻尼液缸液缸内径为3cm,外径为3.5cm,液缸高4.5cm,活塞活动范围为4cm

11、,连杆长4.5cm活塞面积为7.065cm2,孔的总面积为5.37cm2。此种液缸类似于普通的活塞缸，不一致的是缸的两端均密封，内有阻尼液体,而且，活塞由带有许多阻尼孔的多层薄隔板构成，当液体流经多层隔板的阻尼小孔时，产生的阻力平衡了人体重力，使人能匀速下滑。根据流体力学可知，使用多层有孔薄隔板比使用单层薄隔板更有利于达到匀速的目的。而且，孔越大，活塞移动速度越快，产生的阻力也就越大。经计算当孔的面积为5.37c?时，关于70kg的人刚好以4ms的速度匀速下滑。活塞的一端与曲柄摇杆相连。这样，曲柄的旋转运动转变成活塞的直线运动，能量借助流体转化为热能与流体的动能。此设计有两个液缸，其位置成90

12、。角，如图：液缸2支架2支架1图2-4阻尼环节这样设计，既减小单个液缸承受的负载，也使液缸能够做的很小，同时也解决了曲柄在旋转到极限位置时的速度波动。而加速部分的多级传递使轻微的速度波动大大化解，匀速效果更加完善。2.2.3 特殊设计h多人循环部分设计多人循环部分结构如图2-5所示：图2-5多人循环环节按键由齿轮7、支架与弹簧构成，按键类似于启动按钮。齿轮7起连接齿轮的作用。按一下，按键开启，齿轮7分别与齿轮8与齿轮9啮合，线轴1与线轴2的旋转联通。再按一下，由于弹簧的作用，按键弹起，齿轮7分别与齿轮8与齿轮9分离，齿轮8与齿轮9断开连接，线轴1与线轴2的旋转互不干扰。转轴部分由两个同心线轴构

13、成，分别为线轴1与线轴2,线轴1与齿轮8通过轴固定在一起，线轴2与齿轮9通过轴固定在一起，齿轮8与齿轮9中间有齿轮7连接，齿轮7由按键操纵。两线轴既能够同时转也能够不一致时转。若按键按下，线轴1与线轴2同时旋转。若按键弹起，线轴1与线轴2的转动互不干扰。装置一端还有个摇柄，便于收放绳子。此部分的设计，既可做到多人循环使用，也使此救生装置更加实际化。使用方便，同时也便于存放。绳子可通过摇柄收起或者放开。使用方法请参照产品简介部分。224特殊设计2：速度操纵器的设计速度调节器是此装置的关键环节，这部分结构简单，亦相当有用，能自动将速度操纵在4ms.要紧由带槽圆盘、离心块、弹簧与摩擦导槽构成，其结构

14、如下图所示：图2-6速度操纵器侧面图图2-7速度操纵器正面图圆盘半径为8cm。连杆长ICm,摆动范围为1.5cm。弹簧1劲度系数为351.1Ns弹簧2的拉力为703.9N。开关阀阻力为248.84N。质量体质量为20g。速度为4ms时，F(r=6.5cm)=225.7N,F(r=8cm)=277.80N速度为4.2ms时，F(r=6.5cm)=248.87N,F(r=8cm)=3O6.3ON带槽圆盘上有三个导槽，每个槽内有一个质量块，质量块只能在槽内沿半径方向来回运动，质量块的一端用弹簧连接在圆盘中心轴上，并用一连杆接在圆盘的a点，连杆的另一端连接在b点，质量块可带动连杆左右摆动。质量块与摩擦

15、槽的接触端装有梯形橡胶块，其形状与摩擦槽吻合，连杆机构相当于开关阀门，摩擦槽设计成梯形槽如图所示，以增大摩擦力。速度操纵器根据离心原理，圆盘静止时，弹簧1拉力为0,弹簧2为拉伸状态，使开关阀门有248.84N的阻力，因此质量块不向外运动。当圆盘旋转时，质量块有向外飞离的趋势，随圆盘转速的增加，离心力也增加，当圆盘转速达到4182r/min时，即下降速度为4.2ms时。质量块离心力刚好大于开关阀阻力，开关阀连杆向外摆动后对质量块的压力由内变为向外，进一步增大了摩擦，使圆盘迅速减速，如今弹簧1处于拉伸状态。当下降速度减到4ms,质量块的离心力与连杆的合力小于弹簧1的拉力，弹簧1收缩，质量块被拉回内侧，质量块回到原状态。若圆盘速度再次增大，连杆便再次打开，质量块再次使之减速，如此反复，圆盘的速度便被操纵在4ms到4.2s的范围内，达到稳速的目的。225特殊设计3：减速环节设计为了使落地更加安全，扩大使用的范围(如妇女与儿童)，本设计专门添加了落地前的减速环节。减速器能够在8m内将速度由4ms减到落地时的1.5ms而且减速器装置也不复杂，经济又有用。减速装置如图所示：图2-8