指南车结构设计与运动仿真开题报告

1. 研究目的与意义

相传4000多年前皇帝与蚩尤大战时，皇帝借助军师风伯设计的指南车走出了大雾，打败了蚩尤。指南车在我国古代确实存在，但是由于年代久远，没有实物流传也没有详实的文字资料。但是作为一个典型的机械结构，根据差动轮系结构原理还是能复原的。

指南车又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同，它不用磁性。它是利用机械传动系统来指明方向的一种机械装置。其原理是，靠人力来带动两轮的指南车行走，依靠车内的机械传动系统来传递转向时两车轮的差动来带动车上的指向木人与车转向的方向相反角度相同，使车上的木人指示方向，不论车子转向何方，木人的手始终指向指南车出发时设置木人指示的方向，车虽回运而手常指南。

本课题根据齿轮差速器原理设计一个新型的指南车，利用autocad软件对指南车进行完整的设计，完成指南车的总体以及传动齿轮的设计，并利用3d软件建立指南车的虚拟样机模型，实现运动学仿真。

2. 课题关键问题和重难点

转向机构是指南车的关键问题，这是一种应用十分广泛的机构，尤其是在车辆工程中，转向机构是一个很重要的组成部分。作为转向机构，必须具备很好的转向性能，转向要稳定、可靠，转向半径越小越好，转向易操作、准确度高。

可知宋代的指南车肯定是齿轮传动系统，依靠机械传动系统实现定向。目前，指南车机械定向机构主要有定轴轮系和差动轮系两大类.定轴轮系的指南车操纵繁且难，存在定向误差大的弊端;而差动轮系的指南车在各方面性能均较为优越。

目前有许多种转向机构，不少都在实际中得到了应用，具有自己的一些优势，但也存在不少缺点。目前大多数履带式机械的转向机构是由转向离合器和制动器构成的，这种方式存在较大的缺点:离合器和制动器作用频繁，使得震动比较大，能量损失也比较大。

3. 国内外研究现状（文献综述）

指南车，又称司南车，是我国古代科技成果的杰出代表，更是近代自动机械的先驱，是中国古代用来指向的一种机械装置，其历史久远，据 《中国机械工程发明史》所著，指南车的发明以古籍 《西京杂记》 为据，指南车于西汉年间出由王振铎在 《科技考古论坛》所著，创造指南车者以三国时马钧为可信。从现有资料可知，指南车的内部结构应是利用齿轮等传动件为核心部件的机械结构。

指南车是我国古代伟大的发明之一,也是世界上最早的控制类机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说,中国古代的指南车可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步,是人类第一架体内稳定机。指南车的发展经历了好几个阶段,具有多种结构,多种版本,机械原理也存在很大的差别,可惜早期的很多设计都已遗失。指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它是一种双轮独辕车。车上立有一个木人,一手伸臂直指,只要在车开始移动前,根据天象将木人的手指向南方,以后不管车向东还是向西转,由于车内有一种能够自动离合的齿轮系定向装置,木人的手臂始终指向南方。随着现代机械设计技术的发展,可以根据不同的机械原理设计出不同的具有指南车功能的结构,其中差动轮系是一种比较好的结构,使用比较多,并且也有多种设计方法。古结构的一种原理使用了一个差动轮系传动结构和齿轮系传动结构,以差动轮系为中心两边齿轮系是对称的,齿轮大小相等,具有相同的传动比,指标固定在差动系行星轮的转臂轴线上。

近代关于复原指南车的研究兴于欧洲，依据《宋史》资料，欧洲人摩尔和戴克斯在 20 世纪初对指南车的结构进行推想，分别提出了定轴轮系指南车和差动轮系指南车的理念。定轴轮系指南车的自由度仅为1，误差较大。相对地，差动轮系指南车的自由度为2，误差相对较小。目前，差动轮系指南车已日益引起学者们的关注。杜俊伟等对指南车的原理和结构进行分析，基于此设计了一种新型转向机构，该转向机构结构简单，控制方便，尤其适用于履带车转向。与此同时，李绍青等为了科普和教学的需要，利用 3d 软件对指南车进行了完整的设计，简历了指南车的虚拟样机模型，该虚拟样机技术制作的模型更多是为了教学演示的方便和效果的生动性。闵峻英等基于指南车的原理，运用差动轮系设计了一种指南车定向机构，并对传动误差进行分析。总体而言，关于指南车的研究主要关注在结构设计和优化方面，实物的复原工作研究相对较少，此外，指南车所蕴含的科技元素还未真正地融入到现代科技中。

4. 研究方案

本课题所设计的指南车也是差动轮系指南车，其原理如图所示。机构中仅仅使用了7个锥形齿轮，是目前所见文献中最简单的一种方案。齿轮1、2和齿轮3、4是两对锥形传动齿轮，将左右车轮的转动传给齿轮6和5。齿轮5、6和行星齿轮7构成差速机构，将齿轮5、6的转动差转换为行星齿轮7的运动。行星齿轮7带动导向杆转动，保持其相对地面转角始终为0。齿轮1、2和齿轮3、4的功能是相同的，这里故意将其尺寸设计的不相等，使得齿轮2和齿轮4中间留出空间，放置一个差动轮系。

5. 工作计划

毕业设计前一学期末完成英文翻译，收集、查阅、文献资料并准备开题报告。

第1周 完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，译文和原文均上传至毕业设计管理系统，译文封面用标准模板。查阅文献资料，撰写开题报告。

第2周 开题报告经指导老师批阅合格并确认后，开题报告封面用标准模板，上传至毕业设计管理系统。文献检索，调查现有机器结构中常见的齿轮传动结构。