新型记里鼓车结构设计与仿真开题报告

1. 研究目的与意义

记里鼓车是前东汉时期张衡发明的，是古代用来计算里程的车，记里鼓车是指南车的姐妹车，他们同为天子大驾出行的仪仗车，两者要求基本相同，装饰华美富丽。因为加了行一里路打一下鼓的装置，故名记里鼓车。

记里鼓车的创造是近代里程表、减速器发明的先驱，是科学技术史上的一项重要贡献。记里鼓车应用齿轮传动的原理与现代汽车中机械式里程碑别无二致。是中国古代社会的科学家，发明家研制出的自动机械物体，使中国古代在机械发明上的辉煌成之一。

但是由于需要记录击鼓次数，因此操作起来相对来说有诸多不便。无法实现记里的目标，操作起来不容易。本课题主要设计一款新型记里鼓车，要求增加可视记里装置，精度为0.1km，总里程达到9999.9km，并对设计的结构利用软件进行仿真。

2. 课题关键问题和重难点

本次课题的关键问题有如下几点：

1.根据记里鼓车的实际工况，选择采用何种传动方式，完成记里鼓车的整体结构的整体结构设计。

2.设计符合要求的机械式记里装置，达到可视记里，提高记里精度，使精度达到0.1km,总里程达到9999.9km，设计结构要紧凑合理，满足寿命以及经济性要求。.

3. 国内外研究现状（文献综述）

记里鼓车是古代用来计算里程的车，后来，因为加了行一里路打一下鼓的装置，故名记里鼓车，记里鼓车是一个会计算行程的车，是古代科学家发明研究出的机械物体，被机器人专家称为是一种古代机器人。

3.1记里鼓车发展历史

记里鼓车又有记里车司里车等别名。有关他的文字最早见于《晋书舆服志》记里鼓车，架四。形如司南。其中有木人执槌向鼓，行一里则打一槌。在古书里面均有记载。因此记里鼓车在晋以前就已经发明了。

到宋代1027年制成记里鼓车，以及吴德仁于1107年同时制造记里鼓车的详情，则被记载在《宋史》中。417年，刘裕率军打败了晋军，又造记里鼓车，后来吴德仁又重新设计制造出新的记里鼓车。吴德仁简化了前人的设计，所制造的记里鼓车，减少了一对用于击镯的齿轮，是记里鼓车向前走一里时，木人同时击鼓击钲。[3]

3.2记里装置的发展

记里鼓车在现代意义上的改变是克服了记里的精度底下问题，由传统的人为记鼓声最终转变为传感器自动记数，计算机自动计算结果。

纯机械式的记里方式。但其缺点却显而易见，车速里程表中的软轴在高速下运转，其运动的迟滞性及受到钢丝应变力极限的限制，告诉行驶的车辆常常造成钢丝软轴疲劳断裂，从而使里程表功能失效，因此机械式里程表已经慢慢退出市场。

传感器技术加入鼓车。成功克服了机械式车速里程表指针改动，软轴易断的缺点，传来的光电脉冲或磁电脉冲信号，经过仪表内部的微机处理后，可在显示频上显示车速，里程表很据车速以及累计运行时间由微机处理计算并显示里程。这种电子式的里程表克服了原先发明的机械式的里程表的缺点，又被大数汽车所使用。

3.3记里鼓车原理以及结构

科学家张衡发明了用来测量车辆行驶里程的记里鼓车科技史学家们根据史书上的文字描述，复原了这种神奇的车，如图1.1所示：

图1.1记里鼓车

记里鼓车的形状虽然在历代制造时都有些改进，但它的差动齿轮原理可以肯定在1800多年前已经被张衡所应用了。记里鼓车的记程功能是由齿轮系完成的。车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人车上木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。记里鼓车组要由右足轮，立轮，下平轮，旋风轮，中平轮组成。其详细机构如图1.2

1.右足轮2.立轮3.下平轮4.旋风轮5.中平轮

图1.2记里鼓车侧视图

马拉着该车向前行走，带动左，右轮子转动，立轮与左右足轮在同一水平轴上，齿数为18，并与下平轮啮合，带动下平轮水平转动，下平轮齿数为54，齿数为3的旋风轮与下平轮装在同一竖轴上，并与上平轮啮合，上平轮齿数为100，转动一圈，轮上的拨子便拨动上层木人右臂击鼓一次，显示车行一里。[1]

1.左足轮2.右足轮3.立轮4.旋风轮5.中平轮6.中平轮

图1.3记里鼓车俯视图

记里鼓车的记载功能是由齿轮系完成的，如图1.3所示，车内有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人车上木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。至于十里击镯的记程原理，同击鼓记里的机械原理大同小异，只是这一减速齿轮系的末端齿轮是在车行十里时正好回转一周，因此十里一击镯。这一原理与现代汽车上的里程表的原理相同。[1]

3.4传动系统

在机械传动方面，常见的传动种类：带传动，链传动，轴传动，蜗杆涡轮传动如图1.4，齿轮传动如图1.5，摩擦轮传动，螺旋传动，气压传动。

在机械传动中，齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，可以用来传递空间任意两轴或多轴之间的运动和传递。记里鼓车的记载功能是由齿轮系完成的，选用齿轮传动的传动方式。齿轮传动主要特点有：

1.瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比能按照需要的变化规律来设计；

2.传动比范围大，可用于减速或者增速；

3.速度和传递功率的范围大，可用于高速，中速和低速度；

4.传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率非常高；

5.结构紧凑，适用于近距离传动；

6.制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因为需要专用的或高精度的机床，道具和量仪等，因此制造工艺复杂，成本高。

7.精度不高的齿轮，传动时候的噪声，振动和冲击大，污染环境；

8.无过载保护作用。

在齿轮传动中，根据不同的情况可以将齿轮传动进行各种分类，比如：

1.根据两轴的相对位置和轮齿的方向，可以分为：圆柱齿轮结构，圆锥齿轮结构，交错轴齿轮传动机构。如图1.4所示：

图1.6齿轮传动机构示意图

2.根据轮齿的工作条件，可分为：开式齿轮传动，半开式齿轮传动，闭式齿轮传动。

3.根据轮系中是否有轴线运动的齿轮可将齿轮传动分为：普通齿轮传动和行星齿轮传动，轮系中有轴线运动的齿轮就称为行星齿轮如图1.5所示。

图1.7行星齿轮组结构图

一般车辆的传动机用于实现能量分流和综合动力分配装置是一套行星齿轮结构，其中行星架与发动机的输出轴相连，齿圈与发动机的转轴相连，同时也与输出齿轮相连，而太阳齿轮轴发出的动力驱动发电机发电，中间与一个离合器相连，动力切换时会将太阳轮锁死，使行星齿轮机构以一定传动比工作。

在齿轮传动机构的研究设计和生产过程中，一般要满足如下几个基本要求：

1.传动平稳，在传动中保持瞬间传动比不变，冲击。振动以及噪声尽量减小。

2.承载能力过大，在尺寸小，重量轻的前提下，要求轮齿的强度高，耐磨性好以及寿命长。[2]

3.5机械式记里装置结构原理

现代汽车的记里装置由变速箱，里程表传动轮轴等等组成，如图1.6所示：

1.差速器传动2.里程表数字轮表3.刻度盘4.传动轮轴5.变速器第二轴传动涡轮蜗杆

图1.8 记里传动路线

发动机的轴把动力传递给变速箱，从变速箱到车轮传动比是不变的，变速箱的输出轴上装有一根，软轴，一直通到驾驶者里程表里去，所谓软轴就是像自行车线闸用的拉线那样有钢丝芯的螺旋管，管壁和内芯之间有润滑油，外管固定而内芯可以转动，这个内芯转速与车轮转速有着恒定的比例关系，软轴通过车速表，使得指针能把车行驶速度显示出来，同时，软轴旋转还经过蜗轮蜗杆传到车速表中间的滚轮计数器上，把车轮的转数所代表的里程累积下来。

机械式的记里装置记里是用安装在轮上的一组计数齿轮来实现计数的，而这些计数齿轮又通过特定的传动装置被车轮的转动所驱动，同时车轮的转动还通过的转动还通过特定的传递装置，传递给由电磁感应原理制成的传感器，传感器再将反映车轮转动情况的电信号显示在仪表盘上。

机械式记里装置连接一个软轴，软轴内有一根钢丝缆，软轴另一端连接到变速器的某一个齿轮上，齿轮旋转带动钢丝缆旋转，钢丝缆带动里程表罩圈内一块磁铁旋转，罩圈内与指针连接并通过游丝将指针置于零位，磁铁旋转速度的快慢引起磁力线的大小的变化，平衡被打破指针因此被带动。[1]

参考文献

[1]王福星.从记里鼓车到里程表第41卷[M].山东省邹平县码头一中，2012.

[2]吴克坚,于晓红,钱瑞明.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3]李卉卉，记里鼓车之相关问题研究[J].上海社会科学院历史研究所.2002.

[4]李文顺，车速里程表的工作原理[J].上海柳州.2007

[5]尚峰斌，车速里程表的工作原理及优缺点[J].陕西西安.2012

4. 研究方案

(1)收集分析关于记里鼓车的相关内容，对收集的资料进行筛选、分类，了解自己所选课题的内容；

(2)对记里鼓车结构有一定的了解，确定记里鼓车的基本结构组成，选择齿轮传动，确立基本方案；

(3)根据要求确定传动比，确立传动级数并分配传动比；

5. 工作计划

第1周完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。在老师批阅后进一步完善自己的翻译。开始学习了解记里鼓车的结构。

第2周查阅文献资料，撰写开题报告。学习使用solidworks软件进行简单的运动仿真，确定记里鼓车的设计结构。

第3周完成开题报告，经指导老师批阅合格并确认后，上传至毕业设计管理系统。继续学习使用solidworks软件，对记里鼓车的结构进一步设计，确立总理方案。