脚踩式新型打气筒设计.doc

《机构创新课程设计说明书》 设计题目：脚踩式新型打气筒 北京林业大学工学院车辆工程系 2011年6月 一、设计目的： 将普通手动式打气筒改为脚踩式增力式，使用杠杆机构，使充气变得简单，同时设计小巧方便易于携带储存，并特设压力表胎压高低一目了然，气筒体积小，气压高，充气轻松。方便携带，可供自行车，摩托车，电动车充气。 二、设计效果图： 使用CATIA软件对设计进行了造型： 三、设计原理与设计参数： 脚踩气筒踏板打气时通，过杠杆原理来带动气筒充气，要把它的出气管接到自行车轮胎的气门上，气门的作用是只允许空气从打气筒进入轮胎，不允许空气从轮胎倒流入打气筒.打气筒的活塞和筒壁之间有空隙，活塞上有个向下凹的橡皮碗.向上拉活塞的时候，活塞下方的空气体积增大，压强减小，活塞上方的空气就从橡皮碗四周挤到下方.向下压活塞的时候，活塞下方空气体积缩小，压强增大，使橡皮碗紧抵着筒壁不让空气漏到活塞上方，继续向下压活塞，当空气压强足以顶开轮胎的气门芯时，压缩空气就进入轮胎.同时筒外的空气从筒上端的空隙进入活塞的上方，当脚收缩时，扭簧带动杠杆臂回位,此时装在拉杆下端的皮碗收缩,空气即从拉杆与盖的间隙较大处进入气筒内,这时将拉杆往下压时,皮碗扩张而贴紧气筒内壁将空气往下压!气体只能从气筒底部一个小孔眼顶上小铁珠(有的是用小铁片)顺着皮管进入轮胎的气门！而当第二次再将拉杆往上提时,皮碗再度收缩.此时小铁珠落下,关闭小孔,使第一次还没有完全注人轮胎内的空气,不会因此而被抽出，如此的往返循回，以达到充气的目的，通过气筒的底部增加一个气压监测装置，可以间接监控轮胎的气压，以免爆胎。 图1 气筒工作原理图 设计参数： 底座长300mm 宽100mm 厚1mm 材质选择钢制底架 实际总重约500g 杠杆直线部分长300mm 宽90mm 厚1mm 弯曲部分R=30cm 长约15cm 厚度1mm 材质为钢架 设计重量约为300g 气筒参数：直径50mm行程120mm 材质为铝制气筒 设计质量约为500g 考虑气筒的成本与直径有关，因此我们在保证工作能力的情况下，尽量选择直径小的气筒。 气管参数:长1m 橡胶管，采用标准打气接口。 气压表选择： 216精密轮胎气压计 通过气管与出气管一起连接到气筒底部。 型号 ?216气压表 测试范围 ?0~7kg/cm^2 尺寸 ?35mmx23.5mmx13mm（12只装） 重量 0.3Kg 扭簧参数：选用《机械设计》P481扭簧，其臂长3CM，力矩为0.15N·m。 总重2KG左右。 结构原理简图： 图2 结构原理简图 四、设计计算 ①建立进气量模型进行： 通过调查，按照日常给一般缺气30%自行车打气，使用标准打气筒实际测试需《=10次，建立手动式打气筒数学模型如图1，对其进气量进行计算： L进=πr2×l×=2.12L 设计脚踩式气筒如图3： 图3 手动打气筒模型尺寸 设计气筒模型尺寸 故设计充气脚踩次数n= L进/V=2.12/0.235=9次 ②建立脚力模型： 按照成年人人体舒适的脚踩力，经过实际测试统计，我们选取30KG力,即300N来作为脚踩踏板的施加力。 ③自行车轮胎气压参考： 参照资料得：自行车轮胎气压在2.5-3.5个大气压（1大气压=101KPa）为宜。在设计中，为了保证强度设计按照3.5大气压进行计算。 ④杠杆设计： 为满足最大强度设计，选取脚踩力，冲气压力均最大时的受力分析如图3： 此时气压P=303KPa F2=F气筒顶杆=P×S=687N F1=F脚=300N 图3 力臂计算受力分析图 由力矩分析可取气筒在杠杆上的链接点为杠杆中间位置 将力学模型简化为一个杠杆，已知F1竖直向下，F2为气筒对杠杆的反作用力。设F2的作用点为杠杆中点，对支点取力矩计算。 ? M1＞M2 故力臂的选择符合设计要求，剩余的力用来克服弹簧的恢复力。 ⑤气筒行程分析： 气筒达到压力最大处时，杠杆设计角度为15度，为使气筒行程能达到12CM，故要对杠杆旋转的最大角度进行设计： 图4 形成计算分析图 已知简化的数学模型为两个同底的三角形，长度和角度如图所示，X,Y为简化的气筒行程的两个最大最低的位置，所以可知气筒的实际行程为S=X-Y 解：根据余弦定理 解得X=28.58cm 解得Y=16cm 由此可得行程S=X-Y=12.58符合设计要求 ⑥回位弹簧设计： 查《机械设计》课本，选用P481扭簧，其臂长3CM，力矩为0.15NM ⑦气压表选择：气压表选择：216精密轮胎气压计 型号 ?216气压表 测试范围 ?0~7kg/cm^2 尺寸 ?35mmx23.5mmx13mm（12只装） 重量 0.3Kg 五、材料选取：参照市售打气筒材料设计，我们选取钢制底架，铝制气筒，塑料气压表，橡