日地月公转自转演示仪设计说明书

华中科技大学机械科学与工程学院

机械原理课程设计说明书

——《太阳—地球—月球公转与自转演示仪》

指导教师：杨家军 设计者：卜凡 林翰 U201110297

王泽坤 刘镭

华中科技大学机械科学与工程学院机械中英1101班

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2014年1月

目 录

1.作品内容简介—————————————————————————2 2.设计任务———————————————————————————2

2.1设计背景——————————————————————————————2 2.2设计目标——————————————————————————————3

2.3设计目的及意义———————————————————————————3

3.设计方案———————————————————————————3

3.1设计方案选择————————————————————————————3 3.2设计方案总体介绍——————————————————————————5 3.3运动循环图—————————————————————————————6 3.4结构解析——————————————————————————————6

4.理论分析与计算————————————————————————7

4.1下压角度预计算———————————————————————————7 4.2曲柄长度预计算———————————————————————————7 4.3下压行程预计算———————————————————————————7 4.4校正数据——————————————————————————————8

4.5运动轨迹模拟————————————————————————————8

5.设计过程中的亮点———————————————————————10

5.1创意上的亮点————————————————————————————10 5.2结构上的亮点————————————————————————————10 5.3绘图上的亮点————————————————————————————10

5.4团队上的亮点————————————————————————————10

6.收获与体会——————————————————————————10 7.参考文献———————————————————————————12 8.附录—————————————————————————————13

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华中科技大学机械科学与工程学院

太阳—地球—月球公转与自转演示仪

设计者：卜凡、林翰、王泽坤、刘镭

指导老师： 杨家军

（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074）

作品内容简介

太阳与月亮对我们生活影响至深，日出而作，日落而息，春种秋收，冬暖夏凉，这便是太阳、月亮及地球的天体运动产生的。然而，许多人对日地月三者的运动规律不甚了解，不知道为何有四季之分，不清楚何来潮涨潮落，更不知在地球上只能看见月亮的一面。因此，我们决定利用所学的机械知识，尤其是齿轮与齿轮系的知识去设计模拟地球自转及绕太阳的公转，月球的自转及绕地球的公转的演示仪。以期能直观反映日地月的运动规律。并设计以手动摇杆作为输入，以让学习者可以亲手操作模拟转动过程，而加深知识的印象。该演示仪可以作为天文选修课的入门学习教具，也可以供天文爱好者入门学习之用。

联系人：卜凡 联系电话： EMAIL：

2 设计任务

2.1 设计背景

公元前十一世纪，传说中国周朝建立测景台，最早测定黄赤交角。公元前七世纪，中国用土圭测定冬至和夏至，划分四季。1542年，波兰哥白尼提出太阳中心说，认为恒星天层不动，地球每天绕其轴旋转一周，并作为一个行星每年绕太阳运行一周。而近代来，随着科学技术的快速发展，天文学的成就更是日新月异，我们的目光早已投向太阳系之外的天体。我们了解并且能够精确计算漫天的星体运动，太阳系内的行星更是了若指掌。人类的足迹也已踏上了月球，机器人也已代替人登上了火星，并正向太阳系外前进。 但是，许多人却依然缺乏天文学的基本知识。莫说漫天的星辰，许多人连对我们生活影响最深的太阳、月亮和地球三者的运动规律都不甚了解。这三大星体对我们的日常生活影响最深，甚至可以说决定了我们的生活方式。但是，许多人依然懵懵懂懂，知其然而不知其所以然。但天文知识又是极其深奥和复杂，对于普通人来说，并无过多时间去深入研究。因此，我们希望通过演示仪来生动表现日地月自转与公转的过程，让人们可以直观快速地了解这些知识。

2.2 设计目标

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该演示仪可分为三大模块，太阳—地球公转模块，地球自转模块，地球—月球自转与公转模块。 太阳—地球公转模块：我们的目标在于体现太阳—地球公转的周期时间，以及表现公转的椭圆轨道，从而能解释四季变化。

地球自转模块：我们的目标在于表现地球自转周期时间，以及黄赤交角，从而解释昼夜变化，并进一步解释四季变化。

地球—月球自转与公转模块：我们的目标在于表达月球公转的周期时间，以及公转与自转速度一致的事实，从而解释潮汐的起落和为何我们只能看见月球的一面。

2.3 设计目的及意义

我们的目的是通过机械设计来仿真出日﹑地﹑月三者在宇宙空间各时刻的相对位置,并能形象地表明地球﹑月亮的运动状态,科学地解释由此产生的各种自然现象。使学习者通过该演示仪之演示，可轻松地了解这些基本知识。且特意将演示仪设计为手动操作，可快可慢，由学习者自己掌握，因而学习者可直接观察运动全过程。可玩性强，可提高学习效率。

3 设计方案

3.1 椭圆运动设计方案选择

1）连杆机构椭圆规方案

连杆机构椭圆规方案的机构运动简图：

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如图，将输入的力作用于连杆OM上，则偏离M点的P点可画出椭圆的轨迹。但这种方案无法设计不同的传动比，因而无法调整公转和自转的速度。

2）行星轮机构椭圆规方案

如图，将输入的力作用于连杆，齿轮Z2上的B点画出椭圆轨迹。且齿轮Z2可继续传动，以此可实现一输入多输出，保证公转和自转的传动比。

3）椭圆运动设计方案选择

上述两种方案均可实现椭圆运动，但我们希望能实现一输入多输出，并将日地月的传动比通过机构固定。因此，我们选择行星轮机构椭圆规方案。且该方案相比连杆机构椭圆规方案更简单，装配更容易。

3.2总体设计方案的优化过程 1）简单连杆机构方案 简单连杆机构方案的机构图：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dvv3.html