无碳重力势能小车设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 通过对第二届全国大学生工程训练参赛作品“ 无碳重力势能小车”的 分析。发现小车在设计方面存在不足。为了改进小车的不足之处，对小车的结构部分进行重新设计。通过每一阶段的深入分析把设计尽可能向最优设计靠拢。 根据小车功能要求，把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块，进行模块化设计。首先针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。确定的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮、转向机构采用曲柄摇杆、行走机构采用单轮驱动 实现差速、微调机构采用微调螺母。然后对方案进行理论分析，综合考虑零件材料性能、加工工艺等，进而得出了小车的具体参数，和运动规律。 关键字 ： 工程训练；参赛作品；重力势能小车； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 on in In to of a of of of as to to to of a a a a of of a by a to by 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 车功能设计要求 . 1 车的设计方法 . 1 第 2 章 方案设计 . 2 块支架 . 3 动机构 . 3 动机构 . 4 向机构 . 5 走机构 . 6 调机构 . 7 第 3 章 技术设计 . 8 响小车性能主要因素的分析 . 8 耗规律分析 . 8 动学分析 . 10 力学分析 . 14 第 4 章 典型零件的设计及强度校核 . 16 主动齿轮的设计 . 16 主动齿轮的强度校核 . 17 轮的设计计算 . 17 第五章 典型零件加工工艺的分析及编写 . 20 动轴加工工艺分析 . 20 件结构及其工艺性分析 . 20 件技术要求分析 . 20 驱动轴加工工艺编写 . 21 结论 . 22 致谢 . 23 附录 . 24 参考文献 . 299 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 . I . . 4 ar . 4 ar . 4 . 2 . 3 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 of . 8 . 8 . 8 . 14 . 16 . 16 . 17 . 17 . 20 . 20 of . 20 . 20 . 21 . 22 . 23 . 24 . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪论 车功 能设计要求 给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔 1 米，放置一个直径 20 200弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。 给定重力势能为 5 焦耳（取 g=10m/竞赛时统一用质量为 1重块 （ 5065 通碳钢）铅垂下降来获得，落差 500 2块落下后，须被小 车承载并同小车一起运动，不允许掉落。 要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。 小车要求采用三轮结构（ 1 个转向轮， 2 个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为 60 20 实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于 750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。转向轮最大外径应不小于 30 车的设计方法 小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析得到了比较清晰开阔的设计思路。设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。 小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上考虑优化设计 、系统设计等现代设计理论方法。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 第 2 章 方案设计 通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（ 车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。设计图框如图 2 2设计步骤 在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 图 2方案选择 块支架 车架不用承受很大的力，精度要求低。但考虑到重量以及小车转弯时产生的离心力造成重块晃动从而使小车不稳定等，重块支架采用铝合金制作成三角底板式。 动机构 原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。 1. 驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 2. 到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。 3. 由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一 样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。 4. 机构简单，效率高。 图 2绕线轴 基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的锥形螺旋槽原动机构。如上图可以通过改变绳子绕在绕线轴上不同位置来改变其输出的动力。 动机构 传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简 单重量轻等。 1. 不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。 2. 带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点，但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。 3. 齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 向机构 转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，同时还需要有 特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的周期回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构 +摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄滑块等等。 凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。 优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便。 缺点：凸轮轮廓加工比较困难。 在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失 大（滑动摩擦）因此不采用 曲柄连杆 +摇杆 优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。 缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的 构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。 在小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大，故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。 曲柄摇杆 结构较为简单， 但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低 且急回特性导致难以设计出较好的机构。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 综合上面分析我们选择曲柄连杆 +摇杆作为小车转向机构的方案。 走机构 行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。 有摩擦理论知 道摩擦力矩与正压力的关系为 文献 7 对于相同的材料 为一定值，滚动摩擦阻力 R 文献 7所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。 由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。 双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。 双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承 来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。 单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为主动轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与主动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度 比利用单向轴承高。 综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，采用单轮驱动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 调机构 一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用曲柄连杆 +滑块方案，并且曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹。 微调机构可以采用微调螺母式如图 2 2转向机构 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 第 3 章 技术设计 技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。 响小车性能主要因素的分析 通过对小车的能耗规律、运动学、动力学进行分析，可以实现小车的优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。 耗规律分析 为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为 1 ，即小车能量的 传递效率为 。小车轮与地面的摩阻系数为 ，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有 311ii m g m g 总文献 1式中 为第 i 个 轮子对地面的压力 为第 i 个轮子的半径 为第 i 个轮子行走的距离 总m 为小车总质量 为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从 方面考虑。 由文 献 10知道一般材料的滚动摩阻系数为 。图 3当车轮半径分别为 （ 22270摩阻系数分别为 .小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图。 由图 3知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。 同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。 图 3当摩阻系数为 轮半径依次增加 10的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图。 图 3 3文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 由图 3知当小车的半径每增加 1车便可多前进 1m 到 2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。 图 3 运动学分析 涉及的物理量： R 驱动轮半径 i 齿轮传动比 1a 驱动轮 A 与转向轮横向偏距 2a 驱动轮 B 与转向轮横向偏距 d 驱动轴（轴 2）与转向轮中心距离 b 曲柄轴（轴 1）与转向轮中心距离 r 曲柄的旋转半径 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 c 摇杆长 l 连杆长 2r 绕线轴的半径 图 3a、驱动： 当重物下降 ，驱动轴（轴 2）转过的角度为 d 2 ， 则有 2 2r 文献 1则曲柄轴（轴 1）转过的角度 21 dd i 文献 1 小车移动的距离为（以 A 轮为参考） 2 d 文献 1 b、 转向： 当转向杆与驱动轴间的夹角 为时，曲柄转过的角度为 1 则 与 1 满足以下关： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 2 2 2 2 2 21 1 1(1 c o s ) ( s i n ) c o sI c b c r 文献 1 解上述方程可 得 1 与 的函数关系式 1()f 文献 1 c、小车行走轨迹 只有 A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度 时， 则小车转弯的曲率半径为 1a 文献 1 小车行走 程中，小车整体转过的角度 文献 1 当小车转过的角度为 时，有 s o sd x d sd y d s d、小车其他轮的轨迹 以轮 A 为参考，则在小车的运动坐标系中， B 的坐标、 C 的坐标 12( , 0 )B a a( , )C a d 在地面坐标系中，有 1212( ) c o s( ) s i x a ay y a a 11c o s s i nc o s s i x a dy y d a 整理上述表达式有： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 222122 2 2 2 2 21 1 111121211(1 c o s ) ( s i n ) c o s()t a ns i nc o s( ) c o s( ) s i nc o s s i nc o s s i s R dI c b c x d sd y d sx x a ay y a ax x a dy y d a 求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参数的到了小车运动轨迹如图 图 3文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 力学分析 a、驱动 重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为 T ，有 ()T m g a 文献 11 产生的扭矩 2 2 1M T r 文献 11 式中 1 考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。 驱动轮受到的力矩 曲柄轮受到的扭矩 1M ， 驱动轮 A 受到的压力， 驱动轮 A 提供的动力，有 1 22A 文献 11式中 2 考虑到摩擦产生的影响而设置的系数 A A F R 文献 11 b、转向 假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为大小可由赫兹公式求得 221212111()文献 9 2 b 由于 b 比较小 ，故 214 对于连杆的拉力 11rc l 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 1 2(1 c o s )a r c s i n2 c o sc cc l 21c o s s i c c 12s i n ( ) c c、小车行走受力分析 设小车惯量为 I ，质心在则此时对于旋转中心 O 的惯量为 I 2 213 ( ) m a a 文献 11 2 21 1 2( ) ( )c A I a F a d a 小车的加速度为： 整理上述表达式得： 2Aa 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 第 4 章 典型零件的设计及强度校核 主动齿轮的设计 主动齿轮设计如图 4 4文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 主动齿轮的强度校核 轮的 设计计算 1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （ 1）按 传动方案，选用直齿圆柱齿轮 （ 2）选用 7 级精度 （ 3）材料选择。由参考文献 9表 10 1 选择大齿轮材料为 合金，硬度为 280齿轮材料为黄铜，硬度为 280 4）选大齿轮齿数 20，小齿轮的齿数为 0 2 按齿面强度设计 (1) 确定各式计算数字 试选载荷系数 2 1） 计算小齿轮传递的转矩。 大齿轮传递的转矩 41 6 . 6 7 1 1 0 N m 2） 由参考文献 10查得，大齿轮做悬臂布置，选取齿宽系数d 。 3） 由参考文献 10查得，铝合金的弹性影响系数 126 0 0 M P 4） 由参考文献 10查得，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳极限li m 1 6 0 0 M P ；大齿轮的接触疲劳极限l i m 2 5 5 0 M P 。 5） 计算应力循 环次数 7116 0 6 0 9 0 1 ( 3 0 0 8 1 ) 1 . 3 0 1 0hN n j L 9 624 . 3 3 5 1 0 3 . 2 4 1 04N 6） 由参考文献 10查得，接触疲劳寿命系数1 ；2 7） 计算接触疲劳需用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1 1 l i m 11 1 . 0 6 0 0 M P a 6 0 0 M P S 2 l i m 22 1 . 1 8 5 5 0 M P a 6 4 9 M P S 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 （ 2）计算 1）试算大齿轮分度圆直径 入H中较小的值。 2）计算圆周速度 v 11 9 0 9 0 m / s 0 . 4 2 3 9 m / 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 3）计算齿宽 b 1 0 . 6 9 0 3 6d m m 4）计算齿宽与齿高之比 模数 1190 0 . 7 5 m z 齿高 2 . 2 5 2 . 2 5 0 . 7 5 m m 1 . 6 8 7 5 m 36 211 7 5 5）计算载荷系数。 根据 0 3 9 m / ， 7 级精度，查得动载系数 v ，直齿轮1； 由参考文献 9查得使用系数 ； 由参考文献 9用插值法查得 7 级精度， 。 由 ， ，由参考文献 10查得 ；故载荷系数 1 . 7 5 1 . 0 1 1 1 . 3 5 1 2 . 3 8 6A V H K K K 6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 3311 2 . 3 8 69 0 9 5 m 7）计算模数 m 2 421 3312 1 2 2 6 . 6 7 1 1 0 4 1 6 0 0 2 . 2 1( ) 9 0 m 6 4 6 0 0t 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 1195 0 . 7 5 m z 3几何尺寸计算。 表 3 直齿圆柱齿轮传动计算结果 名称 符号 计算公式 小齿轮 大齿轮 模数 m 数 z 1z=301z =120变位系数 x 1=0 1 2 1 2 2 t a n ( ) ( z )zi n v x x i n v 0 分度圆直径 d 112 2 m z2290d 中心距 a 12( ) 2 1 1 2 . 5a d d 齿顶高 *11( ) 5 . 8 9 6h x y m *22( ) 8 . 2 9 6h x y m 齿根高 *1 ( ) 0 . 9 3 7 5h c m *2 ( ) 0 . 9 3 7 5h c m 齿顶圆直径 /1 1 12 2 4d h /2 2 22 9 1 . 5d h 齿根圆直径 /1 1 12 2 1 . 5d h /2 2 22 8 9 . 5d h 齿轮宽度 B 0 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 第 5 章 典型零件加工工艺的分析及编写 动轴加工工艺分析 驱动轴是无碳小车的一个典型零件，它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。该轴按给定的生产纲领 600 件 /年，则生产批量为 50 件 /月，生产类型属于中批生产。而生产 类型的不同，则其工艺特征也不同，则该驱动轴的工艺应结合中批生产的工艺特征来考虑。 件结构及其工艺性分析 该轴为细长小台阶轴，由外圆柱面、螺纹和键槽组成，结构比较简单，但长径比 L/d12 属挠性轴，刚性差，工艺性差，加工时极易造成弯曲变形 ，但可以使用中心架来防止其变形，能够保证以高生产率和低成本制造。 件技术要求分析 1. 尺寸精度 该轴的主要尺寸精度要求在几处台阶轴处，即安装轴承和安装齿轮的部位，精度较高，均是 6 级精度，过渡配合。可通过在 精度磨床上磨削加工，均能保证其要求。 2. 形状与位置精度分析 该轴没有形状精度要求，只有 3 处阶梯轴段对两处基准的径向圆跳动的要求，属位置精度要求，精度较高，最高值为 该轴长径比比较大，属细长轴类零件，该径向圆跳动要求属于加工关键，加工时应优先考虑基准统一的 原则，可通过以两端中心孔为工艺基准（精基准）和中心架来保证其圆跳动的位置精度要求；两处键槽的对称度要求较高，为 普通铣床上很难保证，应使用数控铣床来完成，但必须以两端中心孔为工艺基准再辅以千斤顶做辅助支撑。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 3. 表面粗糙度分析 表面粗糙度最低值为 求不高，通过磨削可以保证。 4. 零件选材及热处理分析 该轴虽属台阶轴，但外圆直径尺寸相差不大，且强度要求不高，毛坯选用棒料即可。该轴选用了比较常用的 45 圆钢，切削性能良好，加工时不需采取特殊工艺措施，刀具材料选择范 围较大，高速钢或 硬质合金均可。选材合理。热处理调质硬度 170易达到。 驱动轴加工工艺编写 驱动轴加工工艺卡片详见附录 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 结论 从对试制的样品小车进行反复实验来看小车的优点： （ 1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少。 （ 2）多处采用微调机构，便于纠正轨迹，