无碳小车设计说明书-大学生工程训练综合能力竞赛.doc

第三届省大学生工程训练综合能力竞赛(荣获S形组省赛一等奖)无碳小车设计说明书 一、概要3二、分析3三、原理设计41、驱动机构42、转向机构53、后轮差速5四、参数设计61、轨迹设计62、转角设计63、带轮设计74、小车部分零件的设计8（1）拨盘8（2）转向轮销9（3）转向轮槽零件图：11（4）皮带轮12（5） 转向轴13实体图：13 （6）转向连杆14（7） 拨槽15（8） 拨槽加工工艺分析16（9）齿轮17（10）底板19（11）后驱动轴零件图:20五、小车装配完成图片21“无碳小车”设计说明书一、概要此次无碳小车的设计主要是利用重物下落的重力势能作为原动力，来驱动小车前进以及使小车能按规定绕开障碍物。重物质量M=1kg，下落高度H=400mm，每个障碍物之间隔0.9米、1米、1.1米。二、分析1、 为使得小车能够行走，首要解决的就是小车驱动，要设计小车的驱动机构；2、 为使得小车能够转弯，并能够绕开等距离的障碍物，所以要设计一个能够走S形路线的周期性的转向机构；3、 由于只有一个动力源，所以还要设计一套小车的传动机构；4、 为了使得小车能够顺利转弯，还要解决小车后轮的差速问题。三、原理设计1、驱动机构 图1左侧部分为我们的驱动简图，考虑到小车的启动时需要较大的启动力矩，同时为使得重物的重力势能能够尽可能大地转化到有利小车行走的方面，与重物下落连线驱动圆锥滚筒设计成为如图所示，再考虑，为使得小车走的路程要长，所以，重物下落的行程要经过一对直齿圆柱齿轮放大。所以，传动流程：重物圆锥滚筒大齿轮小齿轮后驱动轮2、转向机构 图2为小车的前轮转向部分，为使得小车能够绕开定距离的障碍物，小车前轮转向要设计成具有周期性摆动的转向机构。故，转向机构设计成正弦机构。前轮的动力来源：重物圆锥滚筒带轮1带轮2转向拨盘转向轮带轮带动拨盘转动，拨动转向轮上的转向槽前后摆动，这样即可以带动前轮的左右摆动。3、后轮差速 总所周知，汽车为了顺利拐弯，后轮必须要有差速器，而我们小车也一样，拐弯时候也必须解决后轮的差速问题。但汽车上面的那种差速装置直接利用在我们小车上面，有两点不合适： 差速器结构复杂，加工困难，除非买现成的，但是现成的的差速器尺寸又往往很难满足我们的要求； 如果买现成的，就降低了这次“无碳小车”的设计意义。我们小车后轮的解决采用单向轴承，左右后轮轮毂里面各嵌一个，驱动原理类似三轮车，但比三轮车更好。四、参数设计 为使得小车行走的轨迹是正弦路线，理论上最佳的正弦曲线应该是：周期为2000，幅值为半个车身宽度。但考虑到加工误差以及一些暂不可预知的原因，我们对幅值做了修正，就是：幅值=1/2车身宽度+安全距离；1、轨迹设计 如图3，设曲线轨迹方程Y=A*cos(*X)小车总宽为230，安全距离取50，曲线幅值为A=165；周期T=2000,则=;则轨迹曲线方程为：Y=165*cos（）;2、转角设计小车的最大转角应该为轨迹曲线相对X轴方向的最大倾斜角：求导：Y=*sin();最大摆角=arctan()=27.43如图4为控制摆角最大值的装置：拨盘和连杆，尺寸设计如图：3、带轮设计如图1，小车的后轮直径为D=150，齿轮传动比为i=50/17；小车正好通过两个障碍物为摆角摆动一周期，这样，反应到小车的尺寸设计上面为后轮转过某一圈数，前轮刚好摆动一个周期；而后轮转过的圈数即为小车前进的路程S：S=利用MATLAB编程求解：syms x z y1 S;y1=(165*pi/1000)*sin(pi*x/1000);z=sqrt(1+y1.2);S=int(z,0,2000);S=vpa(S,7)S = 2128.244所以一个周期，小车前进路程为 S=2128.244mm后轮周长 C=*D=471.238mm一个周期，带轮1转过圈数 N1=N/i=1.535（圈）则，带轮2转过1圈，可求得带轮直径比 D1：D2=1：1.535 取 D1=13mm D2=20mm4、小车部分零件的设计 （1）拨盘 实体图：零件图：一、零件的分析 零件的作用拨盘，重物下落的竖直向下运动，通过带轮传动到拨盘，使得拨盘做圆周运动，拨盘的上的拨销拨动滑槽，使得拨盘的回转运动变为滑槽的来回运动。 零件的工艺分析拨盘中的重要部位为拨销相对拨盘中心的距离16.1，这个距离和前轮转向角度直接关系；以及拨销的直径4，这个直径与滑槽直接配合，过大过小都会影响到装配问题和路线的不确定性。其他都为一般加工。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 零件的材料选定为铝棒，选择铝棒为拨盘材料主要是其密度较小，质量轻，可以减轻小车整体的重量，且小车整体重量不大，受载荷较轻，选择铝棒，其切削性能好。 选择基准以拨盘中心孔5的轴线为基准，加工拨盘外圆时以此轴线为基准，确保同轴；加工拨销时，亦以此轴线为基准。 制定工艺路线 制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求达到相应的要求。工序1 ：将毛胚（直径大于40的铝棒）装夹在车床上； 工序2：车削毛胚使其直径为400.1； 工序3：在圆柱中心钻一 的孔； 工序4：量取16.1的长度后，切下圆盘； 工序5：以5孔的轴线为基准，钻一距离其16.1的孔； 工序6：车一长为18，直径的销； 工序7：紧配合圆盘和销。 （2）转向轮销 一、零件的分析 零件图：转向轮销轴为中间轴，起到支撑转向轮的作用，转向轮销轴和内径为8的轴承配合，而轴承外圈则是和转向轮固定紧配合，从而将转向轮固定在前叉的中间为止，防止转向轮的左右串动。 零件的工艺分析转向轴有两个重要的加工部分，一个为8的轴颈，一个为攻螺纹的6轴颈。加工10的轴颈是为了挡住轴承的内圈，防止轴承的轴向串动。对于8的轴颈技术要求：与轴承内圈配合，轴承属于标准的精密零件，查表表2.30和表2.8（互换性与技术测量 主编 邢闽芳）可以知道轴颈为8j5要精密工具进行加工并进行校验查表2.36（互换性与技术测量 主编 邢闽芳）可知道与轴承内圈配合的8轴颈的表面粗糙度为R=0.8um为了实现定位套筒可以顶到轴承内圈，从而实现轴承在转向销轴上的定位，要求8轴颈的轴向长度小于轴承的宽度，即设计为4mm。对于6轴颈的技术要求：使得8的轴颈在此处为工艺轴肩，实现轴承的安装方便。在6轴颈上加工出M6的外螺纹，从而可以通过螺纹连接来实现转向销在前叉中的定位。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 由于此处作用力较大，要求销轴刚度较大，因此采用45钢材原料制作。且由于尺寸规格较小，质量因素不大。 选择基准8的轴颈为重要的加工部位，它与轴承内圈配合，因此以8的轴颈的轴线作为加工及测量的基准。 制定工艺路线工序1：车削钢轴直径为14，总长为33.5mm工序2：在轴的一端加工直径为10，长度为25.5mm工序3：在工序2的基础上，再将轴的一端车成直径为8，长度为17.5mm工序4：在工序3的基础上，再将轴的一端车成6的直径，长度为13.5mm工序5：在6的轴颈上加工M6的外螺纹。 （3）转向轮槽零件图：一、零件的分析 零件的作用转向轮的支撑架，为转向轮的安装提供位置，是旋转轴和转向轮的连接部分。 零件的工艺分析转向槽中12的孔和10的孔要求对心，在转向槽中攻M10的内螺纹孔，深度为14mm，要求12的孔的轴线和M10的螺纹孔的轴线保证垂直度。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 零件的材料选定为铝块，选择铝块为转向轴材料主要是其密度较小，质量轻，可以减轻小车整体的重量，且小车整体重量不大，受载荷较轻，选择铝块，其切削性能好。 选择基准选择M10的轴线为基准，加工17的凸沿，并在转向槽中加工槽，钻10和12的孔 制定工艺路线工艺1：在铣床上，将铝块铣成长x宽x高尺寸为57x17x20。保证六个平面的平行度及侧面间的垂直度工艺2：将铣好的铝块夹紧于车床中，车出17的直径，长度为7 凸沿台。并在此端面上攻M10的内螺纹。工艺3：在铝块的一个侧面钻10的孔，不要钻通，只要钻一半的长度，在这个侧面的对面再钻一个12的孔，深度为铝块宽度的一半工艺4：在工艺3的基础上铣出长x宽x高为37x10x17的方孔。 （4）皮带轮零件图： 一、零件的分析 零件的作用 皮带轮起到传动作用，通过皮带传动，实现转向机构的驱动，并由前后两个皮带轮的直径比确定转向机构的摆动幅度，从而控制转向机构。 零件的工艺分析 皮带轮中20的直径尺寸为关键尺寸，它的尺寸决定了，转向轮的最大摆角，直接关系到小车轨迹的周期及曲线形状。要求尺寸达到较高的精度。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式由于负载较轻，故采用密度较小的，且强度可以满足要求的尼龙棒材料。 选择基准选择20的轴线为基准。 制定工艺路线 工艺1：将尼龙棒夹紧于车床的卡盘上，并将尼龙棒的一端直径车成25，长度为22工艺2：在工艺1的基础上将一端车成直径为10长度为10的轴颈工艺3：在25的轴颈上加工出20的槽，要求尺寸精度达到较高的标准。工艺4：在轴向用钻头开一个6的光孔。工艺5：换把刀具，将皮带轮切割下来，长度为20工艺6：在10的轴颈上攻一个M5的内螺纹孔，用来打紧定螺钉。 （5） 转向轴实体图：零件图： 一、零件的分析 零件的作用旋转轴，接受由转向连杆的力，从而实现转向轴绕着其轴线作旋转运动，从而带动转向轮作旋转运动，进而实现小车在行驶过程中变更方向，躲避障碍物。 零件的工艺分析转向轴中有两个重要的加工面，即两个直径为8的轴颈，这两个轴颈是和轴承配合，通过轴颈和轴承内圈的紧配合，把轴颈的力传给轴承内圈，再传给转向塞，传递到车身板上，从而实现支撑车身的作用。在转向轴10的部分加工出M10的外螺纹。其余轴颈部分为一般的加工。对于两个直径为8的轴颈有相应的技术要求：与轴承内圈配合，轴承属于标准的精密零件，查表表2.30和表2.8（互换性与技术测量 主编 邢闽芳）可以知道轴颈为8j5要精密工具进行加工并进行校验查表2.36（互换性与技术测量 主编 邢闽芳）可知道与轴承内圈配合的8轴颈的表面粗糙度为R=0.8um在10的轴颈部分加工一个M10的外螺纹，长度为12mm，尺寸公差为一般公差。 二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 零件的材料选定为铝块，选择铝块为转向轴材料主要是其密度较小，质量轻，可以减轻小车整体的重量，且小车整体重量不大，受载荷较轻，选择铝块，其切削性能好。 选择基准以两个与轴承内圈配合的8轴颈的轴线为基准，在加工其余轴颈时候，以8轴线为基准，确保同一基准。 制定工艺路线 制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求达到相应的要求。工序1 ：在轴的两端面圆的圆心处攻两个定位孔，便于用顶尖把轴支撑起来。 工序2：先把铝轴加工成直径为10，公差控制在内，长度为25 工序3：车削8的轴颈，长度为5 工序4：车削7的轴颈，分别长度为15mm和40mm 工序5：车削6的轴颈，保证转向轴的总长为104mm 工序6：在10的轴颈处攻M10的 工序7：用磨床打磨8的轴颈，控制其直径的公差为，表面粗造度为0.8，并通过相应的仪器校核 （6）转向连杆零件图：一、零件的分析 零件的作用 转向连杆连接旋转轴和拨槽，将拨槽的力传给旋转轴，从而实现转向轮的来回摆动，也从而实现小车的“s”形曲线轨迹，成功的壁障。 零件的工艺分析 在转向连杆中10的孔和6的孔之间的距离41mm为重要尺寸，关系到转向轮的最大摆动角，因此加工时候要精确的调整尺寸到符合要求。在转向连杆上10的孔为与杯式轴承配合，因此要求尺寸精度较高，10。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 零件的材料选定为小铝块，选择铝块为转向轴材料主要是其密度较小，质量轻，可以减轻小车整体的重量，由于拨动拨槽所需要的力并不大，因此在满足刚度要求的前提下我们选择了铝材料。 选择基准先铣出一个长55，宽度15，高为7的小铝块，确保六个平面的平面度及相邻侧面间的垂直度。之后再以其中长宽的平面为基准，画出两个孔的中心来。 制定工艺路线工艺1：在铣床上铣出一个长x宽x高的尺寸为55x15x7的小铝块，保证小铝块的六个平面的平面度和相邻侧面的垂直度。工艺2：在小铝块上刻画出两个孔的中心位置工艺3：在钻床上加工出10和6的孔 （7） 拨槽零件图 一、零件的分析 零件的作用拨槽本身可以绕自己的轴线旋转，拨销在拨槽内滑动，可以使拨槽带动转向连杆来回反复摆动，从而实现转向轮的转向功能。 零件的工艺分析5的轴颈和杯式轴承配合，要求为紧配合，要求加工尺寸精度较高。加工7的轴颈是为了形成轴肩，顶住轴承的内圈。R2.1的延长孔和拨销轴配合，要求拨销可以在孔内任意滑动，但两者之间的间隙要尽可能小，避免返回过程形成空行程，不能及时的更改转向轮的转向。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 拨槽和拨销轴配合，由于存在较大的弯矩，因此应选择刚度较大的材料，由于拨槽尺寸规格较小，故采用45钢材 选择基准 选择5的轴颈的轴线为基准。 制定工艺路线 制定工艺路线制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求达到相应的要求。工序1：在车床上车出直径为8长度为56的轴颈工序2：在工序1的基础上，由轴的端面加工直径为7长度为11的轴颈工序3：由轴的端面开始加工直径为5长度为6的轴颈，此处轴颈与轴承内圈配合，尺寸精度要求较高。工序4：取下拨槽，在铣床上加工与拨销配合的延长孔。此处要求尺寸精度高，表面光滑，使得拨销轴可以在拨槽中顺利移动，从而实现拨槽移动，进而带动转向连杆的转动，实现转向轮的转向。 （8） 拨槽加工工艺分析零件图 一、零件的分析 零件的作用拨槽本身可以绕自己的轴线旋转，拨销在拨槽内滑动，可以使拨槽带动转向连杆来回反复摆动，从而实现转向轮的转向功能。 零件的工艺分析5的轴颈和杯式轴承配合，要求为紧配合，要求加工尺寸精度较高。加工7的轴颈是为了形成轴肩，顶住轴承的内圈。R2.1的延长孔和拨销轴配合，要求拨销可以在孔内任意滑动，但两者之间的间隙要尽可能小，避免返回过程形成空行程，不能及时的更改转向轮的转向。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 拨槽和拨销轴配合，由于存在较大的弯矩，因此应选择刚度较大的材料，由于拨槽尺寸规格较小，故采用45钢材 选择基准 选择5的轴颈的轴线为基准。 制定工艺路线 制定工艺路线制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求达到相应的要求。工序1：在车床上车出直径为8长度为56的轴颈工序2：在工序1的基础上，由轴的端面加工直径为7长度为11的轴颈工序3：由轴的端面开始加工直径为5长度为6的轴颈，此处轴颈与轴承内圈配合，尺寸精度要求较高。工序4：取下拨槽，在铣床上加工与拨销配合的延长孔。此处要求尺寸精度高，表面光滑，使得拨销轴可以在拨槽中顺利移动，从而实现拨槽移动，进而带动转向连杆的转动，实现转向轮的转向。 （9）齿轮零件图：一、零件的分析 零件的作用 齿轮传动，实现动力的传递。齿轮间的传动实现传动比的放大作用，从而使得小车走得更远的路程。 零件的工艺分析 齿面加工前的齿轮毛坯加工，在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。因为齿面加工和检测所用的基准必须在此阶段加工出来，同时齿坯加工所占工时的比例较大，无论从提高生产率，还是从保证齿轮的加工质量，都必须重视齿轮的毛坯的加工。在这一加工过程中应注意以下三个问题：1) 当以齿顶圆作为测量基准时，应严格控制齿顶圆的尺寸精度；2) 保证定位端面和定位孔或外圆间的垂直度；3) 提高齿轮内孔制造精度，减少与夹具心轴的配合间隙。二、工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 选择铝块为加工材料，由于传动的力并不很大，因此采用铝块可以满足刚度要求，同时铝制品可以减轻车身的质量，从而使车可以轻松的运行。 选择基准对于空心轴，在中心内孔钻出后，用两端孔口的斜面定位；孔径大时则采用锥堵。顶点定位的精度高，且能作到基准重合和统一。对带孔齿轮在齿面加工是常采用一下两种定位、夹紧方式。1） 以外圆和端面定位，当工件和加剧心轴的配合间隙较大时，采用千分表校正外圆已确定中心的位置，并以端面作为轴向定位，从另一端面夹紧，同时对齿坯的内、外圆同轴要求高，而对夹具精度要求不高，故适用于单件、小批生产。综上所述，为了减少定位误差，提高齿轮加工精度，在加工时应满足以下要求：1. 应选择基准重合、统一的定位方式；2. 内孔定位时，配合间隙应近可能减少；3. 定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来，以保证垂直度要求。2、齿轮毛坯的加工。 制定工艺路