无碳小车实验报告.doc

_机械原理课程设计报告书 设计题目: 竞赛题目无碳小车的设计 课程名称： 机械原理课程设计 学生姓名： 学生学号： 所在学院： 海洋信息工程学院 学习专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 宫文峰 2015年 12月11日目录2第一章 概述31.1课程设计任务与目的31.1.2 课程设计任务31.2 无碳小车设计的目的与任务4第二章 选题介绍42.1选题背景、意义4第三章 总体设计53.1方案设计53.1.3传动机构63.1.4转向机构63.1.5行走机构83.1.6微调机构8第四章 运动分析104.1用解析法进行机构的运动综合与分析104.2齿轮参数的分析13第五章 设计小结13参考文献：14第1章 概述机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等有着十分重要意义。本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进行创新设计。设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案。1.1 课程设计目的与任务1.1.1课程设计目的1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入和归纳；2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神；3） 加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、综合和工艺制作等实际工作能力； 4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力；5）为将来从事技术工作打基础。1.1.2 课程设计任务结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生根据使用要求和功能分析，开拓思路，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。1.2 无碳小车设计的目的与任务设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由质量为1Kg的标准砝码（5065 mm，碳钢制作）来获得，砝码的可下降高度为4002mm。标准砝码始终由小车承载，不从小车上掉落。图1为小车示意图。小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能。第2章 选题介绍2.1选题背景、意义本设计源于6年第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”，该竞赛要求以一个指定尺寸与质量的重块为动力源，用能量的转换来取得动能，小车能依据自动转向装置来达到绕过事先安排障碍物的目的。挑战杯是“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛的简称，是由共青团中央、中国科协、教育部和全国学联、地方省级人民政府共同主办的全国性的大学生课外学术科技创业类竞赛，承办高校为国内著名大学。“挑战杯”竞赛在中国共有两个并列项目，一个是“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（大挑）；另一个则是“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛（小挑）。这两个项目的全国竞赛交叉轮流开展，每个项目每两年举办一届。“挑战杯”系列竞赛被誉为中国大学生学生科技创新创业的“奥林匹克”盛会，是目前国内大学生最关注最热门的全国性竞赛，也是全国最具代表性、权威性、示范性、导向性的大学生竞赛。随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。第3章 总体设计3.1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。经过对比各种方案的优缺点，结合实际情况选取符合合适的方案。3.1.1车架车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量影响加工难易等，车架采用铝合金制作成三角底板式。图一3.1.2原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。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。基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮滚筒式原动机构。通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力。3.1.3传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，此种方式效率高、结构最简单。但重锤很大一部分能量转换成了重锤的动能，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。因此，比较上述几种机构选择齿轮作为小车的传动机构。3.1.4转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，零部件已获得等基本条件，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来回摆动，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、曲柄摇杆、锥齿轮加曲柄摆杆机构等等。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，故连杆机构在此小车暂不考虑。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。其急回特性导致难以设计出较好的机构。锥齿轮加曲柄摆杆机构优点：结构简单、紧凑、设计方便，其急回特性能较好的解决小车较好避开距离改变的障碍物。同时可以通过改变曲率半径做成小车行驶的微调机构。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。图二3.1.5行走机构 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 对于相同的材料为一定值。而滚动摩擦阻力，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。但小车质量较小，速度不快，可以考虑不使用差速，轮可以采用双轮同步驱动。综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，轮子边缘应竟可能与地的接触面积小。 3.1.6微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。由于前面确定了锥齿轮加曲柄摆杆机构方案，由于锥齿轮加曲柄摆杆机构加工误差，安装精度等，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。微调机构可以采用下锥齿轮下的圆盘开槽，通过微调曲率半径即可。如图图三 由于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。因此我们设计了一种机构简单的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过试验比较得到最优的小车。3.2 传递路线重锤从高处往下落时，绳子拉动阶梯滚筒，带动齿轮把动力传递给驱动轮使小车往前运动。驱动轮的转动带动锥齿轮转动，锥齿轮下的转盘也跟着转动，通过摆杆往复的摆动实现导向轮周期性的摆动实现小车的转向。第四章 运动分析4.1用解析法进行机构的运动综合与分析当重物下降时，驱动轴（轴3）转过的角度为，则有则曲柄轴（a轴2）转过的角度小车移动的距离为（以A轮为参考）轴1转过的角度为b、转向：当大锥齿轮转过的角度为，曲柄转过的角度为则与满足以下关： 解上述方程可得与的函数关系式c、小车行走轨迹只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，如图：则小车转弯的曲率半径为小车行走过程中，小车整体转过的角度当小车转过的角度为时，有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的坐标在地面坐标系中，有由上述公式可知，调整曲柄长度及前轮中心到齿轮中心的水平距离可调整前轮摆角，从而可以改变小轨迹曲线的幅值；调整后轮半径R，两锥齿轮的传动比可调整小车轨迹周期长度。而传动比i3和滚筒半径R3不影响小车轨迹，影响重物下降后小车行走的路程，故其根据传动的摩擦和小车启动时所需力矩作调整，分析后I3 =2，R3=6。通过编写程序，根据实际设定后轮半径，调整各参数为R =120，e = 55，L = 93，i1 = 3，计算得到小车运动轨迹如图所示。轨迹曲线幅值为212mm，周期长度为2040mm。该方案是通过一对锥齿轮啮合传动，通过e和L来直接改变前轮摆角a的大小；整个车的结构对称平衡，保证了车行驶过程中的稳定性。但同时限制了小车两个后轮之间的距离必须大于2e，后轮间距的增加会加大车宽，因此要求轨迹曲线的幅值应足够大，以免小车绕障时撞到障碍物上。4.2齿轮参数的分析小车所受摩擦力与小车中重量成正比，因此设计过程中尽量减小尺寸，从而减轻重量。对于直齿齿轮，选取模数为1。由传动比i3=2，确定轴3上的齿轮齿数Z3 = 30，轴2上与其啮合的齿轮齿数Z2 = 15。由传动比i1 = 3，确定轴2上的锥齿轮齿数Z2 = 18，轴3上与其啮合的锥齿轮齿数Z3 = 54。第五章 设计小结 在此次课程设计中，能够把理论性的知识运用的设计中，包括我们学过的内容，如：机械原理、机械设计、工程力学、互换性技术。当然也少不少我们的据图软件，如soildworks、CAD等等，学好这些软件对我们将来的发展有巨大帮助。首先我们大家讨论确定小车的结构。在网上我们找到了一些素材，接下来我们要做的是建模，这需要用的三维建模软件solid Works，我们确定了小车的各部分结构，在转向机构的确定过程中，刚开始想了几种方案，经过对比优缺点，我们最终采用曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。在本次实验中我们得到很大锻炼，收获颇深，首先学会了设计齿轮，并且计算齿轮的参数，如：根据模数 、传动比算两个分度圆直径、齿根高、齿全高、齿宽、中心距、传动比等等。当然我们也可以用三维图画出我们所设计的无动力小车，对于soildworks有了更深层次的认识和运用。本次实验的难点是：如何设计一对啮合齿轮，如何计算齿轮参数，如何设计小车前轮的转向，如何计算转向的幅度等等。同时我们也是一个团队所以一定要有团队合作意识团队成员间相互依存、同舟共济，互敬互重、礼貌谦逊；彼此宽容、尊重个性的差异；彼此间是一种信任的关系、待人真诚、遵守承诺；相互帮助、互相关怀，大家彼此共同提高；利益和成就共享、责任共担。同时信任是合作的基础和前提，它能够提高团队合作，让大家把焦点集中在工作而不是其他议题上。需要改进几个方面：1计算参数不够完整，因为不会算。2三维图不够逼真。3没有调动好组员的积极性。4小车布局不够合理。 参考文献：1孙桓，葛文杰.机械原理（第八版）M.北京：高等教育出版社，2013