无碳重力势能小车设计（另有全套图纸） .pdf

本科毕业设计（论文）通过答辩 i 摘摘要要 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； 本科毕业设计（论文）通过答辩 ii abstract based on the second national college engineering training entries carbon-free gravitational potential energy car analysis. find cart in the design deficiencies. in order to improve the deficiency of the trolley car, a portion of the structure redesign. through each phase of the in-depth analysis of the design as possible to move closer to optimal design. according to the functional requirements of the trolley car, divided into frame, driving mechanism, a transmission mechanism, a steering mechanism, a walking mechanism, a fine adjustment mechanism of six modules, modular design. first, for each module performs multiple design, through comprehensive comparison and choose the optimal scheme of combination. determining the scheme are: frame with triangular bottom plate type, motive mechanism adopts a conical shaft, the drive mechanism adopts gear, steering mechanism with crank rocker, walking mechanism driven by a single wheel to achieve differential, fine tuning mechanism by fine adjustment nut. then the scheme theory analysis, considering the parts and materials properties, processing technology, and then the specific parameters, and movement rules. keywords:engineering training; entries; gravitational potential energy; 本科毕业设计（论文）通过答辩 iii 目目录录 摘要.i abstract.ii 第 1 章 绪论.1 1.1 小车功能设计要求.1 1.2 小车的设计方法.1 第 2 章 方案设计. 2 2.1 重块支架. 3 2.2 原动机构. 3 2.3 传动机构. 4 2.4 转向机构. 5 2.5 行走机构. 6 2.6 微调机构. 7 第 3 章技术设计.8 3.1 影响小车性能主要因素的分析.8 3.1.1 能耗规律分析.8 3.1.2 运动学分析.10 3.1.3 动力学分析.14 第 4 章 典型零件的设计及强度校核. 16 4.1主动齿轮的设计.16 4.2主动齿轮的强度校核.17 4.2.1 齿轮的设计计算.17 第五章 典型零件加工工艺的分析及编写.20 5.1 驱动轴加工工艺分析.20 5.1.1 零件结构及其工艺性分析.20 5.1.2 零件技术要求分析. 20 5.2驱动轴加工工艺编写.21 结论.22 致谢.23 附录.24 参考文献.299 本科毕业设计（论文）通过答辩 iv catalog chinese abstract. i abstract. ii first chapter introduction.4 1.1 car functional design repuirements.4 1.2 car design method.4 the second chapter scheme design.2 2.1 a heavy block bracket.3 2.2 driving mechanism.3 2.3 transmission mechansim.4 2.4 steering mechansim. 5 2.5 walking mechansim. 6 the third chapter technical design.7 3.1 analysis of the factors affecting the performance car.8 3.1.1 energy dissipation analysis.8 3.1.2 kinematic analysis.8 3.1.3 dynamics analysis. 14 the fourth chapter typical part desgin and strength check.16 4.1 driving gear desgin.16 4.2 driving gear strength. 17 3.1.3 dynamics analysis. 17 the fifth chapter typical part machining analysispreparationof.20 5.1 drive shaft processing technology analysis.20 5.1.1 parts of the structure and process analysis.20 5.1.2 technical requirements of. 20 5.2 drive axle processingpreparation.21 conclusion.22 thank.23 appendix.24 reference.29 本科毕业设计（论文）通过答辩 1 第 1 章 绪论 1.1 小车功能设计要求 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 20mm、高 200mm 的弹性障 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/s2） ，竞赛时统一用质量为 1kg 的重 块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 5002mm，重块落下 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6020 mm 的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 30mm。 1.2 小车的设计方法 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。 本科毕业设计（论文）通过答辩 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 2-1 图 2-1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。 本科毕业设计（论文）通过答辩 3 图 2-2方案选择 2.1 重块支架 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。 2.2 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。 本科毕业设计（论文）通过答辩 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 2-1-1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。 2.3 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。 本科毕业设计（论文）通过答辩 5 2.4 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，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。 本科毕业设计（论文）通过答辩 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。 2.5 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 mn 文献7 对于相同的材料为一定值，滚动摩擦阻力 mn f rr 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。 本科毕业设计（论文）通过答辩 7 2.6 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 2-6-1 图 2-6-1转向机构 本科毕业设计（论文）通过答辩 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。 3.1 影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。 3.1.1 能耗规律分析 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 3 1 1 i i i n i i n smgh r nm g 总 文献1 式中 i n为第 i 个轮子对地面的压力 i r为第 i 个轮子的半径 i s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 1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.小车能 量转换效率。四方面考虑。 由文献10知道一般材料的滚动摩阻系数为 0.1-0.8 间。图 3-1-1 为当车 轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为 0.3，0.4，0.5.mm 时小 车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图。 本科毕业设计（论文）通过答辩 9 由图 3-1-1 可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计 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 3-1-2 为当摩阻系数为 0.5mm，车轮半径依次增加 10mm 时的小车行 走的距离与小车内部转换效率的坐标图。 图 3-1-1 本科毕业设计（论文）通过答辩 10 图 3-1-2 由图 3-1-2 可知当小车的半径每增加 1cm 小车便可多前进 1m 到 2m。因 此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。 图 3-1-3 3.1.2 运动学分析 涉及的物理量： r驱动轮半径 i 齿轮传动比 1 a 驱动轮 a 与转向轮横向偏距 2 a 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 本科毕业设计（论文）通过答辩 11 r曲柄的旋转半径 c 摇杆长 l连杆长 2 r绕线轴的半径 图 3-1-4 a、驱动： 当重物下降 dh 时，驱动轴（轴 2）转过的角度为 d 2 ， 则有 2 2 dh d r 文献1 则曲柄轴（轴 1）转过的角度 2 1 d d i 文献1 小车移动的距离为（以 a 轮为参考） 2 dsr 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 本科毕业设计（论文）通过答辩 12 则与 1 满足以下关： 222222 111 (1 cos)(sin)cosicbcr 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 1 tan b a 文献1 小车行走 ds 过程中，小车整体转过的角度 ds d 文献1 当小车转过的角度为时，有 sin cos dxds dyds 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)baa(, )ca d 在地面坐标系中，有 12 12 () cos () sin ba ba xxaa yyaa 1 1 cossin cossin ca ca xxad yyda 整理上述表达式有： 本科毕业设计（论文）通过答辩 13 2 2 2 1 2 222222 111 1 1 12 12 1 1 (1 cos)(sin)cos ( ) tan sin cos () cos () sin cossin cossin ba ba ca ca dh d r d d i dsr d icbcr f b a ds d dxds dyds xxaa yyaa xxad yyda 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 3-1-5 本科毕业设计（论文）通过答辩 14 3.1.3 动力学分析 a、驱动 重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为t，有 ()tm ga 文献11 产生的扭矩 221 mt 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 a m ，曲柄轮受到的扭矩 1 m ， a n 为驱动轮 a 受到的 压力， a f 为驱动轮 a 提供的动力，有 1 22a m mm i 文献11 式中 2 考虑到摩擦产生的影响而设置的系数 aaa mnf 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 c m，其大小可由赫兹公式 求得 22 12 12 1 11 () c c c n br ee 文献9 2 cc nbb 由于 b 比较小，故 2 1 4 cc mbb 对于连杆的拉力 c f，有 11 sin 2 sin r cl 本科毕业设计（论文）通过答辩 15 1 2 (1 cos) arcsin 2cos c c c l 21 cossin cccc mfc 12 sin() cc mf 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 22 13 () a iimaa 文献11 22 112 ()() cb aaaa c nn iafadaa rr 小车的加速度为： aa a 整理上述表达式得： 2 a aa rr 本科毕业设计（论文）通过答辩 16 第 4 章 典型零件的设计及强度校核 4.1主动齿轮的设计 主动齿轮设计如图 4-1-1 图 4-1-1 本科毕业设计（论文）通过答辩 17 4.2主动齿轮的强度校核 4.2.1 齿轮的设计计算 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 101 选择大齿轮材料为 ld6061 铝合 金，硬度为 280hbs，小齿轮材料为黄铜，硬度为 280hbs （4）选大齿轮齿数 z1=120，小齿轮的齿数为 z2=30 2 按齿面强度设计 (1) 确定各式计算数字 试选载荷系数2 t k 。 1） 计算小齿轮传递的转矩。 大齿轮传递的转矩 4 1 6.671 10 n mmt 2） 由参考文献10查得，大齿轮做悬臂布置，选取齿宽系数 d 0.6。 3） 由参考文献10查得，铝合金的弹性影响系数 1 2 600mpa e z 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 lim1 600mpa h ；大齿轮的接触疲劳极限 lim2 550mpa h 。 5） 计算应力循环次数 7 11 6060 90 1 (300 8 1)1.30 10 h nn jl 9 6 2 4.335 10 3.24 10 4 n 6） 由参考文献10查得，接触疲劳寿命系数 1 1.0 hn k； 2 1.18 hn k 7） 计算接触疲劳需用应力 取失效概率为 1%，安全系数 s=1 1lim1 1 1.0 600mpa600mpa hn h k s 2lim2 2 1.18 550mpa649mpa hn h k s 本科毕业设计（论文）通过答辩 18 （2）计算 1）试算大齿轮分度圆直径 d1t，代入 h 中较小的值。 2）计算圆周速度 v 11 90 90 m/s0.4239m/s 60 100060 1000 t d n v 3）计算齿宽b 1 0.6 9036 dt bdmm 4）计算齿宽与齿高之比 b h 。 模数 1 1 90 0.75mm 120 t t d m z 齿高2.252.25 0.75mm1.6875mm t hm 36 21 1.6875 b h 5）计算载荷系数。 根据0.4239m/sv ，7 级精度，查得动载系数v1.01k ，直齿轮 1 hf kk ； 由参考文献9查得使用系数1.75 a k ； 由参考文献9用插值法查得 7 级精度，大齿轮相对支撑为悬臂布置 1.351 h k 。 由，1.351 h k ，由参考文献10查得1.24 f k ；故载荷系数 1.75 1.01 1 1.3512.386 avhh kk k kk 6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 3 3 11 2.386 9095mm 2 t t k dd k 7）计算模数m 2 4 2 1 3 3 1 212 2 6.671 104 1600 2.21 ()90mm 0.64600 teh t dh k tz zu d u 本科毕业设计（论文）通过答辩 19 1 1 95 0.75mm 120 d m z 3几何尺寸计算。 表表 3直齿圆柱齿轮传动计算结果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m0.75 齿数z 1 z =30 1 z =120 变位系数x 1=0 x 2=0 x 啮合角 1212 2tan () (z )zinvxxinv 0 23.898 分度圆直径d 11 22.5dmz 22 90dmz 中心距a 12 () 2112.5add 齿顶高 * 11 ()5.896 aa hhxy m * 22 ()8.296 aa hhxy m 齿根高 * 1 ()0.9375 fa hhcm * 2 ()0.9375 fa hhc m 齿顶圆直径 / 111 224 aa ddh / 222 291.5 aa ddh 齿根圆直径 / 111 221.5 ff ddh / 222 289.5 ff ddh 齿轮宽度bb1=10b2=4 本科毕业设计（论文）通过答辩 20 第 5 章 典型零件加工工艺的分析及编写 5.1 驱动轴加工工艺分析 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。 5.1.1 零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。 5.1.2 零件技术要求分析 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 mg1320e 高精度磨床 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 0.008mm，且该轴长径比比较 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 0.01mm，在 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。 本科毕业设计（论文）通过答辩 21 3.表面粗糙度分析 表面粗糙度最低值为 ra 1.6m，要求不高，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