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8字形轨迹无碳小车及其转向机构设计说明书,字形,轨迹,小车,及其,转向,机构,设计,说明书
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8字形轨迹无碳小车及其转向机构 摘要此次设计的题目是“8”字形无碳小车及其转向部分的设计。设计一种小车驱动其行走及转向，所谓的“8”字形便是让小车在重物重力势能的作用下载半张兵乓球桌上绕“8”形运动，并且在运动过程中可以避开两个障碍物。本设计中无碳小车所采用的传动方案为直齿轮和连杆机构，使重物产生的重力势能所转化的动能及时传递到小车的前轮及后轮上。转向部分选取不完全齿轮和曲柄摇杆机构来控制小车前轮的周期变换方向。然后对小车所用的车轮，齿轮等非标准件进行设计和强度计算，对于标准件，设计好尺寸再通过查找资料进行选择。最后，校核小车的各个轴及轴承。经过检验本设计的无碳小车能满足预先设定的路线，既沿“8”字形路线行走又可有效的避开障碍物。最后通过本次的毕业设计的得与失，在以后的工作学习中去弥补自己的不足。关键词：无碳小车；不完全齿轮；重力势能IIAbstractThe topic of this design is 8 glyph carbon-free car and steering mechanism design. Design of a car driving the walk and turn, its energy is derived from the load from the potential energy into the kinetic energy of the car. The so-called 8 glyph is to let the car on the weight of the gravitational potential energy function to download half zhang bing pong ball table revolve around 8 form, and can avoid the two obstacles in the process of movement.This carbon-free car used in the design of the transmission scheme for spur gear and connecting rod mechanism, make the weight of gravitational potential energy into kinetic energy is passed on to the car front wheel and rear wheel in a timely manner. Steering mechanism adopts incomplete gear and the crank rocker mechanism to control the car front wheel cycle changes of direction. And then used for the car wheel, gear and other non-standard design and strength calculation, the standard parts, design good measure by looking for information to choose again. Finally, check the car of the shaft and bearing.Tested this design of carbon-free car can meet predetermined route, along the route of 8 glyph and can effectively avoid obstacles.Finally through the graduation design of gain and loss, in the later work and study to make up for the shortageKey words: carbon-free car; Incomplete gear; Gravitational potential energy目录 摘要IAbstractII第一章绪论11.1 无碳小车概念的提出目的和和意义11.1.1. 无碳小车的概念11.1.2 无碳小车提出的目的和意义11.2 典型的机构类型介绍和分析21.2.1 直齿轮加带轮加凸轮机构21.2.2 直齿轮加锥齿轮加连杆机构21.2.3 直齿轮加连杆机构31.2.4 带轮加连杆机构4第二章无碳小车方案设计72.1 车架72.2 原动机构72.3 传动机构72.4 转向机构82.5 差速结构82.6 转向机构分析8第三章无碳小车零件设计与计算93.1 后轮的设计与计算93.2 齿轮的设计计算及校核113.3 轴 轴承 轴承制作的设计与选择153.4 连杆的设计及车长和摆角的设计16第四章无碳小车的零件校核174.1 轴的强度校核174.2 轴承的强度计算24第五章 总结25致谢26参考文献28III 第一章绪论1.1 无碳小车概念的提出目的和和意义1.1.1 无碳小车的概念由于人们环保认识的提高，无碳的概念也愈来愈多地被人们所熟知。无碳小车车是一种以重力势能为仅有能量和拥有持续避障效用的三轮小车，达成了无碳的真正含义。本小车是对无碳理念的摸索，以后“无碳”的向往。该车设计巧妙，在实现计划的要求下，充分考虑了外型和成本问题，有利于以后的发展和进一步创造。能满足大多数学生对机械常识的试验和练习。这对激起青少年对机械构造的热情有着长远的影响。1.1.2 无碳小车提出的目的和意义该毕业设计是一辆无碳小车。该车偏重显示了无碳的概念，将重力势能转化为动能，是环保所追求的理念。挑战杯比赛永远保持“重视科学、寻找真知、努力学习、锐意进取、迎接挑战”的主旨。它在激励青年创新，人才培养、强化高校素质教育、推进国家发展等方面产生了巨大作用。它对高校甚至社会都行成了普遍的影响。比赛只是一种手段，其意义实为以加工无碳小车为典型， 促进当代大学生开发，思考和研究人与自然如何和谐共存的方案。在设计和加工的过程中，可以学生将书本上的知识转化为真正的学以致用，使学生能够更加熟悉各种机构以及提升学生对关键零部件的设计能力，工艺制作和组装能力，促进学生们发散思维，提高其机械创新能力，最后达到锻炼和提升学生的综合能力。51.2典型的机构类型介绍和分析通过光看往届无碳小车比赛的资料和视频以及查找网上的资料，同学们采用各式各样的机构类型来设计和制作小车。在此，我对一些典型的机构进行分析和介绍。1.2.1 直齿轮加带轮加凸轮机构图 1.1从上图能够清楚的看到该无碳小车的主动轴为中间轴，重物落下时的重力势能化为动能驱动主动轴转动，主动轴通过齿轮将动能传递到后轮轴，使后轮轴转动，主动轮再通过带轮将动能传递到前轴，然后通过凸轮运动使前轮的方向发生转变。1.2.2 直齿轮加锥齿轮加连杆机构图 1.2从图中你能够看到，无碳小车的驱动轴是中间轴，驱动轴利用齿轮的传动将动能传送给后轮轴上，然后，后轮轴上利用锥齿轮带动下面的2级齿轮旋转，齿轮和圆盘相连接，圆盘与连杆相连，最后，连杆就会跟着圆盘的旋转让小车转动方向。1.2.3 直齿轮加连杆机构图 1.3从图中不妨看到该无碳小车的驱动轴为中间轴，利用齿轮将动能传输给后轮轴，连杆使得前轮和偏心轮相连接，让小车在往前的运动的时候能够使方向转变。1.2.4 带轮加连杆机构图 1.4从图中可以看出该无碳小车的传动机构为带传动。使用 3 组带传动将动力传送到连杆和后轮轴上，通过这样达成小车的往前运动和控制运动方向的转变。 第二章无碳小车方案设计2.1 车架车辆的支撑结构顾名思义就是车架，是小车的主要承载机构，也是作为连接其他部件的基础。考虑到小车所受的重量较轻，且运动速度较低。在较小的“8”字形比赛场地，绕“8”字运行，所以采用质量较轻的铝合金，能够在保证加工精度的情况下也减轻质量。2.2 原动机构小车的动力主要依靠小车的原动机构，该机构主要将重力势能变成动能。该设计中将采用绳子和定滑轮组合来完成该功能。对绳子的要求是：无弹性且结实细长绳。小车对原动机构还有一些要求：首先，原动机构所提供的力不能太小，太小的话，无法驱动小车，也不能太大，小车重心较高，如果驱动的力较大的话，小车无法行驶平稳，易造成小车来回晃动。其次，不同的比赛场地摩擦系数不同，原动机构需要可以对不同的场地进行不同驱动力的调整2.3 传动机构传动机构是将原动所产生的动能如何可以高效，准确的传递到后轮及转向上。而如何怎样传动，如何传递，就是在于怎样去传动了。该设计中采用齿轮+连杆作为传动机构。经查找资料可知道齿轮传动和连杆传动有很多好处：齿轮传动特点:使用时间长，传动非常的好。连杆传动的特点：连杆拥有很多的曲线形状。在连杆机构中，连杆上每一个点的运动轨迹由不同外状的弧线组成，曲线的外形还跟着构件长度的转换而转换。 2.4 转向机构转向机构是本次设计的重点，直接影响小车的性能。为了节省能量，转向机构同样要求结构简单，以尽可能减少摩擦损失。本设计中采用的是:凹凸轮+连杆结构。2.4 差速结构由“8”字形路径可知，车在转弯时运动途径是圆弧。如果小车以左转弯为例，小车在做左转运动时，以小车左轮为圆弧点的中心，所以要求左轮走慢点， 右轮走圆弧走的圆弧长度比左轮长。通过查找资料，可知差速器的结构比较大且比较重不适合在无碳小车上使用，所以可以采用单向轴承进行差速方案的选择。2.5 转向机构分析该设计中的无碳小车所走路程是呈“8”字形，我们可以选择按如下图所示的路程来行走：直线行驶+曲线行驶。计算小车单个周期内曲线路程为：L1=2*0.628=1.256L2=2*0.520=1.040设后轮直径 D， 则 nD=2.296 ，n 为减速比，n 定为 5。D=0.146m8第三章无碳小车零件设计与计算3.1 后轮的设计与计算在本设计中，将“8”字形简化看成 2 个圆，设计中两根障碍物的桩距，为300-600mm，在本设计中按照 600mm 计算。如下图所示图 2.1确定好圆的直径和转角，我们可以计算出路程为 S=2.296m。然后通过路程，我们可以知道小车通过“8”字形后轮多少圈来知道后轮的周长， 即可以得出后轮的半径 R，同时还可以知道小车的传动比。通过计算，我们可以知道下表中所得数据：完成 8 字形，后轮周数245R（mm）182.891.473.12表 2.19从资料中可以得知，小车行驶的阻力也与轮子材料和大小有关系。正压力和摩擦力矩的相互关联为M=Nd而滚动摩擦力为F=M/R=N*/R根据以上分析，取 R=73.12mm，则 D=146mm，又可得知小车的传动比为 i=5。由于小车的质量要求较轻，所以采取铝合金材质，且设计成下图形状:图 2.2103.2 齿轮的设计计算及校核通过机械设计基础这本书，我们可以选择齿轮的种类材料及齿数。1 通过小车的传动方案，我们应选择直齿圆柱齿轮进行传动。2 无碳小车为普通机械，选择 7 级精度3 小齿轮的齿数 z=20,则大齿轮齿数 Z=100齿面接触强度计算通过查找参考书资料(1) 确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数 Kt = 1.32） 计算小齿轮传递的转矩在光滑硬质的地面上运动时m 总 2 kg， R=73mm， N 20N，x 0.45，d 0.1，可以推算出总路程 S=69m。主动轴转动周数r=69/2.3= 30 周绕线处直径为D 绕线 =500/30p 5.3mm 取整数为 6mm。 由于重物 m=1 kg，取 g=10 N/kg，则拉力 F =mg= 10 N则 T2min=F* D 绕线 /2 =10 * 3 = 30 N mm T1 min=30 / 5 = 6 N mm（传动比为 5）14在摩擦系数较大的硬质地面上运动时m 总 2 kg， R=73mm， N 20N，x 0.45，d 1 . 4则S = 5 mr=5/2.5= 2 周 ，D 绕线 =400/2p 63.69mm， m=1 kg，取 g=10 N/kg，F=mg=10 N，T2max = FD 绕 线 /2 =10 32 = 320 N mm ，T1max=320 / 5 = 64 N mm（传动比为 5）为保证小车在可以适应各种路面，所以小车应以最大转矩进行计算，则T=64 N mm通过查找教科书机械设计基础，我们可以知道取下列数值: 齿宽系数fd=0.5原料弹性影响数值为189.8 MPa 2计算应力循环次数N=60 nj Lh首先确定式中的各个数值n = v / 2p RV 为小车的速度，根据查找资料可知，一般小车 V=0.5m/s,R 为后轮直径则 n=60r/min设小车一日劳动 4 个钟头，每365天劳动 300 天，则到其不能使用时总共为15 年，则Lh=4 300 15 =18000h取j=1N1=60 nj Lh = 6.48 107N 2 =N1 /i =1.296 107根据资料选取接触疲劳系数KHN1=0.94KHN 2=0.98计算接触疲劳许用应力，安全系数 s=1 由参考资料可得sH 1 =564MpasH 2=539Mpa通过以上的计算我们可以得到计算小齿轮分度圆直径的所有数值d 1t=5.37mm 计算圆周速度v=0.017m/s计算齿宽 bb =fd d1t = 1 5.37 = 5.37mm计算齿宽与齿高比 b/h模数mt=z1=5.37/20=0.27mm齿高h = 2.25mt = 2.25 0.27 = 0.6mm=5.37/0.6=8.95直齿轮 KHa = KFa = 1 ；查得使用系数 KA = 1 ；用插值法得到精度等级为七，小齿轮相对于支承呈非对称安放，KHb=1.407由b / h = 8.95 ， KHb=1.407 ，KFb=1.37，故载荷系数K = KAKvKHa KHb = 11.04 11.407 = 1.463按实际的载荷系数推算所需分度圆直径，由现有公式能得到d=5.6mm计算模数 mm=分度圆直径/齿数=0.28按齿根弯曲强度计算设计由机械设计基础参考书可知弯曲强度的设计公式为m 确定式中各个参数的数值取弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应去弯曲疲劳安全系数 S = 1.4sF 1 =KFN 1sFE1 =S0.92 500 = 328.57MPa1.4KFN 2sFE 2 = 0.95 380 = 257.86MPaS1.4计算载荷系数 KK = KAKvKFa KFb = 11.04 11.37 = 1.4248查取齿形系数 2.80 ， 2.18查取应力校正系1.55 ， 1.79通过比较计算，得=0.01321=0.01513通过上式计算可知，大齿轮的数稍微有点大则m =0.19则m=0.19本设计中我所选取的模数 m=1.5。另为避免尺寸过小，不便于加工所以我们取 z1 =20， z2 =50。尺寸计算分度圆直径计算d1 = z1m = 20 1.5 = 30 mmd 2 = z2m = 50 1.5 = 75 mm计算中心距a=52.528计算齿轮宽度b =fdd1 = 0.5 30 = 15 mm本设计中，我们取 B1=10mmB2=15mm3.3 轴 轴承 轴承制作的设计与选择轴的选择在前面的一小节中，我们计算了当小车在光滑的硬质地面上行驶时，绕线处的最小直径为 6mm,在保证误差的情况下，我们选取轴的轴径为 10mm,根据查找参考资料选择材料为 45 钢，调质。轴承的选择前面我们已经轴径为 20 的轴了，所以对于轴承的选择，我们选取标准件7000c 圆角接触球轴承。固定螺钉和连接健的选择根据本方案的无碳小车，我选择 M4 为固定螺钉，M3 为紧定螺钉，轴与齿轮之间的紧固键选用 M58 和 M38，微调螺钉选取 M1。轴承支座的设计我打算将其设计一个“L”形，根据前面计算的后轮直径，设计齿轮高度为 35mm，可以使齿轮处于悬空状态。3.4 连杆的设计及车长和摆角的设计连杆的设计前面对该无碳小车的设计，我们知道组成该无碳小车的连杆有两根连杆， 我们定为长连杆和短连杆。通过前面的计算，我们将长连杆设计长度为 82mm， 将短连杆长度设计定为 70mm。车身长度计算车身长度=连杆长度+中心距+后轮半径+圆盘固定中心到前轮轴中心距离+前轮轴中心到最前端的距离=82+52.5+73+105+18=330.5第四章无碳小车的零件校核4.1 轴的强度校核主动轴的校核各零件位置如下图所示图 4.1经演算，可知该轴的直径为是10mm，轴的原料是 45 钢，（调质），齿轮的类型是直齿圆柱齿轮，轴的最大力矩是320Nmm。做出轴的力学模型图 4.2在齿轮面对轴进行受力分析演算齿轮的切向力Ft 2=d2=12.8N通过 M A = 0，得10FNH 1 = 24FNH 2则FNH 1 + FNH 2 = Ft 2 = 12.8计算得到FNH 1 = 9.04 NFNH 2 = 3.76 NM H = 10FNH 1 = 10 9.04 = 90.4N mm则在齿轮面的剪力图和弯矩图为在线轮处进行受力分析齿轮的径向力Fr2= Ft 2 tana= 12.8 tan 200 = 4.66 N齿轮的重力为 G=1 根据 M A = 0 得0 = -Fr 2 10 - G 10 + F1 17 + FNV 2 34根据 FV=0，联立得到FNV2= -3.34NMV 1 = FNV 1 10 = -110 = -10N mmMV 2 = FNV 2 17 = -3.34 17 = -56.78N mm通过以上，我们可以找出危险截面M 1= =90.95N mmM 2=106.75 N mm后轮轴的强度校核建立后轮轴的力学模型和受力分析图在H面受力简化如图Ft1 = Ft 2 = 12.8 NFS = mgh F = 0.8 N根据H面的合力 FH=0得到FNH 1 + FNH 2 +12.8 + FNH 3 +FNH 4 = 0因为 FNH 1，FNH 2，为两个相反的力则12.8 + FNH 3 + FNH 4 = 0计算弯矩，以 FNH 1 为支点，则0 = FNH 3 22 + Ft1 37 + FNH 4 98 + FNH 2 120(-FNH 4 - 12.8) 22 + 12.8 37 + FNH 4 98 - 0.8 120 = 0求得FNH 3 = -11.54 N, FNH 4 = -1.26 NMH 1 = -0.8 22 = -17.6N mm MH 2 = -12.34 15 = -185.1N mm MH 2 = 0.8 22 = 17.6N mm绘制剪力图与弯矩图在 V 面进行受力简化齿轮径向力Fr1 = Fr2 = 4.66 N齿轮重力G=0.1N根据 M A = 0 得F1 22 - (Fr1 + G) 37 + F 2 98 + 10 120 = 0根据 FV=010 + F1 + F 2 +10 = Fr1 + G = 4.76联立得到F1 = -6.18 N， F 2 = -9.06 N计算 V 面内的弯矩Mv1 = 10 22 = 220N mmMv2 = 3.82 15 + 220 = 277.3N mm Mv3 = 10 22 = 220N mm绘制弯矩图和剪力图确定危险截面M 1 = 220.7 N mm M 2= 333.4N mm M 3=220.7N mm绘制总弯矩图确定危险截面在 M 2 处，sca =26.85MPa s- 1 = 60MPa通过以上的计算，可以确定后轮轴的强度符合要求4.2 轴承的强度计算由于用的是直齿圆柱齿轮，是以无轴向力 Fa， Fa / Fr =0e所以X=1，Y=0预期寿命为P= Fr=4.66L h = 4 300 15 = 1.8 104 h载荷P=4.66对于球轴承 e= 3转速n = 1.36 r / min则L h =1.6h通过以上的计算，轴承的强度符合要求第五章 总结此次毕业设计是8字形无碳小车的设计和计算。在设计该无碳小车以前，由于我设计是该小车转向机构，是以我对几种转向机构进行思考。经过分析我选择的是不完全齿轮加连杆机构作为该设计的转向机构。该转向机构的主要优点是易于调节，结构简单。然后确定小车的整体设计方案。然后确定小车设计的整体材料，经过了解可以知道小车的原动机构提供的动能不是很大，而且为了保证小车在整个行驶过程中可以平滑的行驶较长的距离，所以最后选取材料为铝合金材质。确定了小车的整体设计方案后 ，便可以一次设计小车的每个方案的所选用的零部件，首先我先设计小车的齿轮，经过计算，确定好本设计所需要的齿轮， 通过大量的计算，得知所选取的轴，符合要求。最后校核是该设计所采用的轴承，经过计算，轴承也符合要求。最近通过检验，本设计的无碳小车，符合设计所要求的行走8字形路线且小车的行走路程也符合要求。本设计的好处是小车稳定性比较高，质量较轻，机构非常的简单，便于调试。但是小车对于零件加工的要求精度要求比较高，不利于加工制作。 致谢经过几个月的查阅资料和翻看教科书，整理资料，无碳小车的结构选择，用料的选择，设计的计算和校核所用材料，今天终于可以写下这边致谢词， 表示我的毕业设计已经进入尾声了，这篇毕业设计是对我大学四年所学到的知识进行一个总结，也为我大学四年学业画上一个完美的句号。在刚得到该毕业设计课题时，我不知所措。但是尚老师教导我们先不需要立马 上手设计和计算，希望我们可以先查阅资料，了解无碳小车是怎么一回事。正所谓磨刀 不误砍柴工，对于之后的设计心中有了一个大概的了解，心中便不是像当初的那么慌张了。虽然在做毕业设计过程中，即便是遇到了不少困难， 但是还是在同窗和师长的辅导下都得到了处理。通过此次毕业设计我仿佛将大学4年学的知识又重温了一遍，进一步将自己所学的基础知识，基础技能和专业知识进行了吸收消化，更加系统化，全面性的巩固了自己所学习到的知识。初步培养了自己从事设计的基本能力
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