“8”型路线无碳小车的设计（全套图纸）

原创通过答辩毕业设计说明书论文 QQ 194535455 摘 要 煤炭是大自然给予人类的一笔宝贵财富，可是由于人们对煤炭的巨大需求，煤炭资源日趋减少近于枯竭。随着人们节能环保意识的提升，无碳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。 “无碳小车”系第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题，目前实验阶段已经完成。小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。方案设计阶段根据小车功能要求根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）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。技术设计阶段采用了PROE等软件进行辅助设计。小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键词：无碳小车；方案设计；模块化设计；8型路线AbstractCoal is a valuable wealth of human nature, but because of the huge demand for coal and meager coal resources dwindling. As enhance awareness of energy saving and environmental protection, zero-carbon concept is increasingly being put on the research project. Cleaner, more environmentally friendly, more energy, more efficient idea is taking hold. Issue, later expanded and further developed. Zero-carbon cars of the second national students comprehensive ability of engineering training race in thesis theme, the current experimental phase has been completed. Car design is divided into three phases: design, technical design, making debugging. Programme design stage based on the car features under the machines composition (original mechanism, actuator, actuator, control section, Assistant section) original car into the frame, body, transmission, steering agencies, travel agencies, fine-tune the bodies of six modules, modular design. Technical design stage using PROE software for aided design. Car most parts are standard parts, you can purchase, while some require high processing precision parts require special processing, most are available through the manual process. Debugging changes by way of fine tuning parameters of the car testing, experimental validation on the basis of the car in motion at the same time determine the optimal parameters for car.Key words:Carbon-free cares; design; modular design;8-courses目录摘要- 1 -Abstract.- 2 -第一章 设计要求- 5 - 1.1设计布置方案- 5 - 1.2 小车功能设计要求- 5 - 1.3小车的设计方法- 6 -第二章 方案设计- 7 -2.1总体设计- 8 -2.2车架- 8 -2.3 原动机构- 9 -2.4传动机构- 9 -2.5转向机构- 10 -2.6行走机构- 12 -第三章 技术设计- 13 -3.1小车轨迹的计算- 14 -3.2小车车体的参数确定- 14 -3.2.1小车车架的尺寸参数-15 -3.2.2小车齿轮传动比- 16 -3.2.3齿轮的设计- 17 -3.2.4原动轮的大小及绕线圈数- 17 - 3.2.5小车行走位移- 18 - 3.2.6轴承的选择- 19 - 第四章 小车能耗分析- 20 -4.1小车能量转换过程- 20 -4.2小车的能量- 20 -第五章 总结和体会- 21 -参考文献- 22 -致谢.- 23 -第一章 设计要求1.1设计布置方案 图1 无碳小车示意图 1.2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。a. 利用将1Kg重物下降40cm的势能为驱动力使该小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔80cm）走“8”型路线，使小车绕行圈数尽可能多。b. 要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量下降的势能获得，不可使用其他任何形式的能量。c. 小车前轮为独轮，后为双轮，有转向机构。d. 要求分析小车的总体结构，合理设计控制机构，结构简单，制造方便。e. 要求计算分析小车运动，并计算理论行走距离。（考虑各环节的损耗）f. 绘制主要零件图，装配图。g. 说明书的编写。 1.3 小车的设计方法 通过对命题的分析，我们得到了比较清晰的开阔思路，小车的设计一定要做到目标明确。小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法。下面是我们设计小车的流程。 能耗分析参数优化明确小车的任务要求小车的功能分析总结各体会选择尺寸材料可行的方案零部件设计组合几种可行的方案总体设计敲定方案 方案设计 技术设计 评价分析 第二章 方案设计2.1 总体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）。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。 骨架式 车 架 传 动 机 构 原 动 机 构 无碳小车 行 走 机 构 转 向 机 构曲柄连杆+摇杆 单轮驱动 双轮同步 锥齿轮弹簧储能式双轮差速机构 差速转向 曲柄摇杆 凸轮+摇杆不用附加传动 圆柱直齿轮 带轮 链轮式 绳轮式三脚底板式2.2 车架“无碳小车”车架结构主要有骨架式和三脚底板式，其可使用快速成型或焊制，可使用木材，铝板，工程塑料等。由于木材的滋取不符合“无碳”的理念，不符合国家的战略思想。而工程塑料PVC利用率高，有轻质，防振等作用，且生产成本较低，符合“无碳”理念，故车架采用工程塑料加工制成三脚底板式即可。2.3 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。用来实现这一功能的方案有多种，从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：a.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。b.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。c.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。d.机构简单，效率高。根据以上分析提出输出驱动力可调的绳轮式原动机构。 图2 锥形原动轮 a.起始时原动轮的转动半径较大，启动转矩大，有利于启动。b.启动后，原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。 c.当物快距小车很近时，原动轮半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物快的惯性，仍会减速下降。 伴随原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速直到停止，物快停止下落，正好接触小车。2.4 传动机构 传递机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。 齿轮机构可用来传递空间任意两轴间的运动和动力。与其他传动机构相比，其主要有点是：传动准确、平稳，机械效率高，使用寿命长，工作安全、可靠，传递的功率和适用的速度范围大。因此，它是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。 带传动是一种柔性传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）和传动带。当主动带轮转动时，利用带轮和传动带轮的摩擦和啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。带传动具有机构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。但是为了保证带传动的正常工作，首先需要满足传递功率要求的至少具有的总摩擦力和与之对应的最小初拉力。 圆柱直齿轮主要用于平行轴的传递，锥齿轮主要用于两轴相交传递。要使小车行驶地更远且按设计的轨道精确行驶，传递机构必须传递效率高，传动稳定，机构简单重量轻等。综上:要使小车行驶地更远且按设计的轨道精确行驶，传递机构必须传递效率高，传动稳定，机构简单重量轻等。故选用圆柱直齿轮。2.5 转向机构转向机构要实现小车顺利绕过障碍物。小车有三个轮子，后面两个轮子（或一个）为驱动轮。后轮在重物作用下绕水平轴不停地转动（即实现向前运动）的同时周期性摆动(即竖直轴左右转动，以实现转向的目的)，才能使小车走出预订轨迹，绕过障碍物。一个机械产品一般只有一个动力源，所以，转向轮摆动的能量只来源于后轮转动的动能。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、差速转弯等等。凸轮+摇杆 图3 凸轮+摇杆机构示意图凸轮机构的特点：a. 优点：凸轮机构具有很少几个活动构件，并且占居的空间较小，是一种结构十分简单、紧凑的机构。凸轮机构最吸引人的特征是其多用性和灵活性，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状，只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件获得各种预期的运动规律。几乎对于任意要求的从动件的运动规律，都可以毫无困难地设计出凸轮廓线来实现。b. 缺点：凸轮廓线与从动件之间是点或线接触的高副，易于磨损，故多用在传力不太大的场合。 曲柄连杆+摇杆 图4 曲柄摇杆机构示意图 曲柄连杆+摇杆机构特点： 优点：a.机构中构件间以低副相连，在承受同样载荷的条件下压强较低，因而可用来传递较大的动力。又由于低副元素的几何形状比较简单，故容易加工。b.构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有饶定轴转动的曲柄，绕定轴往复摆动的摇杆，又有作平面一般运动的连杆、作往复直线移动的滑块等，利用连杆机构可以获得各种形式的运动。c.在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对尺寸，就可以使从动件实现不同的运动规律和运动要求。D.连杆曲线具有多样性。连杆上点的位置不同，曲线形状不同；改变各构件的相对尺寸，曲线形状也随之变化。这些千变万化、丰富多彩的曲线，可用来满足不同轨迹的设计要求，在机械工程中得到广泛应用。缺点：a. 在连杆机构的运动过程中，一些构件（如连杆）的质心在做变速运动，由此产生的惯性力不好平衡，因而会增加机构的运动载荷，使机构产生强迫振动。因而连杆机构一般不适用于在告诉场合。b. 机构中运动的传递要经过中间构件，而各构件的尺寸不可能做得绝对准确，再加上运动副间的间隙，故运动传递的累积误差比较大。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。差速转弯差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。 综上：从结构简单，机构紧凑的角度上，选择凸轮+摇杆作为小车转向机构。2.6 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。 有摩擦理论知摩擦力矩和正压力的关系为 对于相同的材料为一定值。而滚动摩擦力,所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走得更远。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但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，一个为导向轮，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，可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案，因轮与驱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，此我们采用单轮驱动为行走机构方案。 第三章 技术设计3.1 小车轨迹的计算FBCDEA 图六 小车轨迹路线：先使小车走直线从F到D，轨迹与水平线呈60度的角，接着小车进入一段过度弧线，小车转过，小车开始走半个圆弧，然后走弧线进入直线轨道，以此走完8字路线。 确定轨迹参数：=160mm =200mm 则 =320mm ,=201.74mm ,cos= , 因此 =，所以 =。 于是， ；一个“8”字总的线位移。3.2 小车车体参数的确定3.2.1 小车车架的尺寸参数 图5 小车机构示意图尺寸： 车架为梯形状，梯形上底宽为100mm ，下底宽为160mm。车架长为320mm。后轮直径为160mm ，宽10mm ；前轮直径为100mm，宽8mm。 3.2.2 小车齿轮传动比 小车后轮转一圈位移为mm 因为齿轮转一圈小车正好走完一个“8”字，而此时小车后轮转了即。3.2.3 齿轮的设计（一）齿轮传动设计参数的选择 a.压力角的选择 由机械原理可知，增大压力角，轮齿的齿厚及节点处的齿廓曲率半径亦皆随之增加，有利于提高齿轮传动的弯曲强度及接触强度。我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为。为增加航空用齿轮传动的弯曲强度及接触强度，我国航空齿轮传动标准还规定了的标准压力角。但增加压力角并不一定都对传动有利。对重合度接近2的高速齿轮传动，推荐采用齿顶高系数为11.2，压力角为的齿轮，这样做可增加齿轮的柔性，降低噪声和动载荷。b.齿数z的选择 若保持齿轮传动的中心距a不变，增加齿数，除能增大重合度、改善传动的平稳性外，还可减少模数，降低齿高，因而减少金属切屑用量，节省制造费用。另外，降低齿高还能降低滑动速度，以减少磨损及胶合的危险性。但模数小了，齿厚随之减薄，则要降低齿轮的弯曲强度。不过在一定齿数范围内，尤其是当承载能力主要取决于齿面接触面强度时，以齿数多一些为好。 闭式齿轮一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小齿轮的齿数可取为。开式（半开式）齿轮传动，由于齿轮主要为磨损失效，为使齿轮不致过小，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般可取。为使齿轮免于根切，对于的标准直齿圆柱齿轮，应取。小齿轮齿数确定后，按齿数比可确定大齿轮的齿数。为了使各个想啮合齿对磨损均匀，传动平稳，两齿数应互为质数。c.齿宽系数的选择由齿轮的强度计算公式可知，轮齿越宽，承载能力也越高，因而轮齿不宜过窄；但增大齿宽又会使面上的载荷分布更趋均匀，故齿宽系数应取得适当。圆柱齿轮齿宽系数的荐用值列于表3-2-1内。对于标准圆柱齿轮减速器，齿宽系数取为，（为传动比），所以对于圆柱齿轮传动 的规定值为0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。 表 3-2-1 装置状况 两支撑相对于小齿轮做对称布置 两支撑相对于小齿轮做对称布置 小齿轮做悬臂布置 0.91.4（1.21.9） 0.71.15（1.11.65） 0.40.6 (二）圆柱啮合齿轮传动形式 a.外啮合齿轮传动，由两个外齿轮相啮合，两轮转向相反； b.内啮合齿轮传动，由一个内齿轮和一个外齿轮相啮合，两轮转向相同； c.齿轮齿条传动，可将齿轮的转动变成齿条的直线移动，或者相反。（三）齿轮制造误差的测定齿轮齿根圆齿顶圆测定的原理1. 齿轮齿数为偶数时，齿顶圆直径和齿根圆直径可用游标卡尺在待测齿轮上直接测量。2. 齿轮齿数为奇数时，不能通过直接测量得到和的真实值，需要间接测量。先量出齿轮安装孔直径D，再量出孔壁到某一齿根的距离H2和孔壁到某一齿顶的距离H1。如下图所示。 图6 齿根圆、齿顶圆的测量于是，有公式： (四） 确定基圆齿距模数和压力角 图7 外齿轮 1.基圆齿距 公法线长度 = 2.模数m 表 3-2-2 (五）小齿轮的几何尺寸 模数m=1.5 齿数=20 压力角= 齿宽系数=1 分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿顶圆直径 基圆直径 齿距 齿厚 槽宽（六） 齿轮的几何尺寸 a).计算分度圆直径 根据前面求得的得 定传动比为 则 b).计算中心距 mm=87.5mm mm=62.5mm c).计算齿轮宽度 齿轮2的宽度mm=25mm 齿轮3的宽度=25mm 则齿轮1的宽度25mm （七）齿轮材料选用 考虑到使小车走得更远和尺寸较小，我们选择ABS塑料作为小车的齿轮材料。ABS具有良好的综合性能。冲击强度高，即使在低温下也不会快速降低，表面硬度高，有良好的耐磨性和加工艺性。绝缘性、尺寸稳定性也较好，但耐候性差，耐热性不够高。在机械工业中可制作齿轮、叶轮、设备外壳，化工设备的各种容器、管道等，电器工业中的仪表、设备的各种配件等以及航空、运输工业都得到应有。3.2.4 原动轮的大小及绕线圈数 原动轮中间的直径mm 于是，绕线圈数 （圈）3.2.5 小车的行走总位移 和小车走“8”的个数N=mm =14.91828 m 。 (个） 3.2.6 轴承的选择根据轴承中的摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承（滑动轴承）和滚动摩擦轴承（滚动轴承）两大类。此无碳小车选用滚动轴承。滚动轴承是现代化机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支撑转动零件的。如果仅按轴承用于承受的外载荷不同来分类时，滚动轴承可以概括地分为向心轴承、推力轴承、和向心推力轴承三大类。主要承受径向载荷的轴承叫做向心轴承，其中有几种类型可同时承受不大的轴向载荷；只能承受轴向载荷的轴承叫做推力轴承，推力轴承中与轴颈配合在一起的元件叫轴圈，与基座孔配合的元件叫做座圈；能同时承受径向载荷和轴向载荷的轴承叫做向心推力轴承。此设计中由于尺寸较小，且主要承受径向载荷，我们选择采用仪器仪表轴承(深沟球轴承)。材料选用铝基轴承合金。第四章 小车能耗分析4.1 小车能量转换过程驱动轮转动 齿轮动能 原动轮动能 重力势能转向轮转向4.2 小车的能量小车是通过中1kg的重物下降40cm 的重力势能来驱动的。经查表得：重物通过定滑轮下降的机械效率为，线与原动轮间的传递系数为，齿轮间的传递效率。因此小车内部的能耗系数 。因此，驱动小车的实际能量为。 小车的总质量2.2kg 滚动摩擦系数经查表为.因此小车消耗的能量. 小车内部产生的力矩：产生的扭矩 （其中是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数）设一个后轮承受的压力占总重量的，前轮承受的压力占总重量的。则小车的转矩 ， 于是 。由于，所以 。第五章 总结和体会通过这次无碳小车的课程设计，在准备过程和方案设计过中我们都学到和感受到了很多东西。创新是最重要的，通过看以前比赛的作品，其实无碳小车很多东西都是一样的，所以我们就在小处创新，发挥想象。通过无碳小车的设计我们更加了解了机械原理，工程实践的意义，更深刻地体会到书本学习与实际操作的不同与联系，也让我们明白了将理论学习与实践相结合的重要性。并且，在这次课程设计中，了解并熟悉了对一项方案从头到尾的设计流程，增强了自己在创新设计方面的能力。同时也提高了自己的综合实践创新以及实际操作动手能力。参考文献【1】申永胜.机械原理教程.清华大学出版社.2005.12.【2】孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理.西北工业大学机械原理及机械零件 教研室编.2006.5. 【3】华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新.机械工业出版社.2008.【4】王之民.机械原理与课程设计.机械工业出版社.2004.【5】邹慧君，张青.机械原理课程设计手册.高等教育出版社.2010.【6】蒋晓.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版标准实例教程.清华大学出 版社.2010.【7】濮良贵，纪名刚.机械设计.第8版.北京：西北工业出版社，2006.【8】吴宗泽，卢颂峰，冼健生.简明机械零件设计手册.中国电力出版社.2011.1.【9】戴枝荣，张远明.工程材料.高等教育出版社.2010.4.【10】王伯平.互换性与测量技术基础.机械工业出版社.2011.6.【11】陈良玉，巩云鹏.机械设计手册2.机械工业出版社.2011.4.【12】张晓玲，沈韶华.实用机构设计与分析.北京航空航天大学出版社.2010.8.【13】鞠彦忠.材料力学.华中科技大学出版社.2008.9.【14】洪家娣，李明，黄兴元.机械设计指导.江西高校出版社.2010.1.【15】吴宗泽。机械设计手册下册.机械工业出版社.2009.1致谢经过几个星期的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周的地方。如果没有指导老师的督促指导，及其同学的支持，根本不会这么容易完成任务。这里首先感谢我们的指导老师林金龙老师。老师们平日里工作繁忙，但在我毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查及后期的详细设计等整个设计过程都给了我悉心的指导。一开始我的设计说明书及图都很繁琐并且有很多错误，但是老师都细心的给我指出每处错误。再次感谢林老师的精心指导，让我能圆满做完毕业设计，并从中学到了不少知识。其次，感谢大学四年来所有的老师，为我们打下坚实的专业基础，使我们好应对将来的工作。最后感谢工学院，感谢江西农业大学四年来对我的教育和栽培。23