无碳小车实验报告
机械原理课程设计报告书
设计题目:
竞赛题目无碳小车得设计
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 月 11 日 目录
....................................................................................................................................................... 2
第一章
概述
................................................................................................................................... 3
1 1 、1 1 课程设计任务与目得
............................................................................................................ 3
1 1 、1 1 、 2 课程设计任务 .................................................................................................................. 3 1 1 、 2 无碳小车设计得目得与任务 ................................................................................................ 3
第二章
选题介绍 .................................................................................... 3 2 2 、1 1 选题背景、意义 ............................................. 3
第三章
总体设计 .................................................................................... 4 3 3 、1 1 方案设计 ................................................... 4 3 3 、1 1 、3 3 传动机构 ............................................................................................................................... 5 3 3 、1 1 、4 4 转向机构 ............................................................................................................................... 5 3 3 、1 1 、5 5 行走机构 ............................................................................................................................... 7 3 3 、1 1 、6 6 微调机构 ............................................................................................................................... 7 第四章
运动分析 .................................................................................... 9 4 4 、1 1 用解析法进行机构得运动综合与分析 ........................... 9 4 4 、2 2 齿轮参数得分析 ............................................ 12 第五章
设计小结 .................................................................................. 12 参考文献: : .............................................................................................. 13 第一章
概述
机械原理课程设计就是机械类各专业学生第一次课程设计,就是重要得实践性教学环节,对于培养学生机械系统运动方案设计与创新设计能力、解决工程实际中机构分析与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得设计与分析选择,依据机械机构得设计理念,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得轻质小车方案。
1 1 、 1 课程设计目得与任务
1 1 、1 1 、1 1 课程设计目得
1)综合运用机械原理课程得理论与实践知识,分析与解决与本课程有关得实际问题,促进所学理论知识得巩固、深入与归纳; 2)培养学生得创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神; 3) 加强学生动手能力得培养与工程实践得训练,提高学生针对实际需求进行创新思维、综合与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、搜集与整理资料能力; 5)为将来从事技术工作打基础。
1 1 、1 1 、 2 课程设计任务
结合一个简单或中等复杂程度得机械系统,让学生根据使用要求与功能分析,开拓思路,敢于创新,巧妙地构思其工作原理与选择工艺动作过程;由所选择得工作原理与工艺动作过程综合应用所学过得各类常用机构得结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识,进行机构得选型、创新与组合,构思出各种可能得运动方案,并通过方案评价、优化筛选,选择最佳方案;就所选择得最佳运动方案,应用计算机辅助分析与设计方法(也可以使用图解法)进行机构尺度综合与运动分析;由运动方案与尺度综合结果绘制机构系统运动简图。
1 1 、 2 无碳小车设计得目得与任务
设计一种小车,驱动其行走及转向得能量就是根据能量转换原理,由给定重力势能转换而得到得。该给定重力势能由质量为 1Kg 得标准砝码(￠50×65 mm,碳钢制作)来获得,砝码得可下降高度为 400±2mm。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得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。
第二章
选题介绍
2 2 、1 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得重块为动力源,用能量得转换来取得动能,小车能依据自动转向装置来达到绕过事先安排障碍物得目得。挑战杯就是“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛得简称,就是由共青团中央、中国科协、教育部与全国学联、地方省级人民政府共同主办得全
国性得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,一个就是“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛(大挑);另一个则就是“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛(小挑)。这两个项目得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得“奥林匹克”盛会,就是目前国内大学生最关注最热门得全国性竞赛,也就是全国最具代表性、权威性、示范性、导向性得大学生竞赛。
随着人们节能环保意识得提升,无碳得理念也越来越被人们提上研究得课题。更洁净、更环保、更节能、更高效得理念也深入人心。本小车就是对“无碳”理念得探索与开发,对未来“无碳”得憧憬。小车构思巧妙,在完成设计得要求下充分考虑了外观与成本等问题,方便以后得扩展与进一步得开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践得实验与了解。对激发青少年对机械构造得热情有深远得影响。
第三章
总体设计
3 3 、1 1 方案设计
通过对小车得功能分析小车需要完成重力势能得转换、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得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,寻求多种可行得方案与构思。经过对比各种方案得优缺点,结合实际情况选取符合合适得方案。
3 3 、1 1 、1 1 车架
车架不用承受很大得力,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 3 、1 1 、2 2 原动机构 原动机构得作用就是将重块得重力势能转化为小车得驱动力。能实现这一功能得方案有多种,就效率与简洁性来瞧绳轮最优。小车对原动机构还有其它得具体要求。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得速度要尽可能小,避免对小车过大得冲击。同时使重块得动能尽可能得转化到驱动小车前进上,如果重块竖直方向得速度较大,重块本身还有较多动能未释放,能量利用率不高。3、由于不同得场地对轮子得摩擦摩擦可能不一样,在不同得场地小车就是需要得动力也不一样。在调试时也不知道多大得驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同得需要调整其驱动力。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得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得动力。
3 3 、1 1 、3 3 传动机构
传动机构得功能就是把动力与运动传递到转向机构与驱动轮上。要使小车行驶得更远及按设计得轨道精确地行驶,传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
1、不用其它额外得传动装置,直接由动力轴驱动轮子与转向机构,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得动能,在不考虑其它条件时这就是最优得方式。
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得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得传动机构。
3 3 、1 1 、4 4 转向机构
转向机构就是本小车设计得关键部分,直接决定着小车得功能。转向机构也同样需要尽可能得减少摩擦耗能,结构简单,零部件已获得等基本条件,同时还需要有特殊得运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求得来回摆动,带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障得功能。能实现该功能得机构有: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:凸轮就是具有一定曲线轮廓或凹槽得构件,它运动时,通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续得任意预期往复运动。
优点:只需设计适当得凸轮轮廓,便可使从动件得到任意得预期运动,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、尺寸不能够可逆得改变、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;两构件之间得接触就是靠本身得几何封闭来维系得,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得运动规律或运动轨迹,且设计较为复杂;当给定得运动要求较多或较复杂时,需要得构件数与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,不仅发生自锁得可能性增加,而且机构运动规律对制造、安装误差得敏感性增加;机构中做平面复杂运动与作往复运动得构件所长生得惯性力难以平衡,在高速时将引起较大得振动与动载荷,故连杆机构在此小车暂不考虑。
曲柄摇杆
结构较为简单,但与凸轮一样有一个滑动得摩擦副,其效率低。其急回特性导致难以设计出较好得机构。
锥齿轮加曲柄摆杆机构
优点:结构简单、紧凑、设计方便,其急回特性能较好得解决小车较好避开距离改变得障碍物。同时可以通过改变曲率半径做成小车行驶得微调机构。
综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构得方案。
图二 3 3 、1 1 、5 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得关系为
对于相同得材料为一定值。
而滚动摩擦阻力,所以轮子越大小车受到得阻力越小,因此能够走得更远。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。
由于小车就是沿着曲线前进得,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。
综上所述行走机构得轮子应有恰当得尺寸,轮子边缘应竟可能与地得接触面积小。
3 3 、1 1 、6 6 微调机构
一台完整得机器包括:原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就
属于小车得控制部分。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。这就是采用微调机构得原因之一,其二就是为了调整小车得轨迹(幅值,周期,方向等),使小车走一条最优得轨迹。
微调机构可以采用下锥齿轮下得圆盘开槽,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得方案而不能得到最优得方案。因此我们设计了一种机构简单得小车,通过小部分得改动便可以改装成其它方案,再通过试验比较得到最优得小车。
3 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。驱动轮得转动带动锥齿轮转动,锥齿轮下得转盘也跟着转动,通过摆杆往复得摆动实现导向轮周期性得摆动实现小车得转向。
第四章
运动分析
4 4 、1 1 用解析法进行机构得运动综合与分析
当重物下降时,驱动轴(轴 3)转过得角度为,则有
则曲柄轴(a 轴 2)转过得角度
小车移动得距离为(以 A 轮为参考)
轴 1 转过得角度为
b、转向: 当大锥齿轮转过得角度为,曲柄转过得角度为 则与满足以下关:
解上述方程可得与得函数关系式
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: 则小车转弯得曲率半径为
小车行走过程中,小车整体转过得角度
当小车转过得角度为时,有
d、小车其她轮得轨迹 以轮 A 为参考,则在小车得运动坐标系中,B 得坐标 C 得坐标 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得水平距离可调整前轮摆角,从而可以改变小轨迹曲线得幅值;调整后轮半径 R,两锥齿轮得传动比可调整小车轨迹周期长度。
而传动比i3与滚筒半径R3不影响小车轨迹,影响重物下降后小车行走得路程,故其根据传动得摩擦与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。
该方案就是通过一对锥齿轮啮合传动,通过e与L来直接改变前轮摆角a得大小;整个车得结构对称平衡,保证了车行驶过程中得稳定性。但同时限制了小车两个后轮之间得距离必须大于 2e,后轮间距得增加会加大车宽,因此要求轨迹曲线得幅值应足够大,以免小车绕障时撞到障碍物上。
4 4 、2 2 齿轮参数得分析
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 上得齿轮齿数 Z3 = 30,轴 2 上与其啮合得齿轮齿数 Z2 = 15。由传动比 i1 = 3,确定轴 2 上得锥齿轮齿数 Z2’ = 18,轴 3 上与其啮合得锥齿轮齿数 Z3 = 54。
第五章
设计小结
在此次课程设计中,能够把理论性得知识运用得设计中,包括我们学过得内容,如:机械原理、机械设计、工程力学、互换性技术。当然也少不少我们得据图软件,如 soildworks、CAD 等等,学好这些软件对我们将来得发展有巨大帮助。
首先我们大家讨论确定小车得结构。在网上我们找到了一些素材,接下来我们要做得就是建模,这需要用得三维建模软件 solid Works,我们确定了小车得各部分结构,在转向机构得确定过程中,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得方案。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,并且计算齿轮得参数,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得无动力小车,对于 soildworks
有了更深层次得认识与运用。
本次实验得难点就是:如何设计一对啮合齿轮,如何计算齿轮参数,如何设计小车前轮得转向,如何计算转向得幅度等等。
同时我们也就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、尊重个性得差异;彼此间就是一种信任得关系、待人真诚、遵守承诺;相互帮助、互相关怀,大家彼此共同提高;利益与成就共享、责任共担。同时信任就是合作得基础与前提,它能够提高团队合作,让大家把焦点集中在工作而不就是其她议题上。
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 没有调动好组员得积极性。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、 [2]李庆余,孟广耀、机械制造装备设计(第二版)[M]、北京:机械工业出版社,2008 [3]王斌,王衍,李润莲等、“无碳小车”得创新性设计、大同大学学报,2012,28、 [4]胡红英,于金普,包耳、无碳小车结构设计与分析、大连民族学院学报,2013,15、 [5]李刚,周致成等、S 形转向运动无碳小车得改进设计研究、汽车实用技术,2014,2、 [6]姜帅琦、基于无碳小车得优化设计、高科技术研发,2014,10、 [7]刘极峰、计算机辅助设计与制造[M]、高等教育出版社,2004、
[8 李瑞琴、机械原理课程设计[M]、电子工业出版社,2004、