金工實(shí)習(xí)重力勢(shì)能小車設(shè)計(jì)報(bào)告

1、For personal use only in study and research; not for commercial use重力勢(shì)能小車設(shè)計(jì)報(bào)告組員：徐一航管磊盧光燦覃澤儒學(xué)院： 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：沈幸平2013.06目錄一. 設(shè)計(jì)方案確定2設(shè)計(jì)理念2.設(shè)計(jì)方案2.二. 圖紙3總裝圖3.零件工程圖4.三. 技術(shù)難點(diǎn)5如何設(shè)計(jì)使小車跑的比較遠(yuǎn)？ 5.如何將能量轉(zhuǎn)換得更多？ 5.如何實(shí)現(xiàn)小車順利啟動(dòng)？ 5.不得用于商業(yè)用途如何安置支架與載重？ 5.四. 加工工藝6軸的加工6.輪的加工6.底板加工7.整體裝配7.五. 調(diào)試裝配中遇到的問題 7軸的問題7.輪子問題8.繞線問題

2、8.載重問題8.六. 小車達(dá)到的性能 8七. 收獲與體會(huì)9八. 課程建議11一.設(shè)計(jì)方案確定設(shè)計(jì)理念減輕小車質(zhì)量：在保證小車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的前提下盡一切可能減輕車身質(zhì)量，在 規(guī)定能量前提下理論上可以行駛更遠(yuǎn)的距離，同時(shí)速度方面也有相應(yīng)的提 高。另外，對(duì)于不必要的結(jié)構(gòu)盡量舍棄。J車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要是車身長(zhǎng)寬量化方面，以保證小車在前進(jìn)的時(shí)候軌跡更 加平滑。實(shí)現(xiàn)方式：對(duì)小車運(yùn)行軌跡、車身的長(zhǎng)度、寬度量化，通過人工計(jì) 算和電腦計(jì)算確定出最佳的長(zhǎng)寬和運(yùn)行軌跡。J重心調(diào)整：通過在設(shè)計(jì)時(shí)候?qū)χ匦牡恼{(diào)制使小車運(yùn)行平穩(wěn)，該過程仍然采用 量化。在實(shí)際操作中，由于底板控制余地有限，因此主要通過調(diào)節(jié)附加重物 的位置，使小車

3、的重心達(dá)到調(diào)節(jié)。不得用于商業(yè)用途W(wǎng)設(shè)計(jì)原則：簡(jiǎn)單可行原則。設(shè)計(jì)方案鬥 能量轉(zhuǎn)化裝置：通過定滑輪將重物的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能。為了讓小 車運(yùn)行得更穩(wěn)定，我們采用小傳動(dòng)比，讓小車的轉(zhuǎn)矩剛好比摩擦力的轉(zhuǎn)矩略 大，使小車先保持盡量低的前進(jìn)速度，然后再實(shí)現(xiàn)逐漸加速的過程，以利于 物體的重力勢(shì)能更多的轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)能，同時(shí)也減少了重物由于高速 下落，最后撞擊車身所帶來的能量損失。 車身整體設(shè)計(jì)：車身采用平滑型的車身，尖嘴寬尾，車尾稍高于車頭，前輪與兩個(gè)后輪成約45°夾角。該設(shè)計(jì)一定程度上有利于小車順利前進(jìn)， 在鋸除 多余部分后更是減輕了不少車身重量。國(guó) 附加物設(shè)計(jì)：重物下落時(shí)緊貼支架，達(dá)

4、到緩慢下落和穩(wěn)定無偏移的效果，同時(shí)能夠盡可能多地將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能；載重物塊豎直卡在車尾的 凹槽中，達(dá)到后期加速的效果。終設(shè)計(jì)方案示意圖如下：二.圖紙總裝圖：各種加工零件的工程圖：1. 底板：2. 軸：3. 輪子：三技術(shù)難點(diǎn)丨 如何設(shè)計(jì)使小車跑的比較遠(yuǎn)？重物下落帶動(dòng)小車前進(jìn)，重物下降的距離相同，根據(jù)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)原理，角速度 相同，半徑越大，線速度越大。因此，我們想出將后輪直徑做得較大、與后輪相 連的軸做得較細(xì)的措施。為了將下落距離更大的轉(zhuǎn)換為前進(jìn)距離， 我們?cè)却蛩?不得用于商業(yè)用途設(shè)計(jì)實(shí)施兩級(jí)放大，在重物與后輪之間另加一根軸 重物與軸粗部連接，軸細(xì) 部與后輪連接。但是在綜合分析可行性以及

5、吸取他組經(jīng)驗(yàn)后， 決定采取簡(jiǎn)單的單 軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，而是通過其他方式來增加行近距離。J如何將能量轉(zhuǎn)換得更多？重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，總能量是相同的，小車前進(jìn)過程中的摩擦損耗越小， 前進(jìn)距離越遠(yuǎn)。因此我們要想辦法盡可能減小損耗。 本來想在重物與繩子間用彈 簧連接，減小重物下落對(duì)車的沖擊，但后來得知彈簧是不允許使用的最終放棄了。 小車質(zhì)量越小，重物下落時(shí)就越容易帶動(dòng)小車前進(jìn)，因此我們決定將小車盡量多 地進(jìn)行裁除，輪子鏤空，既減輕質(zhì)量又美觀。另外保持重物緩慢下落，將重力勢(shì) 能盡可能多地轉(zhuǎn)化為小車動(dòng)能。J如何實(shí)現(xiàn)小車順利啟動(dòng)？另外，小車設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是小車的啟動(dòng)。只要重物下落初始時(shí)刻小車能 順利啟動(dòng)，后續(xù)的

6、前進(jìn)問題就不大。為了使小車容易啟動(dòng)，可以采取在小車后軸 繞線處增大繞線直徑來實(shí)現(xiàn)，但在下落距離一定時(shí)，這樣會(huì)嚴(yán)重縮短小車行進(jìn)的 距離。所以最后我們決定通過計(jì)算力矩等方面設(shè)計(jì)好軸與輪子的直徑適合比，并將軸與繩子連接處適當(dāng)磨粗糙。如何安置支架與載重？支架的安裝以及載重物塊的放置都會(huì)影響小車的重心，從而影響小車的啟動(dòng)和行進(jìn)過程的穩(wěn)定。支架的安裝我們通過反復(fù)考量最終選定了合適的位置，保證重物下落接觸到地盤后不會(huì)掉落也不會(huì)產(chǎn)生任何阻礙；而在載重物塊方面，我們起先是打算放在車首，并用前輪最前方的兩顆螺絲反裝的形式和支架組成三角將 其固定在車上，但這樣會(huì)影響小車最后的加速。于是我們決定在車尾割出合適的 矩形

7、槽，將載重豎直放置，如此一來車身減輕了，載重在重物下落結(jié)束后仍能促 使小車進(jìn)一步向前。四加工工藝1）軸：車床加工不得用于商業(yè)用途2）輪子：激光加工3）底板：鉗工4）整體安裝：鉗工軸的加工：1）選用直徑為10mn的柱體原材料，在200mn處切斷（保留適當(dāng)余量），得到合適長(zhǎng)度的軸；2）接著將軸的端面車平至軸長(zhǎng)200mm；3）然后將軸的兩端分別車成長(zhǎng) 30mn直徑7.8mm的圓柱；4）再將軸兩端車好的圓柱各車成長(zhǎng) 20mn直徑5.8mm的螺紋。J輪子的加工：1）選用輕木質(zhì)板作為小車輪子的原材料；2）先使用CAD畫出輪子的設(shè)計(jì)圖：先畫出一個(gè)直徑 200mm的外圓，再畫出一個(gè) 直徑6mm勺同心內(nèi)圓，然后

8、畫出四瓣扇形作為輪盤上的空心部分的樣式；3）畫好后，我們到激光加工中心將圖導(dǎo)入，用激光切割把兩個(gè)輪子切割成型；4）由于切割下來的輪子邊緣不是很光滑， 我們先是使用了鉗工中的磨的技術(shù)進(jìn) 行打磨，想要把輪子的外沿磨得更光滑圓整一些，但是當(dāng)把輪子裝到小車上 實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)人工打磨的精度比較差，車子有明顯起伏，前進(jìn)速度明顯 不均勻，說明輪子實(shí)際上沒有很圓；5）于是，我們?cè)侔演喿訋У杰嚧曹囬g，用普通車床將輪子車至直徑為160mm最后經(jīng)過車床修正后得出的輪子比原來大有改善，裝到小車上后再次試行， 小車的起伏明顯減小，前進(jìn)速度也比較均勻，說明輪子已經(jīng)比較圓，符合我 們的要求。J底板加工：1）選用長(zhǎng)260m

9、m£ 200mm勺矩形板作為原材料；2）在端部?jī)蛇吀麂彽糸L(zhǎng)260mn寬50mnt勺矩形，再鋸掉兩個(gè)底 20mn高40mnt勺直角三角形；3）在另一端橫向徹底鋸掉寬70mm勺矩形，接著在中部對(duì)稱挖出長(zhǎng)55mn寬15mm的矩形槽；不得用于商業(yè)用途4）在剩下部分按零件分布打孔，最后將切割的邊緣用銼刀磨平整體裝配1）首先裝配前輪：將前輪對(duì)準(zhǔn)孔位，再將螺絲螺帽擰緊即可，前輪最前端的兩 顆長(zhǎng)螺絲采取倒裝；2）接著裝配后輪：先將軸一端的控制軸承裝上，將軸穿過后再裝另一端，接著 將車輪分別由兩顆螺帽固定好位置；3）最后裝配支架與載重：先將支架與滑輪裝好，再在通過計(jì)算和實(shí)踐確定好的 孔位上固定好支架，

10、接著繞線，把載重置于尾部凹槽。五調(diào)試裝配中遇到的問題在裝配完成之后，我們立即進(jìn)行了多次試驗(yàn)與調(diào)試，在這過程中也暴露出了 很多問題，一定程度上都影響了小車的行進(jìn)和距離，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試最終達(dá)到一個(gè) 較為滿意的狀態(tài)。以下將按順序進(jìn)行問題描述。1軸的問題第一次試驗(yàn)時(shí)，小車啟動(dòng)稍有猶豫，比較勉強(qiáng)，我們?cè)嚵撕芏喾N方法進(jìn)行改 進(jìn)。首先想到的是調(diào)整力臂，也就是增大繞線半徑來使小車順利啟動(dòng)， 實(shí)踐證明 這種方法是可行的。但我們不甘于就這樣縮短了小車行進(jìn)距離，既然可以增大力 臂，那麼是否也可以增大力？于是我們將軸的繞線部分進(jìn)行打磨，使粗糙度適中，進(jìn)行改進(jìn)后小車果然順利啟動(dòng)，并且反而增大了行進(jìn)距離。J輪子問題激光加工

11、出來的輪子并不光滑，手動(dòng)磨平也還是不夠達(dá)標(biāo)。于是我們使用車 床進(jìn)行切削，終于達(dá)到要求；另外我們也有想過像其他組一樣， 在輪子上繞上一 圈膠帶以減小摩擦，但反復(fù)試驗(yàn)后還是不饒膠帶走得較遠(yuǎn)， 最終我們覺得放棄膠 帶，直接使用車床磨光滑后的輪子。J繞線問題在進(jìn)行繞線時(shí)，我們也討論了關(guān)于繞線是否越緊越好的問題，最后實(shí)踐證明 繞線需要比較緊繃，但依然是適中為好。緊繃為好是因?yàn)榫€越緊，相同繩長(zhǎng)情況 下繞的圈數(shù)就越多，小車驅(qū)動(dòng)過程就更充分；不能過緊是因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致小車在 一開始的短時(shí)間內(nèi)加速過快，會(huì)使得小車行進(jìn)不穩(wěn)定，且能量轉(zhuǎn)化不充分，造成 一定的浪費(fèi)。決定載重位置的過程也經(jīng)歷了不少爭(zhēng)論。一開始為了盡量多的

12、割去車身以減 輕質(zhì)量，所以計(jì)劃將載重放在前端，由前輪最前方的兩顆螺絲反裝的形式和支架 組成三角將其固定在車上。但是這樣嚴(yán)重增大了前輪的壓力和摩擦力，不利于小 車進(jìn)一步向前。最終我們決定在車身尾部挖出合適大小的槽， 將載重物塊豎直放 置，意外發(fā)現(xiàn)不僅車身減輕了，而且在重物下落結(jié)束后尾端的物塊仍能促使小車 進(jìn)一步向前。六小車達(dá)到的性能經(jīng)過精心制造和反復(fù)調(diào)試，小車最終達(dá)到如下效果:1）重物開始下落小車即順利啟動(dòng)；2）啟動(dòng)后在平直路上穩(wěn)定加速行進(jìn)；3）重物停止下落后小車依舊靠慣性向前滑行一段距離。七收獲體會(huì)回想起造小車的過程，仍然歷歷在目。拼搏、忙碌、汗水與精力揮灑的日子，真是 讓人難忘。戰(zhàn)斗過的親身

13、經(jīng)歷，使我獲得很多很多，整理了一下思緒，得到了以下幾點(diǎn) 收獲。第一，要端正自己的心態(tài)，在訓(xùn)練中有不斷增強(qiáng)自己的決心。明確自己的目標(biāo)，總 而言之“態(tài)度決定一切” 。只有態(tài)度端正了，才能全身心地投入競(jìng)賽，才能在競(jìng)爭(zhēng)中 處于不敗之地。第二，要有熱情。熱情是動(dòng)力的源泉，沒有動(dòng)力，汽車將不能開動(dòng)，火箭將不能騰 空，飛船將不能遨游。同樣，人也一樣，沒有熱情，就沒有前進(jìn)的動(dòng)力，不下定決心， 不得用于商業(yè)用途是不會(huì)有什么結(jié)果的。記得在小車的調(diào)試過程中，每天面對(duì)著走得不夠遠(yuǎn)的小車，我們 無可奈何，但我們還是得不厭其煩的調(diào)試，因?yàn)檫@是一項(xiàng)偉大的工程，于是乎，我們雙 手與雙腳沒有空閑的時(shí)間， 紙上記滿了無規(guī)律的數(shù)據(jù)

14、與想法，只要小車在跑我們就會(huì)覺 得我們就快成功了。到后面距離比賽時(shí)間越來越近，終于靈感來了，一切問題都迎刃而 解了，我們感動(dòng)萬分。是熱情使我們不懼任何困難。是熱情讓我們不知疲倦，是熱情讓 我們比賽充滿激情。第三，要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，科學(xué)是容不得半點(diǎn)馬虎的，小車設(shè)計(jì)是一個(gè)用科學(xué)來 指導(dǎo)實(shí)踐，把科學(xué)運(yùn)用到實(shí)踐中去的過程。既然是指導(dǎo)實(shí)踐，就應(yīng)該做到事無巨細(xì)，考 慮周全。在設(shè)計(jì)的過程中，不應(yīng)放過每一個(gè)細(xì)節(jié)。其次假設(shè)要合理，取舍要得當(dāng)。調(diào)試 是一個(gè)繁雜的過程，要清楚調(diào)節(jié)先后順序，要把責(zé)任落實(shí)到每個(gè)隊(duì)員的身上，每個(gè)人負(fù) 責(zé)自己的工作，運(yùn)用控制變量法調(diào)節(jié)，同時(shí)要時(shí)刻記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后處理寫出報(bào)告。光有這些還

15、是不夠的，還要認(rèn)真，要努力，要有敢于挑戰(zhàn)的信心。我們必須嚴(yán)肅認(rèn) 真的思考我們需要做那些努力，認(rèn)認(rèn)真真的把我們必須作的事情作好。管磊 這次的小車制作作為金工實(shí)習(xí)的最終項(xiàng)目，我認(rèn)為主要是為了鍛煉我們實(shí)習(xí)加工手段如何運(yùn)用在實(shí)用設(shè)計(jì)上， 于是我們?cè)趯?shí)習(xí)每個(gè)項(xiàng)目時(shí)充分了解該項(xiàng)目適用的范圍最后 才能決斷出用什么工藝來完成。同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，我們必須考慮構(gòu)件的可加工性。關(guān)于小車的要求，只能是重力勢(shì)能直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，則我們分析最好是物塊落下時(shí) 的速度為0，即是說每時(shí)每刻勢(shì)能都要轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而小車前進(jìn)的力必須由摩擦力提供，所以我們只能想到用轉(zhuǎn)輪使小車運(yùn)動(dòng)，而且我們接觸到的幾乎所有的組都用這一種方法 使小車運(yùn)動(dòng)。于是我

16、們把重心轉(zhuǎn)移到小車細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)制作中，因?yàn)槲覀儗W(xué)生經(jīng)驗(yàn)不足，理 論分析亦不能完全符合現(xiàn)實(shí)情況，我們?cè)诔浞至私獾较茸龊玫男〗M遇到的問題后，再分析討論了解到解決方法后，再動(dòng)手制作，并且每次留有充分的余量，為了能不斷地改進(jìn)。通過上述這一系列的想法以及做法，讓我在實(shí)習(xí)中學(xué)會(huì)如何從要求構(gòu)思出成品，如 何通過知識(shí)來實(shí)現(xiàn)制作， 如何通過分析來優(yōu)化產(chǎn)品，如何通過吸取他人的經(jīng)驗(yàn)來使自己 的作品更好，我覺得通過這次實(shí)習(xí)實(shí)在是有許多實(shí)質(zhì)性的收獲，感謝老師們給予我們這次機(jī)會(huì)。盧光燦 參與重力勢(shì)能小車制作幾個(gè)星期下來，最深刻的體會(huì)是合作和細(xì)節(jié)。合作自然不用說，分工是很重要的，只有合理分工才能順利高效地完成任務(wù)。其次,制作過

17、程中很多方面的合作也是必不可少的，光是要給小車擰上一個(gè)螺釘，就需要兩個(gè)人齊心協(xié)力，一個(gè)扶車、一個(gè)擰螺釘。而隊(duì)員之間的默契配合，不僅在制作時(shí)可以提高 效率，也可以減少在討論時(shí)為無關(guān)瑣事爭(zhēng)執(zhí)得面紅耳赤的時(shí)間，大家心平氣和、心無雜 念地為著同一個(gè)目標(biāo)而努力。至于細(xì)節(jié)，則是要在制作的過程中謹(jǐn)慎處理好每一個(gè)步驟，比如磨去支架底部的小 凸起，將每一個(gè)孔的位置打得不偏不倚等等。這些小問題，看起來似乎無傷大雅，但如 果處理不好，就會(huì)造成大的麻煩和不必要的返工。畢竟做出的決定往往無從修改，造成 的錯(cuò)誤也往往難以回頭。小車的制作從無到有，從一開始不明所以，到后來能夠駕輕就熟，是一個(gè)從自己手 中創(chuàng)造的愉悅過程。感受

18、這其中不斷碰壁、不斷嘗試，再碰壁、再嘗試的快樂，也就感 受到了自己的成長(zhǎng)。小車制作的過程問題重重，大家都很辛苦，但不得不說，在這個(gè)過 程中我們培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，學(xué)到了很多知識(shí)，收獲了很多。覃澤儒經(jīng)過這次制作小車，我覺得自己的收獲還是很大的。在此之前，我上過工程技術(shù)探 究（即制作投石車）的課程，可以說在零件的認(rèn)知、工具的使用、模型的設(shè)計(jì)方面我都 有一些經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)于當(dāng)時(shí)的投石車，這次的重力勢(shì)能小車在設(shè)計(jì)方面要簡(jiǎn)單一些，不過 讓我們感受到的壓力卻絲毫沒有變小。主要也是因?yàn)樵O(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但是要設(shè)計(jì)出獨(dú)特的方案還是需要更多更全面的思考。最后我們小組并沒有在設(shè)計(jì)上做出很大的改變，而 是利用我們

19、團(tuán)隊(duì)整體對(duì)于細(xì)節(jié)把握的出色能力將工作重點(diǎn)放在了基本尺寸定奪以及精 良加工上，在每一個(gè)點(diǎn)上我們都追求細(xì)致完美。在最后的三周小車加工、調(diào)試中，我們小組充分地利用了每一個(gè)組員的特點(diǎn)，大家 合理地接手任務(wù)，最終將小車的每一個(gè)部件都做到了我們預(yù)先設(shè)計(jì)的程度，最后的組裝也很順利。在調(diào)試中，我們組的小車在行走的距離上也較為理想，這些都?xì)w功于我們小 組每位同志的辛勤付出。最后，感謝沈幸平老師以及其他帶隊(duì)老師在整個(gè)小車制作過程中給予的幫助和指 導(dǎo)！祝身體健康，工作順利！徐一航八建議對(duì)總體活動(dòng)的建議：1）希望能盡早發(fā)放小車零件，以便實(shí)際地確定各零件位置和尺寸。2）除了通過距離來考察小車的性能外，還可以通過是否能走直線、經(jīng)濟(jì)性、可 行性等其他方面性能進(jìn)行考察。3