無碳小車實(shí)驗(yàn)報告

1、jft議樣幷逾令科孩/GUILINUNUVERITrOFELECTRONICTECHINOLOGY機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)報告書設(shè)計(jì)題目：競賽題目無碳小車的設(shè)計(jì)課程名稱：機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名:學(xué)生學(xué)號:所在學(xué)院：海洋信息工程學(xué)院學(xué)習(xí)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化指導(dǎo)教師：宮文峰2015年12月11日目錄2第一章概述31.1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與目的3課程設(shè)計(jì)任務(wù)31.2無碳小車設(shè)計(jì)的目的與任務(wù)3第二章選題介紹42.1 選題背景、意義4第三章總體設(shè)計(jì)43.1 方案設(shè)計(jì)4傳動機(jī)構(gòu)53.1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)6行走機(jī)構(gòu)73.1.4 微調(diào)機(jī)構(gòu)8第四章運(yùn)動分析94.1 用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動綜合與分析9齒輪參數(shù)的分析12

2、第五章設(shè)計(jì)小結(jié)12參考文獻(xiàn)：13第一章概述機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是機(jī)械類各專業(yè)學(xué)生第一次課程設(shè)計(jì)，是重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、解決工程實(shí)際中機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)能力等有著十分重要意義。本次課程設(shè)計(jì)以第五屆全國大學(xué)生工程能力綜合訓(xùn)練競賽“無碳小車”題目為基礎(chǔ)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)對題目進(jìn)行了從新分解，運(yùn)用課程內(nèi)所學(xué)知識，通過查閱資料結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)，從幾個方面進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)與分析選擇，依據(jù)機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出一個完全依靠重力勢能提供動力，以平面轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)周期性轉(zhuǎn)向自動避讓障礙物的輕質(zhì)小車方案。1.1課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)課程設(shè)計(jì)目的1）綜合運(yùn)用機(jī)械原理課程的理論和實(shí)

3、踐知識，分析和解決與本課程有關(guān)的實(shí)際問題，促進(jìn)所學(xué)理論知識的鞏固、深入和歸納；2）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、綜合設(shè)計(jì)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神；3）加強(qiáng)學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新思維、綜合和工藝制作等實(shí)際工作能力；4）提高學(xué)生運(yùn)算、繪圖、表達(dá)、運(yùn)用計(jì)算機(jī)、搜集和整理資料能力；5）為將來從事技術(shù)工作打基礎(chǔ)。課程設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)合一個簡單或中等復(fù)雜程度的機(jī)械系統(tǒng)，讓學(xué)生根據(jù)使用要求和功能分析，開拓思路，敢于創(chuàng)新，巧妙地構(gòu)思其工作原理和選擇工藝動作過程；由所選擇的工作原理和工藝動作過程綜合應(yīng)用所學(xué)過的各類常用機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動原理、工作特點(diǎn)及應(yīng)用場合等知識，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的選型、創(chuàng)

4、新與組合，構(gòu)思出各種可能的運(yùn)動方案，并通過方案評價、優(yōu)化篩選，選擇最佳方案；就所選擇的最佳運(yùn)動方案，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)方法（也可以使用圖解法）進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺度綜合和運(yùn)動分析；由運(yùn)動方案和尺度綜合結(jié)果繪制機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動簡圖。1.2無碳小車設(shè)計(jì)的目的與任務(wù)設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（C50X65mm,碳鋼制作）來獲得，砝碼的可下降高度為400土2mm標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不從小車上掉落。圖1為小車示意圖。小車在行走過程中完成所有動作所需的能量均由此給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得，小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控

5、制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能。第二章選題介紹2.1選題背景、意義本設(shè)計(jì)源于6年第五屆全國大學(xué)生工程能力綜合訓(xùn)練競賽“無碳小車”，該競賽要求以一個指定尺寸與質(zhì)量的重塊為動力源，用能量的轉(zhuǎn)換來取得動能，小車能依據(jù)自動轉(zhuǎn)向裝置來達(dá)到繞過事先安排障礙物的目的。挑戰(zhàn)杯是“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽的簡稱，是由共青團(tuán)中央、中國科協(xié)、教育部和全國學(xué)聯(lián)、地方省級人民政府共同主辦的全國性的大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技創(chuàng)業(yè)類競賽，承辦高校為國內(nèi)著名大學(xué)。“挑戰(zhàn)杯”競賽在中國共有兩個并列項(xiàng)目，一個是“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽（大挑）；另一個則是“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽（小挑）。這兩個項(xiàng)目的全國競賽交叉輪

6、流開展，每個項(xiàng)目每兩年舉辦一屆?！疤魬?zhàn)杯”系列競賽被譽(yù)為中國大學(xué)生學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的“奧林匹克”盛會，是目前國內(nèi)大學(xué)生最關(guān)注最熱門的全國性競賽，也是全國最具代表性、權(quán)威性、示范性、導(dǎo)向性的大學(xué)生競賽。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的提升，無碳的理念也越來越被人們提上研究的課題。更潔凈、更環(huán)保、更節(jié)能、更高效的理念也深入人心。本小車是對“無碳”理念的探索與開發(fā)，對未來“無碳”的憧憬。小車構(gòu)思巧妙，在完成設(shè)計(jì)的要求下充分考慮了外觀和成本等問題，方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步的開發(fā)。并能滿足大部分初高中及大學(xué)學(xué)生對機(jī)械知識實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)與了解。對激發(fā)青少年對機(jī)械構(gòu)造的熱情有深遠(yuǎn)的影響。第三章總體設(shè)計(jì)3.1方案設(shè)計(jì)通過對小

7、車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。經(jīng)過對比各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況選取符合合適的方案。車架車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量影響加工難易等，車架采用鋁合金制作成三角底板式。圖一原動機(jī)構(gòu)原動機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū)動力適

8、中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機(jī)構(gòu)簡單，效率高?；谝陨戏治鑫覀兲岢隽溯敵鲵?qū)動力可調(diào)的繩輪滾筒式原動機(jī)構(gòu)。通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出的動力。傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪

9、上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。1. 不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率高、結(jié)構(gòu)最簡單。但重錘很大一部分能量轉(zhuǎn)換成了重錘的動能，在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。2. 帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。3. 齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。因此，比較上述幾種機(jī)構(gòu)選擇齒輪作為小車的傳動機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能

10、。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運(yùn)動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、錐齒輪加曲柄擺桿機(jī)構(gòu)等等。凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預(yù)期運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設(shè)計(jì)中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效

11、率低能量損失大（滑動摩擦）因此不采用曲柄連桿+搖桿：優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)往往比較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動和作往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機(jī)構(gòu)在此小車暫不考慮

12、。曲柄搖桿結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)構(gòu)。錐齒輪加曲柄擺桿機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便，其急回特性能較好的解決小車較好避開距離改變的障礙物。同時可以通過改變曲率半徑做成小車行駛的微調(diào)機(jī)構(gòu)。綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。圖行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分,大小之別，材料之不同需要綜合考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為M對于相同的材料為一定值。而滾動摩擦阻力N_R，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。由于小車

13、是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會產(chǎn)生差速。但小車質(zhì)量較小，速度不快，可以考慮不使用差速，輪可以采用雙輪同步驅(qū)動。綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽纾喿舆吘墤?yīng)竟可能與地的接觸面積小。微調(diào)機(jī)構(gòu)一臺完整的機(jī)器包括：原動機(jī)、傳動機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于前面確定了錐齒輪加曲柄擺桿機(jī)構(gòu)方案，由于錐齒輪加曲柄擺桿機(jī)構(gòu)加工誤差，安裝精度等，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期,方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用下錐齒輪下的圓盤開槽，通過微調(diào)曲率半徑即可。如圖圖三由于理論分析與實(shí)際情況

14、有差距，只能通過理論分析得出較優(yōu)的方案而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們設(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)簡單的小車，通過小部分的改動便可以改裝成其它方案，再通過試驗(yàn)比較得到最優(yōu)的小車。3.2傳遞路線重錘從高處往下落時，繩子拉動階梯滾筒，帶動齒輪把動力傳遞給驅(qū)動輪使小車往前運(yùn)動。驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動帶動錐齒輪轉(zhuǎn)動，錐齒輪下的轉(zhuǎn)盤也跟著轉(zhuǎn)動，通過擺桿往復(fù)的擺動實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輪周期性的擺動實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。第四章運(yùn)動分析4.1用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動綜合與分析滾筒導(dǎo)桿當(dāng)重物下降dh時，驅(qū)動軸（軸3）轉(zhuǎn)過的角度為d3，則有d3h/r3則曲柄軸（a軸2）轉(zhuǎn)過的角度d2d3/i3小車移動的距離為（以A輪為參考）dsRd2軸i轉(zhuǎn)過的角度為d1d2

15、/i2b、轉(zhuǎn)向：當(dāng)大錐齒輪轉(zhuǎn)過的角度為1，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為則與1滿足以下關(guān)：atan(e*sin(1)/(L-e*cos(1)解上述方程可得1與的函數(shù)關(guān)系式C、小車行走軌跡只有A輪為驅(qū)動輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時，如圖:則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為baitan小車行走ds過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度ds當(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有dxdssindydscosd、小車其他輪的軌跡以輪A為參考，則在小車的運(yùn)動坐標(biāo)系中，B的坐標(biāo)Baia2,0C的坐標(biāo)Ca，d在地面坐標(biāo)系中，有XbXa佝a2)cosYbYa(a1a2)sinXcXaa1cosdsinYcYadcosa1sin由上述公式可知，調(diào)整曲柄長度及前輪中心到齒

16、輪中心的水平距離可調(diào)整前輪擺角，從而可以改變小軌跡曲線的幅值；調(diào)整后輪半徑R,兩錐齒輪的傳動比可調(diào)整小車軌跡周期長度。而傳動比i3和滾筒半徑R3不影響小車軌跡，影響重物下降后小車行走的路程，故其根據(jù)傳動的摩擦和小車啟動時所需力矩作調(diào)整，分析后I3=2，R3=&通過編寫程序，根據(jù)實(shí)際設(shè)定后輪半徑，調(diào)整各參數(shù)為R=120，e=55，L=93，i1=3，計(jì)算得到小車運(yùn)動軌跡如圖所示。軌跡曲線幅值為212mm周期長度為2040mm該方案是通過一對錐齒輪嚙合傳動，通過e和L來直接改變前輪擺角a的大?。徽麄€車的結(jié)構(gòu)對稱平衡，保證了車行駛過程中的穩(wěn)定性。但同時限制了小車兩個后輪之間的距離必須大于2e,后輪間

17、距的增加會加大車寬，因此要求軌跡曲線的幅值應(yīng)足夠大，以免小車?yán)@障時匹逵一_圖4計(jì)算軌跡4.2齒輪參數(shù)的分析小車所受摩擦力與小車中重量成正比，因此設(shè)計(jì)過程中盡量減小尺寸，從而減輕重量。對于直齒齒輪，選取模數(shù)為1。由傳動比i3=2，確定軸3上的齒輪齒數(shù)Z3=30，軸2上與其嚙合的齒輪齒數(shù)Z2=15。由傳動比i1=3，確定軸2上的錐齒輪齒數(shù)Z2=18軸3上與其嚙合的錐齒輪齒數(shù)Z3=54。第五章設(shè)計(jì)小結(jié)在此次課程設(shè)計(jì)中，能夠把理論性的知識運(yùn)用的設(shè)計(jì)中，包括我們學(xué)過的內(nèi)容，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程力學(xué)、互換性技術(shù)。當(dāng)然也少不少我們的據(jù)圖軟件，如soildworksCAD等等，學(xué)好這些軟件對我們將來的

18、發(fā)展有巨大幫助。首先我們大家討論確定小車的結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)上我們找到了一些素材，接下來我們要做的是建模，這需要用的三維建模軟件solidWorks，我們確定了小車的各部分結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的確定過程中，剛開始想了幾種方案，經(jīng)過對比優(yōu)缺點(diǎn)，我們最終采用曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。在本次實(shí)驗(yàn)中我們得到很大鍛煉，收獲頗深，首先學(xué)會了設(shè)計(jì)齒輪，并且計(jì)算齒輪的參數(shù)，如：根據(jù)模數(shù)、傳動比算兩個分度圓直徑、齒根高、齒全高、齒寬、中心距、傳動比等等。當(dāng)然我們也可以用三維圖畫出我們所設(shè)計(jì)的無動力小車，對于soildworks有了更深層次的認(rèn)識和運(yùn)用。本次實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是：如何設(shè)計(jì)一對嚙合齒輪，如何計(jì)算齒輪參數(shù)，如何設(shè)計(jì)小車前輪的轉(zhuǎn)向，如何計(jì)算轉(zhuǎn)向的幅度等等。同時我們也是一個團(tuán)隊(duì)所以一定要有團(tuán)隊(duì)合作意識團(tuán)隊(duì)成員間相互依存、同舟共濟(jì)，互敬互重、禮貌謙遜；彼此寬容、尊重個性的差異；彼此間是一種信任的關(guān)系、待人真誠、遵守承諾；相互幫助、互相關(guān)懷，大家彼此共同提高；利益和成就共享、責(zé)任共擔(dān)。同時信任是合作的基礎(chǔ)和前提，它能夠提高團(tuán)隊(duì)合作，讓大家把焦點(diǎn)集中在工作而不是其他議題上。需要改進(jìn)幾個方面：1計(jì)算參數(shù)不夠完整，因?yàn)椴粫恪?三維圖不夠逼真。3沒有調(diào)動好組員的積極性。4小車布局不夠合理。參考