機械原理課程設計報告書

　 設計題目:

　競賽題目無碳小車得設計

　課程名稱:

　 《機械原理課程設計》

　學生姓名:

　 學生學號:

　所在學院:

　 海洋信息工程學院

　 學習專業:

　機械設計制造及其自動化

　 指 導教師:

　 宮文峰

　2015 年 12 月 月 11 日 目錄

　....................................................................................................................................................... 2

　 第一章

　概述

　................................................................................................................................... 3

　 1 1 、1 1 課程設計任務與目得

　............................................................................................................ 3

　 1 1 、1 1 、 2 課程設計任務 .................................................................................................................. 3 1 1 、 2 無碳小車設計得目得與任務 ................................................................................................ 3

　第二章

　選題介紹 .................................................................................... 3 2 2 、1 1 選題背景、意義 ............................................. 3

　第三章

　總體設計 .................................................................................... 4 3 3 、1 1 方案設計 ................................................... 4 3 3 、1 1 、3 3 傳動機構 ............................................................................................................................... 5 3 3 、1 1 、4 4 轉向機構 ............................................................................................................................... 5 3 3 、1 1 、5 5 行走機構 ............................................................................................................................... 7 3 3 、1 1 、6 6 微調機構 ............................................................................................................................... 7 第四章

　運動分析 .................................................................................... 9 4 4 、1 1 用解析法進行機構得運動綜合與分析 ........................... 9 4 4 、2 2 齒輪參數得分析 ............................................ 12 第五章

　設計小結 .................................................................................. 12 參考文獻: : .............................................................................................. 13 第一章

　概述

　機械原理課程設計就是機械類各專業學生第一次課程設計,就是重要得實踐性教學環節,對于培養學生機械系統運動方案設計與創新設計能力、解決工程實際中機構分析與設計能力等有著十分重要意義。

　本次課程設計以第五屆全國大學生工程能力綜合訓練競賽“無碳小車”題目為基礎,進行創新設計。設計對題目進行了從新分解,運用課程內所學知識,通過查閱資料結合前人經驗,從幾個方面進行方案得設計與分析選擇,依據機械機構得設計理念,設計出一個完全依靠重力勢能提供動力,以平面轉向機構實現周期性轉向自動避讓障礙物得輕質小車方案。

　1 1 、 1 課程設計目得與任務

　1 1 、1 1 、1 1 課程設計目得

　1)綜合運用機械原理課程得理論與實踐知識,分析與解決與本課程有關得實際問題,促進所學理論知識得鞏固、深入與歸納; 2)培養學生得創新設計能力、綜合設計能力與團隊協作精神; 3) 加強學生動手能力得培養與工程實踐得訓練,提高學生針對實際需求進行創新思維、綜合與工藝制作等實際工作能力;

　4)提高學生運算、繪圖、表達、運用計算機、搜集與整理資料能力; 5)為將來從事技術工作打基礎。

　1 1 、1 1 、 2 課程設計任務

　結合一個簡單或中等復雜程度得機械系統,讓學生根據使用要求與功能分析,開拓思路,敢于創新,巧妙地構思其工作原理與選擇工藝動作過程;由所選擇得工作原理與工藝動作過程綜合應用所學過得各類常用機構得結構組成、運動原理、工作特點及應用場合等知識,進行機構得選型、創新與組合,構思出各種可能得運動方案,并通過方案評價、優化篩選,選擇最佳方案;就所選擇得最佳運動方案,應用計算機輔助分析與設計方法(也可以使用圖解法)進行機構尺度綜合與運動分析;由運動方案與尺度綜合結果繪制機構系統運動簡圖。

　1 1 、 2 無碳小車設計得目得與任務

　設計一種小車,驅動其行走及轉向得能量就是根據能量轉換原理,由給定重力勢能轉換而得到得。該給定重力勢能由質量為 1Kg 得標準砝碼(￠50×65 mm,碳鋼制作)來獲得,砝碼得可下降高度為 400±2mm。標準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得能量均由此給定重力勢能轉換而得,小車具有轉向控制機構,且此轉向控制機構具有可調節功能。

　第二章

　選題介紹

　2 2 、1 1 選題背景、意義

　本設計源于 6 年第五屆全國大學生工程能力綜合訓練競賽“無碳小車”,該競賽要求以一個指定尺寸與質量得重塊為動力源,用能量得轉換來取得動能,小車能依據自動轉向裝置來達到繞過事先安排障礙物得目得。挑戰杯就是“挑戰杯”全國大學生系列科技學術競賽得簡稱,就是由共青團中央、中國科協、教育部與全國學聯、地方省級人民政府共同主辦得全

　國性得大學生課外學術科技創業類競賽,承辦高校為國內著名大學。“挑戰杯”競賽在中國共有兩個并列項目,一個就是“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽(大挑);另一個則就是“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽(小挑)。這兩個項目得全國競賽交叉輪流開展,每個項目每兩年舉辦一屆。“挑戰杯”系列競賽被譽為中國大學生學生科技創新創業得“奧林匹克”盛會,就是目前國內大學生最關注最熱門得全國性競賽,也就是全國最具代表性、權威性、示范性、導向性得大學生競賽。

　隨著人們節能環保意識得提升,無碳得理念也越來越被人們提上研究得課題。更潔凈、更環保、更節能、更高效得理念也深入人心。本小車就是對“無碳”理念得探索與開發,對未來“無碳”得憧憬。小車構思巧妙,在完成設計得要求下充分考慮了外觀與成本等問題,方便以后得擴展與進一步得開發。并能滿足大部分初高中及大學學生對機械知識實踐得實驗與了解。對激發青少年對機械構造得熱情有深遠得影響。

　第三章

　總體設計

　3 3 、1 1 方案設計

　通過對小車得功能分析小車需要完成重力勢能得轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設計這里根據小車所要完成得功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設計(車架 、原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構 、微調機構)。為了得到令人滿意方案,采用擴展性思維設計每一個模塊,尋求多種可行得方案與構思。經過對比各種方案得優缺點,結合實際情況選取符合合適得方案。

　3 3 、1 1 、1 1 車架

　車架不用承受很大得力,精度要求低。考慮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 3 3 、1 1 、2 2 原動機構 原動機構得作用就是將重塊得重力勢能轉化為小車得驅動力。能實現這一功能得方案有多種,就效率與簡潔性來瞧繩輪最優。小車對原動機構還有其它得具體要求。1、驅動力適中,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、到達終點前重塊豎直方向得速度要盡可能小,避免對小車過大得沖擊。同時使重塊得動能盡可能得轉化到驅動小車前進上,如果重塊豎直方向得速度較大,重塊本身還有較多動能未釋放,能量利用率不高。3、由于不同得場地對輪子得摩擦摩擦可能不一樣,在不同得場地小車就是需要得動力也不一樣。在調試時也不知道多大得驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同得需要調整其驅動力。4、機構簡單,效率高。

　基于以上分析我們提出了輸出驅動力可調得繩輪滾筒式原動機構。通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出得動力。

　3 3 、1 1 、3 3 傳動機構

　傳動機構得功能就是把動力與運動傳遞到轉向機構與驅動輪上。要使小車行駛得更遠及按設計得軌道精確地行駛,傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等。

　1、不用其它額外得傳動裝置,直接由動力軸驅動輪子與轉向機構,此種方式效率高、結構最簡單。但重錘很大一部分能量轉換成了重錘得動能,在不考慮其它條件時這就是最優得方式。

　2、帶輪具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。

　3、齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求得情況下優先考慮使用齒輪傳動。

　因此,比較上述幾種機構選擇齒輪作為小車得傳動機構。

　3 3 、1 1 、4 4 轉向機構

　轉向機構就是本小車設計得關鍵部分,直接決定著小車得功能。轉向機構也同樣需要盡可能得減少摩擦耗能,結構簡單,零部件已獲得等基本條件,同時還需要有特殊得運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求得來回擺動,帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障得功能。能實現該功能得機構有:凸輪機構+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、錐齒輪加曲柄擺

　桿機構等等。

　凸輪:凸輪就是具有一定曲線輪廓或凹槽得構件,它運動時,通過高副接觸可以使從動件獲得連續或不連續得任意預期往復運動。

　優點:只需設計適當得凸輪輪廓,便可使從動件得到任意得預期運動,而且結構簡單、緊湊、設計方便;缺點:凸輪輪廓加工比較困難。

　在本小車設計中由于:凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆得改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大(滑動摩擦)因此不采用 曲柄連桿+ + 搖桿: :

　優點:運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;兩構件之間得接觸就是靠本身得幾何封閉來維系得,它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。

　缺點:一般情況下只能近似實現給定得運動規律或運動軌跡,且設計較為復雜;當給定得運動要求較多或較復雜時,需要得構件數與運動副數往往比較多,這樣就使機構結構復雜,工作效率降低,不僅發生自鎖得可能性增加,而且機構運動規律對制造、安裝誤差得敏感性增加;機構中做平面復雜運動與作往復運動得構件所長生得慣性力難以平衡,在高速時將引起較大得振動與動載荷,故連桿機構在此小車暫不考慮。

　曲柄搖桿

　結構較為簡單,但與凸輪一樣有一個滑動得摩擦副,其效率低。其急回特性導致難以設計出較好得機構。

　錐齒輪加曲柄擺桿機構

　優點:結構簡單、緊湊、設計方便,其急回特性能較好得解決小車較好避開距離改變得障礙物。同時可以通過改變曲率半徑做成小車行駛得微調機構。

　綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉向機構得方案。

　 圖二 3 3 、1 1 、5 5 行走機構

　 行走機構即為三個輪子,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得關系為

　對于相同得材料為一定值。

　而滾動摩擦阻力,所以輪子越大小車受到得阻力越小,因此能夠走得更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。

　由于小車就是沿著曲線前進得,后輪必定會產生差速。但小車質量較小,速度不快,可以考慮不使用差速,輪可以采用雙輪同步驅動。

　綜上所述行走機構得輪子應有恰當得尺寸,輪子邊緣應竟可能與地得接觸面積小。

　3 3 、1 1 、6 6 微調機構

　一臺完整得機器包括:原動機、傳動機、執行機構、控制部分、輔助設備。微調機構就

　屬于小車得控制部分。由于前面確定了錐齒輪加曲柄擺桿機構 方案,由于錐齒輪加曲柄擺桿機構加工誤差,安裝精度等,因此就必須加上微調機構,對誤差進行修正。這就是采用微調機構得原因之一,其二就是為了調整小車得軌跡(幅值,周期,方向等),使小車走一條最優得軌跡。

　微調機構可以采用下錐齒輪下得圓盤開槽,通過微調曲率半徑即可。如圖

　圖三

　由于理論分析與實際情況有差距,只能通過理論分析得出較優得方案而不能得到最優得方案。因此我們設計了一種機構簡單得小車,通過小部分得改動便可以改裝成其它方案,再通過試驗比較得到最優得小車。

　3 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動輪使小車往前運動。驅動輪得轉動帶動錐齒輪轉動,錐齒輪下得轉盤也跟著轉動,通過擺桿往復得擺動實現導向輪周期性得擺動實現小車得轉向。

　第四章

　運動分析

　4 4 、1 1 用解析法進行機構得運動綜合與分析

　 當重物下降時,驅動軸(軸 3)轉過得角度為,則有

　則曲柄軸(a 軸 2)轉過得角度

　小車移動得距離為(以 A 輪為參考)

　軸 1 轉過得角度為

　b、轉向: 當大錐齒輪轉過得角度為,曲柄轉過得角度為 則與滿足以下關:

　解上述方程可得與得函數關系式

　c、小車行走軌跡 只有 A 輪為驅動輪,當轉向輪轉過角度時,如圖: 則小車轉彎得曲率半徑為

　小車行走過程中,小車整體轉過得角度

　當小車轉過得角度為時,有

　d、小車其她輪得軌跡 以輪 A 為參考,則在小車得運動坐標系中,B 得坐標 C 得坐標 在地面坐標系中,有

　 由上述公式可知,調整曲柄長度及前輪中心到齒輪中心得水平距離可調整前輪擺角,從而可以改變小軌跡曲線得幅值;調整后輪半徑 R,兩錐齒輪得傳動比可調整小車軌跡周期長度。

　而傳動比i3與滾筒半徑R3不影響小車軌跡,影響重物下降后小車行走得路程,故其根據傳動得摩擦與小車啟動時所需力矩作調整,分析后 I3 =2,R3=6。

　通過編寫程序,根據實際設定后輪半徑,調整各參數為 R =120,e = 55,L = 93,i1 = 3,計算得到小車運動軌跡如圖所示。軌跡曲線幅值為 212mm,周期長度為 2040mm。

　該方案就是通過一對錐齒輪嚙合傳動,通過e與L來直接改變前輪擺角a得大小;整個車得結構對稱平衡,保證了車行駛過程中得穩定性。但同時限制了小車兩個后輪之間得距離必須大于 2e,后輪間距得增加會加大車寬,因此要求軌跡曲線得幅值應足夠大,以免小車繞障時撞到障礙物上。

　 4 4 、2 2 齒輪參數得分析

　小車所受摩擦力與小車中重量成正比,因此設計過程中盡量減小尺寸,從而減輕重量。對于直齒齒輪,選取模數為 1。由傳動比 i3=2,確定軸 3 上得齒輪齒數 Z3 = 30,軸 2 上與其嚙合得齒輪齒數 Z2 = 15。由傳動比 i1 = 3,確定軸 2 上得錐齒輪齒數 Z2’ = 18,軸 3 上與其嚙合得錐齒輪齒數 Z3 = 54。

　 第五章

　設計小結

　在此次課程設計中,能夠把理論性得知識運用得設計中,包括我們學過得內容,如:機械原理、機械設計、工程力學、互換性技術。當然也少不少我們得據圖軟件,如 soildworks、CAD 等等,學好這些軟件對我們將來得發展有巨大幫助。

　首先我們大家討論確定小車得結構。在網上我們找到了一些素材,接下來我們要做得就是建模,這需要用得三維建模軟件 solid Works,我們確定了小車得各部分結構,在轉向機構得確定過程中,剛開始想了幾種方案,經過對比優缺點,我們最終采用曲柄連桿+搖桿作為小車轉向機構得方案。在本次實驗中我們得到很大鍛煉,收獲頗深,首先學會了設計齒輪,并且計算齒輪得參數,如:根據模數 、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。當然我們也可以用三維圖畫出我們所設計得無動力小車,對于 soildworks

　有了更深層次得認識與運用。

　本次實驗得難點就是:如何設計一對嚙合齒輪,如何計算齒輪參數,如何設計小車前輪得轉向,如何計算轉向得幅度等等。

　同時我們也就是一個團隊所以一定要有團隊合作意識——團隊成員間相互依存、同舟共濟,互敬互重、禮貌謙遜;彼此寬容、尊重個性得差異;彼此間就是一種信任得關系、待人真誠、遵守承諾;相互幫助、互相關懷,大家彼此共同提高;利益與成就共享、責任共擔。同時信任就是合作得基礎與前提,它能夠提高團隊合作,讓大家把焦點集中在工作而不就是其她議題上。

　需要改進幾個方面:1 計算參數不夠完整,因為不會算。2 三維圖不夠逼真。3 沒有調動好組員得積極性。4 小車布局不夠合理。

　參考文獻: :

　[1]孫桓,葛文杰、機械原理(第八版)[M]、北京:高等教育出版社,2013、 [2]李慶余,孟廣耀、機械制造裝備設計(第二版)[M]、北京:機械工業出版社,2008 [3]王斌,王衍,李潤蓮等、“無碳小車”得創新性設計、大同大學學報,2012,28、 [4]胡紅英,于金普,包耳、無碳小車結構設計與分析、大連民族學院學報,2013,15、 [5]李剛,周致成等、S 形轉向運動無碳小車得改進設計研究、汽車實用技術,2014,2、 [6]姜帥琦、基于無碳小車得優化設計、高科技術研發,2014,10、 [7]劉極峰、計算機輔助設計與制造[M]、高等教育出版社,2004、

　 [8 李瑞琴、機械原理課程設計[M]、電子工業出版社,2004、

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