S型无碳小车的设计.docx
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S型无碳小车的设计
目录
摘要3
Abstact4
1.绪论5
引言:
5
1.1小车功能设计要求5
1.2小车整体设计要求5
1.3基本原理6
1.4设计亮点6
2.方案设计6
2.1车架6
2.2原动机构6
2.3.传动机构:
7
2.4.转向机构:
7
2.5.行走机构:
8
3.计算8
4.结论10
5.参考文献10
摘要
这次设计主题为“无碳小车”。
在设计小车过程中特别注重设计的方法,力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路;作品的设计做到有系统性规范性和创新性;设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。
设计中给定一重力势能,根据能量转换原理,设计了一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。
该小车在自行前行时能够自动避开赛道上每60CM一个的障碍物,此设计的最大特点是将重力势能转化为齿轮的传动,进而根据齿轮的啮合带动驱动轮和转向轮按照既定的路线完成任务。
本方案根据小车功能要求把小车分为车架,原动机构,传动机构,转向机构和执行机构。
车架为三角底板式,传动主要采用齿轮传动,转向使用凸轮,行走机构采用单轮驱动实现差速。
本文将对无碳小车的设计过程,结构功能特点等进行详细的介绍。
关键词:
无碳小车齿轮啮合转向机构单轮驱动
Abstact
The design theme of "carbon-free car. Special emphasis on the design of the car in the design, and strive to be clear and open design ideas through the analysis of the proposition; a systematic normative and innovative design of the work to do; materials, processing, manufacturing costs are taken into account in the design process to the factors. Design given gravitational potential energy, according to the principle of energy conversion, designed the gravitational potential energy into mechanical energy and used to drive the device of trolley travel. Own row, the car can automatically avoid 60CM an obstacle on the track, the most important feature of this design is the gravitational potential energy into gear transmission, which according to the meshing of the gears to drive the drive wheels and steering wheel in accordance with the established route complete the task.
The program required under the car features the car into the frame, mechanism, transmission, steering and implementing agencies. Frame triangle bottom type, the main drive gear transmission, steering cam, single wheel drive running gear differential. This article will carbon-car design process, structural features detailed introduction
Keywords:
carbon-free car gear engagement steering the establishments wheel drive
1.绪论
引言:
“环保在身边之‘无碳生活’”一帖在东楚网黄石新闻网发出之后,众多的网游纷纷跟帖支招,各显申通,通过生活中的小细节让人们有意识的减少碳排放。
多数网友认为,对社会整体而言,完全“无碳”难以做到,但是有意识的减少碳排放却是随地可做的事,勿因善小而不为,勿因恶小而为之。
随着社会科技的发展,人们的生活水平的提高以及人们环保意识的增强,无碳对于人们来说显得越来越重要,建设无碳社会,使得生活更加的环保,没有任何污染。
这个需要我们一起去努力的实现,而无碳小车的设计和发明,使得这个问题被摆在了桌面上供大家研究。
无碳车是比较环保的短途代步工具,节能、经济、方便、环保。
因此,在人均拥有汽车比例很高的欧美发达国家,无一例外的自觉提倡推广低碳车。
许多的人认为,确保无碳车的便利通达,既是现实的选择也是大势所趋。
在当今发达国家,无碳技术被运用到各个领域,例如交通,家庭用具等等,这也是我国当今所要求以及努力的方向。
针对目前的这么一个状况,我设计了无碳小车的模型,利用重力势能转换为机械能,提供了一条新思路,一边更好的解决以上问题
1.1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。
该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物(每间隔60cm,放置一个障碍物)。
给定重力势能为4焦耳(取g=10m/s2),使用质量为1Kg的重块铅垂下降来获得,落差400mm,重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不允许掉落。
且能量有限,小车的机构应当尽量的减少,机构设计越复杂,越复杂,机构越多,小车的效率就会越低,越简单的设计越能将重力势能高效率的应用。
要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得,不可使用任何其他的能量形式。
小车要求采用三轮结构(1个转向轮,2个驱动轮)。
小车前进的路线具有一定的周期性;考虑到小车转向时候速度有所损失,小车前进的路线是设计要求的最优解
1.2小车整体设计要求
小车设计过程中需要完成:
机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。
命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素,提出合理的工程规划。
设计能力项要求对作品的设计具有创新性和规范性。
命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主
1.3基本原理
该方案由物块从0.4米高空处垂直下落,通过棉线,滑轮,齿轮系来带动小车先加速再匀速最后减速行驶,再由齿轮,凸轮,连杆从起步开始转向走出正弦曲线,完成小车转向目的。
1.4设计亮点
1,阶梯原动轮:
由阶梯形原动轮的半径变化使小车实现先加速后匀速再减速的速度变化,这样有利于小车稳定转向增长小车的前进距离,同时避免了物块下落时对小车造成的冲击,损耗能量,提高了能量的利用率。
2,凸轮:
凸轮转向使得转向稳定且对能量的消耗较小。
3,后轮:
后轮直径较大,有利于减少摩擦力进而增大了前进的距离,同时较大的后轮使得小车的稳定性得到提高。
2.方案设计
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。
在这个设计中,最重要的便是传动和转向机构的设计,在这两个设计中,我们要认真比对各个方案的优缺点以及对方案可行性分析。
在各项设计中要注意尽量减少中间传动机构的级数,并且使用能量传递效率高的传动方案。
同时地面对小车车轮的摩擦力为小车的主要耗能形式,所以要尽量减少车轮与地面的摩阻系数,选用最合适的车轮材料。
在设计驱动轮时要保证小车加速—匀速—减速的行驶状态,使得小车的行驶环境最优。
2.1车架
对于车架有两种方案
(1)骨架式、
(2)三角板式。
由于需要定位且固定的零件比较多,且车架不用承受很大的力,精度要求比较高,这里采用三角板式车架,这样有利于零件良好的固定在车架上,使得小车的精度提升,并且减小车身震动
2.2原动机构
对于原动机构,主要有
(1)链轮式
(2)皮带轮式(3)弹簧式(4)绳轮式这四种方案。
对于原动机构的具体要求有:
1.驱动力适中,不至于小车拐弯的时候由于速度过大而侵犯,或者物块摇晃厉害影响行走。
2.到达终点前物块的速度要尽可能的小,避免对小车造成冲击,同时使物块的动能尽可能的转化到小车的驱动前进上,如果物块竖直方向上的速度比较大,物块本身还有较多动能未释放能量,那些能量将浪费。
3.机构简单,效率高。
就效率和简洁性上来看,这里选择绳轮最优。
要实现小车的最优行驶环境,应该从绳轮的直径下手。
利用力矩平衡的原理,充分使用物块的重力势能。
绳轮的设计采用阶梯型,在最开始绳轮的半径略微大点,使得转矩大于外力矩,实现小车的加速。
中间部位利用力矩平衡,使小车匀速行驶。
在物块快要到达底端时,使绳轮的直径变小,使得产生的力矩小于外力矩总和,以达到减速的目的。
同时可以通过控制棉线绕的圈数来控制小车的加速时间以及加速度以及减速时间。
可以通过实验得出最优缠绕方案
2.3.传动机构:
传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。
要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶,对传动机构的要求是:
传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
所以有以下方案供参考:
1.不用其它额外的传动装置,直接由动力轴驱动轮子和转向机构,此种方式效率最高、结构最简单。
在不考虑其它条件时这是最优的方式。
2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但是其效率及传动精度并不高,所以不适合本小车设计。
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。
因此在这里优先考虑使用齿轮传动。
2.4.转向机构:
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预定轨道运动,带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。
供选择来实现该功能的机构有:
曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、凸轮机构+摇杆等等。
(1)凸轮:
凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件,它运动时,是通过高副接触可以使从动件获得任意预期往复运动。
优点:
只需设计适当的凸轮轮廓,便可使从动件得到任意的预期运动,而且结构简单、紧凑、设计方便;缺点:
凸轮轮廓加工比较困难,价格贵。
(2)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;两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的,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的运动规律或运动轨迹,且设计较为复杂;如果给定的运动要求较多或较复杂时,需要的构件数和运动副数目往往会比较多,这样就使得结构复杂,工作效率降低,不仅发生自锁的可能性大大增加,而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加;机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡,在高速时将引起较大的振动,故连杆机构常用于速度较低的场合。
(3)曲柄摇杆:
结构较为简单,但是其效率低。
其急回特性导致难以设计出较好的机构。
综上所述,选择凸轮具有结构设计简单,导向精确的优点。
所以这里选择凸轮作为导向机构。
2.5.行走机构:
行走机构即为三个轮子,轮子有厚薄、大小、材料各不相同,需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
对于相同的材料
为一定值。
而滚动摩擦阻力
,所以轮子越大小车受到的阻力越小,因此能够走的更远。
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。
而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。
差速器能较好的减少摩擦损耗,同时能够实现所需要的运动,但是环节较多,效率相对较低。
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,就如三轮车一样。
从动轮与驱动轮间的差速是依靠与地面的运动约束确定的。
这种驱动的效率比利用差速器高,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,驱动采用单轮驱动。
3.计算
理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上,为了简化分析,先不考虑小车内部的能耗机理。
设小车能量的传递效率为
,则有:
,
其中
为第i个轮子对地面的压力,
为第i个轮子的半径,
为第i个轮子行走的距离,M为小车的总质量。
通过查阅资料可以知道摩阻系数对小车的运动影响非常显著,因此在设计时要特别注意轮子的材料,让轮子的刚度尽可能的大,与地面的摩阻系数尽可能小。
传动比的确定:
首先估算小车的总质量为M,则有小车受到的总摩擦力为
,则小车的最大行驶距离为:
*mgh=
*S即S=
。
计算小车驱动轮转一圈走的距离为L=2pi*R,一个周期为1.2的正弦曲线的长度为X,则驱动轮与凸轮之间的传动比为i=S/L=
。
重物以加速度向下加速运动,绳子拉力为
,有:
产生的扭矩M=T*r,驱动轮收到的力矩
凸轮收到的扭矩为
,
为驱动轮1受到的压力,
为驱动轮1提供的动力,则有:
(其中
是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数)
(R为驱动轮半径)
转向时导向轮的摩擦力为
所以凸轮受到的转矩为
。
由于凸轮-锥齿轮和锥齿轮的半径一样大,所以锥齿轮受到的转矩也为
,原动齿轮的转矩为
由此可以得出小车的原动绳轮受到的转矩为
(其中
和
为相应齿轮的传动比)。
由mgh*
=
可以求出原动绳轮的半径
。
综合上述公式,可以得出:
=1:
6,;
=1:
2.4:
R=8mm。
对于轴来说,要确定轴的直径先选定材料,由于在这个设计中,轴承受的载荷相对来说不是很大,但是由于传动精度要求较高,并且要求各个环节损耗的摩擦以及受到弯曲应力导致轴线弯曲形成的震动等不必要的能量损失尽量降低,所以对于轴的材料要求需要一定的刚度,在这个设计中我选择了45号钢。
轴上受到的力大致有传递的转矩、齿轮的圆周力,径向力,齿轮的轴向力以及车轮受到的摩擦转矩。
45号钢的机械性能由机械设计手册查得
=650MPa、
=360MPa、
=300MPa、
=155MPa和
=60MPa。
选取C=110,则
=C
算出来的轴径由于考虑到要在轴上开键槽,将其轴径增加4%—5%。
再圆整得到各个轴的直径.
对于齿轮来说,一般选用压力角为20°的齿轮。
由于传动比已经确定,需要根据合理规划轴心矩,从而确定模数,而后根据两齿轮的传动比确定各个齿轮的分度圆直径,后查表和根据
,c=0.25计算齿轮的各项参数。
如:
齿顶高,齿根高
参数确定:
单位mm
转向轮与从动件的中心距为10mm;驱动轮直径D=60;导向轮直径d=15;绳轮半径R=8;底板宽度为156长度为155。
零部件工艺设计:
1.轴由#45钢机加工而成。
2.车轮由高密度聚乙烯浇筑而成,再进行机加工提高表面的精度使其表面光滑,降低摩擦阻。
3圆柱直尺齿轮两对,压力角为20°。
一对为m=0.5,小齿轮:
齿数Z=20,齿厚为6;大齿轮:
齿数Z=120,齿厚为6。
另一对为m=1.25小齿轮齿数Z=20,大齿轮齿数Z=48。
4.一对锥齿轮,两齿数都是48,m=1.25。
齿厚为b=4.25。
5.深沟球轴承和轴套以及螺栓等都是标准件,可以直接购买6.物块支架以及轴承支座选用高硬度铝合金
4.结论
此无碳小车的设计大致合理,由于没有实物进行实验,条件也有限,设计出来的无碳小车还需要在进行实物测试之后进行修改,使得小车的设计最优化。
在设计中有过许多种方案的选择,通过查找各种资料,我得出了选择范围的最优方案。
同时在这里,首先我要感谢我的指导老师为了我完成毕业设计的无私的关怀以及辛苦的付出。
通过做这次的无碳小车的毕业设计,我学到了很多。
首先,我从无碳小车的设计理念得到了深深的启发,让我对新能源的关注意愿提升了很多,让我对无碳生活更加的了解。
其次,通过做这次的毕业设计,我深深的认识了自己的不足,以前学的知识不成系统,很多东西只知其然不知其所以然导致做毕业设计的时候总是感觉这也不懂那也不清楚,平白的犯下很多错误,在许多问题的处理上只是想当然,时候才发现错误,然后进行补救的时候又要重新计算,有时候碰到一个问题的时候总是纠结于此,结果浪费了一大把的时间,导致设计的效率低下,且设计结果质量也比较低下。
对于一些很久没摸的书,其中的内容早已忘了大半,又要开始向看新书一样的开始学习。
这都是基础不扎实导致的后果。
通过这次的设计,把贯穿了大学的基础以及专业课程基本都过了一遍,让我对知识的印象加深了,同时通过大量的翻阅一些课外书籍,也学到了一些以前没有接触到的东西,也让我明白了做设计不是那么简单的事情,同时也增强了我对所学专业的乐趣和信心。
通过这次设计我认识到了了一名设计工程师的前进方向,坚定了我的意志,让我明白通过自己的努力设计出成果时的那一丝满足是多么的让人愉快。
在期间,林老师对我的设计做出了多次的指导,帮助我改正许多错误,让我少走了很多的弯路,这让我充分的认识到经验不足的我应该要学习的东西。
我将更努力的学习,进步,早日成为一位能顶“一片天”的设计师,让今天的我以母校骄傲,以后的母校以我为荣。
5.参考文献
1. 和铭新、钱可强,机械制图.高等教育出版社.2004.1
2. 钟毅芳等主编.机械设计.华中科技大学出版社.2001.2
3. 石永刚等.凸轮机构设计与应用创新[M].机械工业出版社2007.9
4. 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社.2011.1
5. 郑文玮、吴克坚.机械原理.高等教育出版社.1997.7
6. 机械设计手册.机械工业出版社.1986.12
7. 陈于萍、周兆元,互换性与测量技术基础,机械工业出版社,2005.10
8. 蒋晓,AutoCAD2008中文版教程,清华大学出版社,2008.3
9.黄平等.常用机械零件及其机构图册[M].化学工业出版社1999.9
10.徐灏主编.机械设计手册[M]..机械工业出版社,1999.1
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