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1、摘 要通过对第二届全国大学生工程训练参赛作品“无碳重力势能小车”的分析。发现小车在设计方面存在不足。为了改进小车的不足之处，对小车的结构部分进行重新设计。通过每一阶段的深入分析把设计尽可能向最优设计靠拢。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 、行走机构 、微调机构六个模块，进行模块化设计。首先针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。确定的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮、转向机构采用曲柄摇杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母。然后对方案进行理论分析，综合考虑零件材料性能、加工工艺等，进而
2、得出了小车的具体参数，和运动规律。关键字：工程训练；参赛作品；重力势能小车； Abstract Based on the second national college engineering training entries carbon-free gravitational potential energy car analysis. Find cart in the design deficiencies. In order to improve the deficiency of the trolley car, a portion of the structure redesign.
3、 Through each phase of the in-depth analysis of the design as possible to move closer to optimal design. According to the functional requirements of the trolley car, divided into frame, driving mechanism, a transmission mechanism, a steering mechanism, a walking mechanism, a fine adjustment mechanis
4、m of six modules, modular design. First, for each module performs multiple design, through comprehensive comparison and choose the optimal scheme of combination. Determining the scheme are: frame with triangular bottom plate type, motive mechanism adopts a conical shaft, the drive mechanism adopts g
5、ear, steering mechanism with crank rocker, walking mechanism driven by a single wheel to achieve differential, fine tuning mechanism by fine adjustment nut. Then the scheme theory analysis, considering the parts and materials properties, processing technology, and then the specific parameters, and m
6、ovement rules.Keywords:engineering training; entries; gravitational potential energy;目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1小车功能设计要求11.2小车的设计方法1第2章 方案设计22.1重块支架32.2原动机构32.3传动机构42.4转向机构52.5行走机构62.6微调机构7第3章 技术设计83.1影响小车性能主要因素的分析83.1.1能耗规律分析83.1.2运动学分析103.1.3动力学分析14第4章 典型零件的设计及强度校核164.1 主动齿轮的设计164.2 主动齿轮的强度校核174.2
7、.1齿轮的设计计算17第五章 典型零件加工工艺的分析及编写205.1驱动轴加工工艺分析205.1.1零件结构及其工艺性分析205.1.2零件技术要求分析205.2 驱动轴加工工艺编写21结论22致谢23附录24参考文献299CatalogChinese abstractIAbstractIIFirst chapter Introduction41.1 Car functional design repuirements41.2 Car design method4The second chapter Scheme design22.1 A heavy block bracket32.2 Dri
8、ving mechanism32.3 Transmission mechansim42.4 Steering mechansim52.5 Walking mechansim6The third chapter Technical design73.1 Analysis of the factors affecting the performance car83.1.1 Energy dissipation analysis83.1.2 Kinematic analysis83.1.3 Dynamics analysis14The fourth chapter Typical part desg
9、in and strength check16 4.1 Driving gear desgin16 4.2 Driving gear strength173.1.3 Dynamics analysis17The fifth chapter Typical part machining analysis preparationof20 5.1 Drive shaft processing technology analysis205.1.1 Parts of the structure and process analysis205.1.2 Technical requirements of20
10、5.2 Drive axle processingpreparation21Conclusion22Thank23Appendix24Reference29 第1章 绪论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1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1kg的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差5002mm，重块落
11、下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。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），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为6020 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。转向轮最大外径应不小于30mm。1.2小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析得到了比较清晰开阔的设计思路。设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。小车的设
12、计是提高小车性能的关键。在设计方法上考虑优化设计 、系统设计等现代设计理论方法。第2章 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。为了方便设计这里根据小车所要完成的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，寻求多种可行的方案和构思。设计图框如图2-1图2-1 设计步骤在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。图2-2 方案选择2.1重块支架车
13、架不用承受很大的力，精度要求低。但考虑到重量以及小车转弯时产生的离心力造成重块晃动从而使小车不稳定等，重块支架采用铝合金制作成三角底板式。2.2原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。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的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3. 由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，
14、在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4. 机构简单，效率高。图2-1-1 绕线轴基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的锥形螺旋槽原动机构。如上图可以通过改变绳子绕在绕线轴上不同位置来改变其输出的动力。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，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
15、、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的情况下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，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周期回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄滑块等等。凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。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。在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑
