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1、机械原理课程设计报告书设计题目:比赛题目无碳小车的设计课程名称：机械原理课程设计学生姓名：学生学号：所在学院：海洋信息工程学院学习专业：机械设计制造及其自动化指导教师：宫文峰2015年12月11日目录2第一章归纳31.1课程设计任务与目的31.2无碳小车设计的目的与任务4第二章选题介绍42.1选题背景、意义4第三章整体设计.53.1方案设计5.6.6.8.8第四章运动分析104.1用分析法进行机构的运动综合与分析104.2齿轮参数的分析13第五章设计小结13参照文件：14第一章归纳机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教课环节，对于培育学活力械系统运动方案设计和创新设
2、计能力、解决工程实质中机构分析和设计能力等有着十分重要意义。本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练比赛“无碳小车”题目为基础，进行创新设计。设计对题目进行了从头分解，运用课程内所学知识，经过查阅资料结合古人经验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依照机械机构的设计理念，设计出一个完好依靠重力势能供给动力，以平面转向机构实现周期性转向自动躲让阻碍物的轻质小车方案。1.1课程设计目的与任务1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程相关的实质问题，促进所学理论知识的牢固、深入和归纳；2）培育学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神；3）增强学生着手能力的培育和工程实
3、践的训练，提高学生针对实质需求进行创新思想、综合和工艺制作等实质工作能力；4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、采集和整理资料能力；5）为未来从事技术工作打基础。1.1.2课程设计任务结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生依据使用要乞降功能分析，开辟思路，敢于创新，奇妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过程综合应用所学过的各种常用机构的构造构成、运动原理、工作特色及应用处合等知识，进行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并经过方案谈论、优化挑选，选择最正确方案；就所选择的最正确运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机
4、构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。1.2无碳小车设计的目的与任务设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是依据能量变换原理，由给定重力势能变换而获取的。该给定重力势能由质量为1Kg的标准砝码（5065mm，碳钢制作）来获取，砝码的可降落高度为4002mm。标准砝码一直由小车承载，不从小车上掉落。图1为小车表示图。小车内行走过程中完成全部动作所需的能量均由此给定重力势能变换而得，小车拥有转向控制机构，且此转向控制机构拥有可调理功能。第二章选题介绍2.1选题背景、意义本设计源于6年第五届全国大学生工程能力综合训练比赛“无碳小车”，该比赛要求以一个指定尺寸与质量的重块为
5、动力源，用能量的变换来获得动能，小车能依照自动转向装置来达到绕过早先安排阻碍物的目的。挑战杯是“挑战杯”全国大学生系列科技学术比赛的简称，是由共青团中央、中国科协、教育部和全国学联、地方省级人民政府共同主办的全国性的大学生课外学术科技创业类比赛，承办高校为国内着名大学。“挑战杯”比赛在中国共有两个并列项目，一个是“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品比赛（大挑）；另一个则是“挑战杯”中国大学生创业计划比赛（小挑）。这两个项目的全国比赛交织轮流睁开，每个项目每两年举办一届。“挑战杯”系列比赛被誉为中国大学生学生科技创新创业的“奥林匹克”嘉会，是目前国内大学生最关注最热点的全国性比赛，也是全国最具代
6、表性、威望性、示范性、导向性的大学生比赛。跟着人们节能环保意识的提高，无碳的理念也愈来愈被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探究与开发，对未来“无碳”的向往。小车构思奇妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便今后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与认识。对激发青少年对机械构造的热忱有深远的影响。第三章整体设计3.1方案设计经过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的变换、驱动自己行走、自动避开阻碍物。为了方便设计这里依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
7、、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。为了获取令人满意方案，采纳扩展性思想设计每一个模块，追求多种可行的方案和构思。经过比较各种方案的优弊端，结合实质状况采纳吻合适合的方案。车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量影响加工难易等，车架采纳铝合金制作成三角底板式。图一原动机构的作用是将重块的重力势能转变成小车的驱动力。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余的详尽要求。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，防备对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转变到驱动小车行进上，
8、假如重块竖直方向的速度较大，重块自己还有许多动能未开释，能量利用率不高。3.因为不一样的场所对轮子的摩擦摩擦可能不一样样，在不一样的场所小车是需要的动力也不一样样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。所以原动机构还需要能依据不一样的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮滚筒式原动机构。经过改变绳索绕在绳轮上不一样地址来改变其输出的动力。传动机构的功能是把动力和运动传达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，传动机构必要传达效率高、传动稳固、构造简单重量轻等。不用其余额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效
9、率高、构造最简单。但重锤很大一部分能量变换成了重锤的动能，在不考虑其余条件时这是最优的方式。带轮拥有构造简单、传动安稳、价格便宜、缓冲吸震等特色但其效率及传动精度其实不高。不适合本小车设计。齿轮拥有效率高、构造紧凑、工作靠谱、传动比稳固但价格较高。所以在第一种方式不可以满足要求的状况下优先考虑使用齿轮传动。所以，比较上述几种机构选择齿轮作为小车的传动机构。转向机构是本小车设计的要点部分，直接决定着小车的功能。转向机构也相同需要尽可能的减少摩擦耗能，构造简单，零部件已获取等基本条件，同时还需要有特别的运动特征。可以将旋转运动转变成满足要求的来回摇动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实
10、现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、锥齿轮加曲柄摆杆机构等等。凸轮：凸轮是拥有必定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，经过高副接触可以使从动件获取连续或不连续的任意预期来去运动。长处：只需设计适合的凸轮轮廓，即可使从动件获取任意的预期运动，并且构造简单、紧凑、设计方便；弊端：凸轮轮廓加工比较困难。在本小车设计中因为：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不可以可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）所以不采纳曲柄连杆+摇杆：长处：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，已获取较高精度；两构件之间的接触是靠自己的几何封闭来维系的，它不
11、像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。弊端：一般状况下只好近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求许多或较复杂时，需要的构件数和运动副数常常比许多，这样就使机构构造复杂，工作效率降低，不但发生自锁的可能性增添，并且机构运动规律对制造、安装偏差的敏感性增添；机构中做平面复杂运动和作来去运动的构件所长生的惯性力难以均衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构在此小车暂不考虑。曲柄摇杆构造较为简单，但和凸轮相同有一个滑动的摩擦副，其效率低。其急回特征以致难以设计出较好的机构。锥齿轮加曲柄摆杆机构长处：构造简单、紧凑、设计方便，其急回特征能较好的解决小车较好避开距
12、离改变的阻碍物。同时可以经过改变曲率半径做成小车行驶的微调机构。综合上边分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。图二行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，资料之不一样需要综合考虑。有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为对于相同的资料为必定值。而转动摩擦阻力fMNRR，所以轮子越大小车遇到的阻力越小，所以可以走的更远。但因为加工问题资料问题安装问题等等详尽尺寸需要进一步分析确立。因为小车是沿着曲线行进的，后轮必定会产生差速。但小车质量较小，速度不快，可以考虑不使用差速，轮可以采纳双轮同步驱动。综上所述行走机构的轮子应有适合的尺寸，轮子边沿应竟可能与地的接触面积小。一台完好的机
13、器包含：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。因为前面确立了锥齿轮加曲柄摆杆机构方案，因为锥齿轮加曲柄摆杆机构加工偏差，安装精度等，所以就一定加上微调机构，对偏差进行修正。这是采纳微调机构的原由之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹。微调机构可以采纳下锥齿轮下的圆盘开槽，经过微调曲率半径即可。如图图三因为理论分析与实质状况有差距，只好经过理论分析得出较优的方案而不可以获取最优的方案。所以我们设计了一种机构简单的小车，经过小部分的改动即可以改装成其余方案，再经过试验比较获取最优的小车。3.2传达路线重锤从高处往着落时，绳
14、索拉动阶梯滚筒，带动齿轮把动力传达给驱动轮使小车往前运动。驱动轮的转动带动锥齿轮转动，锥齿轮下的转盘也跟着转动，经过摆杆来去的摇动实现导向轮周期性的摇动实现小车的转向。第四章运动分析4.1用分析法进行机构的运动综合与分析当重物降落dh时，驱动轴（轴3）转过的角度为d3，则有则曲柄轴（a轴2）转过的角度小车挪动的距离为（以A轮为参照）轴1转过的角度为b、转向：当大锥齿轮转过的角度为1，曲柄转过的角度为则与1满足以下关：解上述方程可得1与的函数关系式c、小车行走轨迹只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，如图：则小车转弯的曲率半径为小车行走ds过程中，小车整体转过的角度当小车转过的角度为时，有d、小
15、车其余轮的轨迹以轮A为参照，则在小车的运动坐标系中，B的坐标Ba1a2,0C的坐标Ca,d在地面坐标系中，有由上述公式可知，调整曲柄长度及前轮中心到齿轮中心的水平距离可调整前轮摆角，从而可以改变小轨迹曲线的幅值；调整后轮半径R，两锥齿轮的传动比可调整小车轨迹周期长度。而传动比i3和滚筒半径R3不影响小车轨迹，影响重物降落后小车行走的行程，故其依据传动的摩擦和小车启动时所需力矩作调整，分析后I3=2，R3=6。经过编写程序，依据实质设定后轮半径，调整各参数为R=120，e=55，L=93，i1=3，计算获取小车运动轨迹以下列图。轨迹曲线幅值为212mm，周期长度为2040mm。该方案是经过一对锥齿轮啮合传动，经过e和L来直接改变前轮摆角a的大小；整个车的构造对称均衡，保证了车行驶过程中的
