機(jī)械原理課程設(shè)計報告書

　 設(shè)計題目:

　競賽題目無碳小車得設(shè)計

　課程名稱:

　 《機(jī)械原理課程設(shè)計》

　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)計制造及其自動化

　 指 導(dǎo)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(shè)計任務(wù)與目得

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

　 1 1 、1 1 、 2 課程設(shè)計任務(wù) .................................................................................................................. 3 1 1 、 2 無碳小車設(shè)計得目得與任務(wù) ................................................................................................ 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(shè)計 .................................................................................... 4 3 3 、1 1 方案設(shè)計 ................................................... 4 3 3 、1 1 、3 3 傳動機(jī)構(gòu) ............................................................................................................................... 5 3 3 、1 1 、4 4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) ............................................................................................................................... 5 3 3 、1 1 、5 5 行走機(jī)構(gòu) ............................................................................................................................... 7 3 3 、1 1 、6 6 微調(diào)機(jī)構(gòu) ............................................................................................................................... 7 第四章

　運(yùn)動分析 .................................................................................... 9 4 4 、1 1 用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)得運(yùn)動綜合與分析 ........................... 9 4 4 、2 2 齒輪參數(shù)得分析 ............................................ 12 第五章

　設(shè)計小結(jié) .................................................................................. 12 參考文獻(xiàn): : .............................................................................................. 13 第一章

　概述

　機(jī)械原理課程設(shè)計就是機(jī)械類各專業(yè)學(xué)生第一次課程設(shè)計,就是重要得實(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)計與創(chuàng)新設(shè)計能力、解決工程實(shí)際中機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計能力等有著十分重要意義。

　本次課程設(shè)計以第五屆全國大學(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。設(shè)計對題目進(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)行方案得設(shè)計與分析選擇,依據(jù)機(jī)械機(jī)構(gòu)得設(shè)計理念,設(shè)計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)向自動避讓障礙物得輕質(zhì)小車方案。

　1 1 、 1 課程設(shè)計目得與任務(wù)

　1 1 、1 1 、1 1 課程設(shè)計目得

　1)綜合運(yùn)用機(jī)械原理課程得理論與實(shí)踐知識,分析與解決與本課程有關(guān)得實(shí)際問題,促進(jìn)所學(xué)理論知識得鞏固、深入與歸納; 2)培養(yǎng)學(xué)生得創(chuàng)新設(shè)計能力、綜合設(shè)計能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神; 3) 加強(qiáng)學(xué)生動手能力得培養(yǎng)與工程實(shí)踐得訓(xùn)練,提高學(xué)生針對實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新思維、綜合與工藝制作等實(shí)際工作能力;

　4)提高學(xué)生運(yùn)算、繪圖、表達(dá)、運(yùn)用計算機(jī)、搜集與整理資料能力; 5)為將來從事技術(shù)工作打基礎(chǔ)。

　1 1 、1 1 、 2 課程設(shè)計任務(wù)

　結(jié)合一個簡單或中等復(fù)雜程度得機(jī)械系統(tǒng),讓學(xué)生根據(jù)使用要求與功能分析,開拓思路,敢于創(chuàng)新,巧妙地構(gòu)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(yīng)用所學(xué)過得各類常用機(jī)構(gòu)得結(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)得選型、創(chuàng)新與組合,構(gòu)思出各種可能得運(yùn)動方案,并通過方案評價、優(yōu)化篩選,選擇最佳方案;就所選擇得最佳運(yùn)動方案,應(yīng)用計算機(jī)輔助分析與設(shè)計方法(也可以使用圖解法)進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺度綜合與運(yùn)動分析;由運(yùn)動方案與尺度綜合結(jié)果繪制機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動簡圖。

　1 1 、 2 無碳小車設(shè)計得目得與任務(wù)

　設(shè)計一種小車,驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向得能量就是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到得。該給定重力勢能由質(zhì)量為 1Kg 得標(biāo)準(zhǔn)砝碼(￠50×65 mm,碳鋼制作)來獲得,砝碼得可下降高度為 400±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得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)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能。

　第二章

　選題介紹

　2 2 、1 1 選題背景、意義

　本設(shè)計源于 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)量得重塊為動力源,用能量得轉(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得目得。挑戰(zhàn)杯就是“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽得簡稱,就是由共青團(tuán)中央、中國科協(xié)、教育部與全國學(xué)聯(lián)、地方省級人民政府共同主辦得全

　國性得大學(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,一個就是“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽(大挑);另一個則就是“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽(小挑)。這兩個項(xiàng)目得全國競賽交叉輪流開展,每個項(xiàng)目每兩年舉辦一屆。“挑戰(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)得“奧林匹克”盛會,就是目前國內(nèi)大學(xué)生最關(guān)注最熱門得全國性競賽,也就是全國最具代表性、權(quán)威性、示范性、導(dǎo)向性得大學(xué)生競賽。

　隨著人們節(jié)能環(huán)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(huán)保、更節(jié)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(fā),對未來“無碳”得憧憬。小車構(gòu)思巧妙,在完成設(shè)計得要求下充分考慮了外觀與成本等問題,方便以后得擴(kuò)展與進(jìn)一步得開發(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)踐得實(shí)驗(yàn)與了解。對激發(fā)青少年對機(jī)械構(gòu)造得熱情有深遠(yuǎn)得影響。

　第三章

　總體設(shè)計

　3 3 、1 1 方案設(shè)計

　通過對小車得功能分析小車需要完成重力勢能得轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成得功能將小車劃分為五個部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(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)計每一個模塊,尋求多種可行得方案與構(gòu)思。經(jīng)過對比各種方案得優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合實(shí)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?？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 3 3 、1 1 、2 2 原動機(jī)構(gòu) 原動機(jī)構(gòu)得作用就是將重塊得重力勢能轉(zhuǎn)化為小車得驅(qū)動力。能實(shí)現(xiàn)這一功能得方案有多種,就效率與簡潔性來瞧繩輪最優(yōu)。小車對原動機(jī)構(gòu)還有其它得具體要求。1、驅(qū)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(dá)終點(diǎn)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(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)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(diào)試時也不知道多大得驅(qū)動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同得需要調(diào)整其驅(qū)動力。4、機(jī)構(gòu)簡單,效率高。

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

　3 3 、1 1 、3 3 傳動機(jī)構(gòu)

　傳動機(jī)構(gòu)得功能就是把動力與運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪上。要使小車行駛得更遠(yuǎn)及按設(shè)計得軌道精確地行駛,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、不用其它額外得傳動裝置,直接由動力軸驅(qū)動輪子與轉(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)換成了重錘得動能,在不考慮其它條件時這就是最優(yōu)得方式。

　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。

　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得情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。

　因此,比較上述幾種機(jī)構(gòu)選擇齒輪作為小車得傳動機(jī)構(gòu)。

　3 3 、1 1 、4 4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)就是本小車設(shè)計得關(guān)鍵部分,直接決定著小車得功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能得減少摩擦耗能,結(jié)構(gòu)簡單,零部件已獲得等基本條件,同時還需要有特殊得運(yùn)動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求得來回擺動,帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障得功能。能實(shí)現(xiàn)該功能得機(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:凸輪就是具有一定曲線輪廓或凹槽得構(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)得任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動。

　優(yōu)點(diǎn):只需設(shè)計適當(dāng)?shù)猛馆嗇喞?便可使從動件得到任意得預(yù)期運(yùn)動,而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便;缺點(diǎn):凸輪輪廓加工比較困難。

　在本小車設(shè)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(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)件之間得接觸就是靠本身得幾何封閉來維系得,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)給定得運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡,且設(shè)計較為復(fù)雜;當(dāng)給定得運(yùn)動要求較多或較復(fù)雜時,需要得構(gòu)件數(shù)與運(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)生自鎖得可能性增加,而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律對制造、安裝誤差得敏感性增加;機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動與作往復(fù)運(yùn)動得構(gòu)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(jī)構(gòu)在此小車暫不考慮。

　曲柄搖桿

　結(jié)構(gòu)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(dǎo)致難以設(shè)計出較好得機(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(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)得方案。

　 圖二 3 3 、1 1 、5 5 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得關(guān)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(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。

　由于小車就是沿著曲線前進(jìn)得,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)得輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)贸叽?輪子邊緣應(yīng)竟可能與地得接觸面積小。

　3 3 、1 1 、6 6 微調(diào)機(jī)構(gòu)

　一臺完整得機(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

　屬于小車得控制部分。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。這就是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)得原因之一,其二就是為了調(diào)整小車得軌跡(幅值,周期,方向等),使小車走一條最優(yōu)得軌跡。

　微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用下錐齒輪下得圓盤開槽,通過微調(diào)曲率半徑即可。如圖

　圖三

　由于理論分析與實(shí)際情況有差距,只能通過理論分析得出較優(yōu)得方案而不能得到最優(yōu)得方案。因此我們設(shè)計了一種機(jī)構(gòu)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(yàn)比較得到最優(yōu)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(qū)動輪使小車往前運(yùn)動。驅(qū)動輪得轉(zhuǎn)動帶動錐齒輪轉(zhuǎn)動,錐齒輪下得轉(zhuǎn)盤也跟著轉(zhuǎn)動,通過擺桿往復(fù)得擺動實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輪周期性得擺動實(shí)現(xiàn)小車得轉(zhuǎn)向。

　第四章

　運(yùn)動分析

　4 4 、1 1 用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)得運(yùn)動綜合與分析

　 當(dāng)重物下降時,驅(qū)動軸(軸 3)轉(zhuǎn)過得角度為,則有

　則曲柄軸(a 軸 2)轉(zhuǎn)過得角度

　小車移動得距離為(以 A 輪為參考)

　軸 1 轉(zhuǎn)過得角度為

　b、轉(zhuǎn)向: 當(dāng)大錐齒輪轉(zhuǎn)過得角度為,曲柄轉(zhuǎn)過得角度為 則與滿足以下關(guān):

　解上述方程可得與得函數(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)彎得曲率半徑為

　小車行走過程中,小車整體轉(zhuǎn)過得角度

　當(dāng)小車轉(zhuǎn)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(yùn)動坐標(biāo)系中,B 得坐標(biāo) C 得坐標(biāo) 在地面坐標(biāo)系中,有

　 由上述公式可知,調(diào)整曲柄長度及前輪中心到齒輪中心得水平距離可調(diào)整前輪擺角,從而可以改變小軌跡曲線得幅值;調(diào)整后輪半徑 R,兩錐齒輪得傳動比可調(diào)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(jù)傳動得摩擦與小車啟動時所需力矩作調(diào)整,分析后 I3 =2,R3=6。

　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(jié)構(gòu)對稱平衡,保證了車行駛過程中得穩(wěn)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(yīng)足夠大,以免小車?yán)@障時撞到障礙物上。

　 4 4 、2 2 齒輪參數(shù)得分析

　小車所受摩擦力與小車中重量成正比,因此設(shè)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(shù)為 1。由傳動比 i3=2,確定軸 3 上得齒輪齒數(shù) Z3 = 30,軸 2 上與其嚙合得齒輪齒數(shù) Z2 = 15。由傳動比 i1 = 3,確定軸 2 上得錐齒輪齒數(shù) Z2’ = 18,軸 3 上與其嚙合得錐齒輪齒數(shù) Z3 = 54。

　 第五章

　設(shè)計小結(jié)

　在此次課程設(shè)計中,能夠把理論性得知識運(yùn)用得設(shè)計中,包括我們學(xué)過得內(nèi)容,如:機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、工程力學(xué)、互換性技術(shù)。當(dāng)然也少不少我們得據(jù)圖軟件,如 soildworks、CAD 等等,學(xué)好這些軟件對我們將來得發(fā)展有巨大幫助。

　首先我們大家討論確定小車得結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)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(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)得確定過程中,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)得方案。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)計齒輪,并且計算齒輪得參數(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)計得無動力小車,對于 soildworks

　有了更深層次得認(rèn)識與運(yùn)用。

　本次實(shí)驗(yàn)得難點(diǎn)就是:如何設(shè)計一對嚙合齒輪,如何計算齒輪參數(shù),如何設(shè)計小車前輪得轉(zhuǎn)向,如何計算轉(zhuǎn)向得幅度等等。

　同時我們也就是一個團(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、尊重個性得差異;彼此間就是一種信任得關(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;利益與成就共享、責(zé)任共擔(dān)。同時信任就是合作得基礎(chǔ)與前提,它能夠提高團(tuán)隊(duì)合作,讓大家把焦點(diǎn)集中在工作而不就是其她議題上。

　需要改進(jìn)幾個方面:1 計算參數(shù)不夠完整,因?yàn)椴粫恪? 三維圖不夠逼真。3 沒有調(diào)動好組員得積極性。4 小車布局不夠合理。

　參考文獻(xiàn): :

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