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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院Panzhihua University本科毕业设计无碳越障小车设计题目：无碳越障小车设计同学：谭晓波 学 号： 202210601154 院 系：机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 2022 级机械设计制造及其自动化 4 班指导老师：杨涛 职 称：试验师二零一四年五月名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文摘要摘要目前全球经济飞速进展,带来环境问题愈创造显,传统能源逐步衰竭,鉴于此无碳小车的研制具有特别重要的意义；针对
2、题目要求拟定了无碳越障小车的总体设计方案,通过运算分析完成了无碳越障小车的结构设计,绘制了装配图和部分主要零件图,通过pro/E 模拟仿真验证了预定功能,并制作出了实体样机,通过实体样机的演示到达了规定功能；关键词 ：无碳越障小车；环保；机械设计I名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文Abstract Abstract Nowadays, the global economy developing rapidly ,brings increasingly obvious environment
3、 problems and the traditional energy is going to failure gradually. So the development of carbon-free car is great significance. Studying out the scheme design based on the requirments if this subject, finishing the physical design of the carbon-free car by computational analysis, drawing the assemb
4、ly drawing and part of the main parts drawing, vertify the reservation function by pro/E s simulation and making the physical prototype, finally reached the required function by the entity prototype presentation. Key words：carbon-free car; environmental protection;machine designII名师归纳总结 - - - - - -
5、-第 3 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文目录目录摘 要. IAbstract . II 目 录.III 1 绪论 . 1 1.1 国内的争论现状及进展趋势 . 1 1.2 课题的基本内容及争论意义 . 2 1.3 本课题拟接受的争论手段 . 3 2 无碳越障小车设计 . 4 2.1 任务分析 . 4 2.2 无碳越障小车总体方案设计 . 4 2.3 原动机构的设计 . 6 2.3.1 滑轮的设计 . 6 2.3.2 绕绳轮的设计 . 8 2.3.3 重物支撑架的设计 . 8 2.4 传动机构的设计 . 9 2.4.1 齿轮的设计 .
6、 9 2.4.2 传动轴的设计 . 10 2.5 导向机构的设计 . 11 2.6 行走机构的设计 . 13 2.6.1 行走机构方案的挑选 . 13 2.6.2 后轮尺寸的运算 . 14 2.7 微调机构的挑选 . 15 2.8 无碳越障小车的总体设计 . 16 2.9 无碳越障小车部分零件设计 . 17 2.9.1 无碳越障小车的底板设计 . 17 2.9.2 无碳越障小车支架的设计 . 18 3 无碳越障小车的制作 . 19 3.1 三维模型的建立与运动仿真 . 19 3.2 部分零件的工艺 . 20 3.2.1 前轮叉架的工艺 . 21 3.2.2 前轮的工艺 . 22 3.3 无碳越
7、障小车的装配与调试 . 22 4 课题的成果及创新 . 24 4.1 课题的成果 . 24 4.2 课题的创新 . 24 结论 . 25 参考文献 . 26 附录 . 27 致谢 . 32 III 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文1绪论1 绪论1.1 国内的争论现状及进展趋势无碳越障小车是工程训练综合才能竞赛的题目；如表合才能竞赛中“S” 型的小车全国前二十名；11 所示是第三届工程训练综表 1 第三届工程综合才能训练竞赛排名项目 I 参赛队、原动机构队号、转向机构总名次、微调上海高校1
8、4 1 西南石油高校06 2 河南理工高校38 3 山东理工高校27 4 太原理工高校46 5 安徽工程高校41 6 北京理工高校45 7 天津职业技术师范高校02 8 哈尔滨工业高校32 9 华北电力高校09 10 桂林电子科技高校37 11 河南科技高校42 12 重庆高校城市科技学院29 13 厦门高校33 14 北京航空航天高校36 15 福州高校01 16 上海工程技术高校22 17 湖南工程学院35 18 江西理工高校39 19 沈阳建筑高校05 20 他们的车大致由车架、传动机构、行走机构机构六个模块组成；从六个部件分别对他们的小车进行了分析得出如下结论：1车架材料都是选用密度比
9、较小的硬质材料有机玻璃、硬铝等；2原动机构都是通过滑轮悬挂,不过有些小车的滑轮很大而且挂重物的线绳 仍在滑轮上绕有肯定的圈数我猜想可能是用于掌握重物下降的速度,但详细作用仍1 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文1 绪论是有待验证；3传动机构都是选用小模数的高传动比一级齿轮组来进行传动；4转向机构有的车用的曲柄连杆机构用球头连杆连接、凸轮机构两种；5行走机构分单轮驱动、双轮驱动；6微调机构有可调曲柄、曲柄盘,主要目的是为了转变曲柄的长度来转变小 车转向的角度从而到达适应不同场地不同障碍物的而
10、要求；由于小车是纯机械机构掌握所以对零件的加工精度和装配精度要求特别高,而这 些学校能够跑出如此好的成果很大程度上要归功于精密的加工；另外,机构的正确选 用和长时间的调试也和他们的胜利息息相关；由于竞赛要求不断地提高,竞赛中使用的无碳越障小车将越来越趋向于结构简 单,调试便利,稳固性高,质量轻,加工精度高的方向进展；新材料的使用以及新型 加工技术的应用,使无碳越障小车可以精确地绕过更多的障碍物同时前进更远的距 离；但是随着加工精度的提高,小车的制作成本也会相应的提高,所以我们应当在成 绩和成本中间查找一个平稳点；1.2 课题的基本内容及争论意义目前全球经济飞速进展,带来环境问题愈创造显,传统能
11、源逐步衰竭；鉴于我国持 续高速增长的 GDP在环境爱护、人类健康和工程安全方面,受到由于不稳固经济进展带 来的潜在威逼,我国迫切需要将新能源的查找和利用、工业进展无碳驱动的新时代课题 引入现阶段的社会进步中；无碳小车的研制,具有经济、环保、便利等优点,有助于我 们找到更为环保绿色的能源,有利的能量转化途径,以及提高能量的利用效率；它将对 传统能源的逐步取代有肯定的意义；因此我们设计制作无碳小车,期望可以找到新的方 法来缓解能源和环保问题；图 1.1 ： 无碳小车示意图本次毕业设计题目为“ 无碳越障小车”；该题目为全国第三届高校生工程训练综合才能竞赛题目,无碳越障小车前进的动力直接由重物下落过程
12、中削减的重力势能供应,2 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文1 绪论只通过重力势能与机械能的能量转换,使得小车实现前进、转向和调剂；无碳越障小车行驶的路线近似于正弦曲线,呈周期性变化,而且障碍物的间距在 900mm1100mm 之间可调；设计一种小车,驱动其行走及转向的能量是依据能量转换原理,由给定重力势能转换来的；给定重力势能为4 焦耳取 g=10m/s2,竞赛时统一用质量为1Kg的重块50 65 mm,一般碳钢铅垂下降来获得,落差 并同小车一起运动,不答应从小车上掉落；图400 2mm
13、,重块落下后,须被小车承载 1.1 为小车示意图；要求小车为三轮结构,详细设计、材料选用及加工制作均由同学自主完成；小车在前行时能够自动交叉绕过赛道上设置的障碍物；障碍物为直径 20mm、高 200mm的多个圆棒,障碍物沿直线等距离摆放；以小车前行的距离和胜利绕障数量来综合评定成果；见 图 1.2 ；图 1.2 ： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图要求经过肯定的前期预备后,在完成一套符合本命题要求的可运行装置,并进行现 场竞争性运行考核；设计的作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程治理报告；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治理方案设 计；命题中的工程
14、治理才能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；设计才能项要求对参赛作品的设计具有创新性和标准性；命题中的制 造工艺才能项以要求综合运用加工制造工艺学问的才能为主；1.3 本课题拟接受的争论手段技术设计阶段我们先对方案进行了分析,综合运用了运动学、动力学、能量学以 及机械设计等分析；第一把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行 走机构、微调机构六个部分分别进行设计；通过对小车的功能分析小车需要完成将 重力势能转换为机械能的功能,完成自动行走及自行躲开障碍物等动作；在挑选方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面的客观因素,同 时应当尽量防止直接决策
15、,削减决策时的主观因素,这样才能够使得挑选的方案能够 综合最优；3 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文2无碳越障小车设计2 无碳越障小车方案设计2.1 任务分析“ 无碳越障小车, 顾名思义, 意思就是能以 S 形轨迹绕过一排间距可调的障碍物并 且能节省能源的小车；难点在于转向机构的设计,如何才能让小车在 900mm1100mm 的范畴内的实现精确可调,是亟待解决的问题；依据对题目分析, 可以知道无碳小车的设计重点和难点是如何将重物的势能转换为 机械能并驱动小车行走的距离最长和小车前行时如何
16、躲开道路上设置的障碍物；其设计 思路为：查阅相关资料,进行市场调研,写出调研分析报告,拟定将给定重物的势能转 换为机械能的结构和小车自动避障的机构,确定小车一个周期行进的路线和长度,确定 后轮尺寸和前后轮的传动比,传动机构设计,小车车架总体结构设计,小车各零件的设 计包括材料和结构 ,主要零件协作部分尺寸及公差的确定、外形、位置的确定；2.2 无碳越障小车总体方案设计要求小车行走过程中完成全部动作所需的能量均由此重力势能转换获得,不行使用 任何其他的能量来源；通过查阅资料和市场调研,我们初步确定了 3 种方案；1 重物下落时, 小车不行走, 将重物的重力势能转换为弹性势能储存在发条中,重物静止
17、后发条释放能量驱动小车行走；这是参照市场上大多数玩具车能量储存的方 式；但是存在的问题是小车的速度难于掌握,同时必需考虑重物静止后如何触发发条带 动小车行走的机构机构的设计,同时在能量转换的过程中会有可能会缺失更多的能 量；2重物下落时,小车向前行走,利用飞轮储存能量；重物静止后,飞轮释放能 量可连续带动小车行走一段距离；这是参照火车轮子的储能原理；存在的问题是：由于 设计了直径大且重的飞轮,所以小车开头启动时所需要的启动力矩较大,能量消耗大；同时要增加一个零件,会增大成本；3重物下落时,直接带动小车行走,结构简洁,加工便利,成本也较低；所以 综合考虑最终确定接受第 3 种方案；绕在小车轴上线
18、的一端通过定滑轮连接在重物上,重物下落直接通过绳子带动小车前行；为了防止重物下落时由于小车的行走而摇摆,影 响小车行进的轨迹,甚至使小车倾翻,因此在小车上设计了阻挡小车摇摆的 3 根竖杆,3 根竖杆由套圈固定,杆与下落重物圆周相切,形成一个圆柱外形,使之下落稳固；要求小车具有转向掌握机构,同间距障碍物的场地；且此转向掌握机构具有可调剂功能,以适应放有不4 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文2 无碳越障小车方案设计图 1.3 间距为 900mm 的余弦曲线图 1.4 间距为 1000mm 的
19、余弦曲线图 1.5 间距为 1100mm 的余弦曲线5 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文2 无碳越障小车方案设计函数通过对毕业设计的题目分析可知小车的前进路线,我们可以将它近似地看成余弦y A cos x其中 A 为振幅, 为频率；函数的图像就类似于小车前进的路线,如图1.3,1.4,1.5 为障碍物间距不同时对应的函数图像；由于小车要适应不同距离的障碍物的场地,所以函数的周期是变化的,因此对应的函数图像也是不同的；由 MATLAB可以算出不同间距时对应的轨迹的振幅及周期长度,作出间距变
20、化对应距离表 1.1 ；表 1.1 为小车在障碍物取不同间距时在场地上行走时对应的实际前进的距离；通过分析表 1.1 中的数据可取小车行走一个周期的距离S约为 2800mm,以保证当障碍物间距在 900-1100mm 范畴内时,通过调剂导向机构我们可以使小车能够精确的绕过障 碍物；表 1.1 不同间距对应的余弦函数图像长度图 1.3,1.4,1.5 为当小车场地的障碍物取不同的间距时小车行走一个周期所经过的路程的轨迹；为了保证小车顺当的绕过障碍物,并且尽可能的前进更远的路程,通过表 1.1 我们可以确定小车的起始位置,即距离中线 足小车越障要求；2.3 原动机构的设计2.3.1 滑轮的设计30
21、0mm500mm的范畴内,以满小车的原动机构接受滑轮悬挂,其上挂有一根伸缩性较小棉线,在棉线的一端挂 有一重块,另一端就缠绕在小车驱动轴的绕线筒上,中间悬挂在支撑架上的滑轮上；当重块下落时通过棉线拉动动滑轮转动,带动绕线筒旋转,以此通过传动机构驱动小 车后轮旋转,驱动小车向前行驶；带轮设计成锥形,在起始时原动轮的转动半径较大,起动转矩大,有利起动；起 动后,原动轮半径变小,转速提高,转矩变小,和阻力平稳后小车匀速运动；当物块 距小车很近时,原动轮的半径再次变小,绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动,但是 由于物块的惯性, 仍会减速下降, 原动轮的半径变小, 总转速比提高, 小车缓慢减速,6 名师归
22、纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文2 无碳越障小车方案设计直到停止,物块停止下落,正好接触小车；小车上的定滑轮由 3 根直径为 6mm的碳钢丝杆支撑, 将供应能量的重物通过定滑轮悬挂在有效高度为 400 2mm的重物支撑架上使其自由落下, 为小车前进供应能量；同时保证重物在下落的过程中不会晃动；图 2.1 不同力臂时力矩示意图由于质量为 1Kg的重块 50 65 mm,一般碳钢通过棉线绕过定滑轮转动时,在定滑轮上形成一个驱动力矩M,原理如图 2.1 所示；由公式：M FR可知滑轮半径动力臂越大
23、,形成的驱动力矩就越大；依据这个结论,我们可 以在保证车身长度肯定的前提下,把定滑轮的半径尽可能的取得大的值；图 2.2 小车的滑轮 为保证重物在下落过程中保持匀速,在滑轮上绕棉线时,在滑轮上多绕几圈,这样可以有效减慢重物下降的速度,提高能量的利用率；图7 2.2 为滑轮的三维模型；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文2 无碳越障小车方案设计2.3.2 绕绳轮的设计驱动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力；在我们所学过得架构 中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
24、优；小车对绕绳轮仍有 其它的详细要求；1驱动力要适中,这样才不至于在小车拐弯时速度过大发生倾翻,或者是重 块晃动厉害影响小车的行走；2应当使重物块的动能尽可能的转化到驱动无碳小车的前进上,但是假如重 物块在竖直方向上的速度比较大,重物本身就会仍有较多动能未释放,这样的后果就是能量利用率不高；所以我们要掌握重物下落的速度；3到小车在到达终点前重块在竖直方向上的速度要尽可能小,这样能够防止 发生碰撞而造成缺失能量；4由于不同的场地对轮子的摩擦不一样,在不同的场地上面无碳小车小车是 需要的驱动力也不一样的； 因此在调试的时候也不知道需要多大的驱动力才能恰到好处；因此驱动机构仍需要能依据不同的需要调整
25、其驱动力；5机构简洁,效率高；绕绳轮设计有大直径轮,便于小车启动,重物下落时,直接带动小车轴转动,从而带动小车前进,这种方法很易实现,又便利制作；也可以 通过调整使小车的速度平缓的前进,同时也便利转向；同时为了防止重物因转向等的缘由摇摆导致小车倒翻,在重物下落垂直上用丝杆固定重物下落轨迹；传动机构上我们设置的传动比是 1:6 ,这样能使重物下落相同高度能有更远的行驶路程；由于整体小车摩擦很小,所以我们的绕线部分直接缠绕在直径 10mm的绕绳轮上使小车到达更远的行驶路程；绕线轮模型如图 2.3 ；图 2.3 小车绕绳轮模型2.3.3 重物支撑架的设计重物支撑架的作用是固定滑轮,分：重物支撑杆和重
26、物支撑架；悬挂重物的支架；重物支撑架的设计包括两个部重物支撑杆支架接受 3 根 M5的碳钢丝杆成等边三角形分布,可以防止重物在下8 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文450mm；2 无碳越障小车方案设计降的过程中晃动；支撑杆的长度为重物支撑架接受硬铝制成, 要求三个孔的相对位置要完全和地板上的三个孔的位置匹配,不然重物支撑杆就会倾斜,影响小车的正常运行；重物支撑板的三个空的直径为 6mm,通过螺母在重物支撑杆上固定；支撑架上有两个 的径象定位；重物支撑板的结构如图 2.4 ；图 2.4
27、重物支撑架2.4 传动机构的设计2.4.1 齿轮的设计5mm的孔,用于滑轮的轴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；常用的传动方式包括：齿轮传动、链传动、带传动、蜗杆涡轮传动；由表2.2 的各种传动方式的优缺点比较,我们挑选一级齿轮组传动作为无碳越障小车的传动机构；挑选一级齿轮组可以 防止二级齿轮传动带来的较大的阻力和较大的传动误差；图 2.5 齿轮的三维模型 为了使小车前行距离远,理论上后轮的直径越大越好,但后轮太大,启动时所需力 矩较大且消耗的能量也大；依据传动比的挑选原就,同时考虑到小车在行驶时要求传动9 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 36 页
28、精选学习资料 - - - - - - - - - 攀枝花学院本科毕业设计论文2 无碳越障小车方案设计比精确和加工工艺性,将传动比初步确定为1：6,大齿轮齿数为 96,小齿轮齿数为 16；即带轮转一圈车轮转 6 圈,较大的传动比和后轮直径可以使小车前进更远的距离；表 2.1 齿轮参数序号 模数 齿数 中心孔 /mm 分度圆直径 /mm 厚度 /mm 大齿轮 96 20 72 3 小齿轮 16 6 12 5 为了减轻小车的重量,将大齿轮确定为 数齿轮可以有效的减小小车前进时的阻力,齿轮的使用寿命；所以,将齿轮的模数确定为3mm厚的片齿轮,质量为硬铝；挑选小模 模数太小又会增加制造难度、加工成本和
29、0.75 ；齿轮通过轴套与轴协作,这样可以保证齿轮的轴向和径向定位；考虑到现有的加工才能,齿轮接受线切割机床进行加工；表 2.2 为挑选的一对齿轮参数,图2.5 齿轮的三维模型；表 2.2 各种传动方式的优缺点传动方式优点缺点齿轮传动齿轮传动平稳,传动比精要求较高的制造和安装精确,工作牢靠、 效率高、 寿命长,度,成本较高； 不相宜远距离两使用的功率、速度和尺寸范畴轴之间传动大；链传动和齿轮传动比较,它可以在链条的铰链磨损后,使得节两轴中心相距较远的情形下传距变大造成脱落现象;安装和维递运动和动力;能在低速、重载修要求较高.链轮材料一般是结和高温条件下及灰土飞扬的不构钢等良环境中工作;和带传动比较,它能保证精确的平均传动比,传递功率较大 ,且作用在轴和轴承带传动结构简洁 ,适用于两轴