本科毕业论文-无碳越障小车设计.doc
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1、本科毕业设计无碳越障小车设计题 目: 无碳越障小车设计 学 院 (系): 机械工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 二零一五年五月 摘要摘 要随着全球经济的飞速发展,能源消耗的不断加剧,新能源的研发与节能环保产品的研制,如无碳小车的开发与研制具有十分重大的意义。根据题目要求,拟定了8字形无碳越障小车的总体设计方案,通过机械设计和分析计算,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达到了预定功能。关键词:无碳越障小车;环保;机械设计I ABSTRACTABSTRACTWith the rapid
2、development of global economy, energy consumption increasing, the development of new energy and energy conservation and environmental protection products, such as a carbon-free car development has an extremely greatt significance. According to the topic request, formulate the figure 8 carbon-free ob
3、stacle the cars overall design, through the mechanical design and analysis calculation, completing the obstacle-surmounting car without carbon structure design, drawing the assembly drawing and part of the main parts drawing, verifing the reservation function by pro/Es simulation and making the phys
4、ical prototype, finally reached the required function by the entity prototype presentation. Key words :carbon-free car; environmental protection ;the mechanical designII 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题的背景11.2 课题的基本内容及研究意义21.3 课题拟采用的研究方法与手段42 无碳越障小车机构方案设计52.1 任务分析52.2 机构设计总功能分解及功能元解52.3 机构方案设计的基本原则62.
5、4 原动机构的分析62.4.1重物锥台轮机构功能元解的优缺点62.4.2重物飞轮机构功能元解的优缺点72.4.3发条弹簧机构功能元解的优缺点72.4.4橡皮筋结构功能元解的优缺点72.5 传动机构的分析82.5.1齿轮传动机构功能元解的优缺点82.5.2皮带轮传动机构功能元解的优缺点82.6 行走机构的分析92.6.1后双轮差速驱动功能元解的优缺点92.7 转向机构的分析92.7.1凸轮推杆机构功能元解的优缺点92.7.2曲柄摇杆机构功能元解的优缺点102.8 总体方案的确定102.8.1辅助机构之车架机构的分析102.8.2控制机构之微调机构的分析113 无碳越障小车机构设计123.1 原动
6、机构的设计123.1.1重物支撑架的设计123.1.2滑轮的设计123.1.3飞轮的设计143.2 传动机构的设计143.2.1齿轮的设计153.2.2前后轮的设计163.2.3小车转弯状态分析及前后轮偏距的设计173.2.4传动轴的设计203.3 转向机构的设计203.3.1凸轮的设计213.3.2推杆机构的设计22III3.4 无碳越障小车部分零件的设计243.4.1无碳越障小车底板的设计243.4.2无碳越障小车支架的设计254 无碳越障小车的制作264.1 三维建模与运动仿真264.2 部分零件的加工制作274.2.1前轮叉架的加工制作274.2.2前轮的加工制作284.3 无碳越障小
7、车的装配与调试28结论30参考文献31附录32致谢35IV 1 绪论 1 绪论1.1 课题的背景无碳越障小车设计是全国大学生工程训练综合能力竞赛的题目。如表1.1所示,是第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛中“8”型小车的全国前二十名。表1.1 第三届全国大学生工程综合能力训练竞赛排名项目- 1 -参赛队队号总名次天津职业技术师范大学921合肥工业大学782武汉理工大学893中南大学574巢湖学院825南京航空航天大学916重庆大学587哈尔滨工业大学548西南科技大学769中原工学院6510沈阳建筑大学6811哈尔滨工程大学5312中国石油大学(华东)6213湖北汽车工业学院8314长春工业
8、大学8015南昌航空大学5516北华航天工业学院9617天津大学5618河北工业大学9819重庆交通大学6720现有的无碳越障小车主要由车架 、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,有些小车的滑轮直径较大而且挂重物的线绳在滑轮上绕数圈。(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,这样既能得到较高的传动比又保证传动误差不会太大(4)转向机构大部用凸轮推杆机构和不完全齿轮间歇运动机构和曲柄滑块机构共同控制两
9、种。(5)行走机构分单轮驱动和双轮驱动,多用单轮驱动。(6)微调机构有可调曲柄、曲柄盘,主要目的是为了改变曲柄的长度来改变小车转向的角度从而达到竞赛要求。总结:由于小车是纯机械机构控制,所以对零件的加工精度和装配精度要求非常高,而这些高校能够取得如此好的成绩,很大程度上要归功于其精密的加工。另外,机构的正确选用和不断的调试也是他们成功的关键。随着竞赛要求的不断提高,国内无碳越障小车将不断与国际接轨,向着越来越质量轻、结构简单、微调精度高的趋势发展,今后的无碳小车必定能够稳定持续地行走更远的距离,绕过更多的障碍物。但是随着制造精度的增加,小车的制造成本也会随之相应的增加。于是在以后的无碳小车设计
10、制作过程中,应尽最大可能找到一个精度与成本相平衡的点。1.2 课题的基本内容及研究意义本次毕业设计题目为“无碳越障小车”。该题目为全国第三届大学生工程训练综合能力竞赛题目,无碳越障小车前进的动力直接由重物下落过程中减少的重力势能提供,只通过重力势能与机械能的能量转换,使得小车实现前进、转向和调节。无碳越障小车行驶的路线近似于8字,呈周期性变化,而且绕过间距300mm-500mm之间的可调障碍物。要求设计一种小车,其结构简单,零件加工简易,传动级数较少,调整单元少且简易。驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理,由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码(5
11、065 mm,碳钢制作)来获得,要求砝码的可下降高度为4002mm。标准砝码始终由小车承载,不允许从小车上掉落。图1.1为小车示意图。图1.1 无碳小车示意图要求竞赛小车在半张标准乒乓球台(长1525mm、宽1370mm)上,绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行,绕行时不可以撞倒障碍物,不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒,相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上,以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。如图1.2。图1.2 无碳小车所用乒乓球台及障碍设置图要求经过一定的前期准备后,完成一套符合本命题设计要求的可运行装置,并进行现场竞争性运行考核。设计的作品要
12、提交相关的设计说明书、加工工艺方案、成本分析方案报告和工程管理方案。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报告。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。设计能力项要求对参赛作品的设计具有完整性、正确性、创新性和规范性。命题中的制造工艺能力项要求以综合运用加工制造工艺知识的能力为主。目前全球经济飞速发展,随之带来的环境问题也愈发明显,传统能源逐渐衰竭。鉴于我国持续高速增长的GDP在环境保护、人类健康和工程安全方面,受到由于不稳定经济发展带来的潜在威胁,我国迫切需要将新能源的寻找和利用、工业发展无碳驱动的新时代课题
13、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清洁环保的能源、有利的能量转化途径,以及提高能量的利用率。它将对传统能源的逐渐取代具有深远意义。因此我们设计制作无碳小车,希望可以找到新的方法来缓解能源和环保问题。1.3 课题拟采用的研究方法与手段设计阶段将通过对方案进行分析,综合运用运动学、动力学、能量学以及机械设计等模块化分析。把小车的设计分为三个主要阶段:功能分析、参数分析与个性化设计、制造加工调试,见图1.3。通过每一阶段的深入分析,加诸大量理论参数分析,比较整合,使我们的设计尽可能向着最优化设计靠拢。 功能分析 参数分析与个性化设计 制造加工调试图
14、1.3 小车设计的三个主要阶段(1) 功能模块分析阶段:根据对小车的功能要求,我们把小车分为原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构、车架六个模块,进行模块化设计。分别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。(2) 参数分析与个性化设计阶段:应用Solidworks、Pro-E对无碳小车进行参数化设计、个性建模以及部分运动仿真。并运用Matlab,将对方案建立数学模型进行理论分析,借助MATLAB分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。再而得出小车的具体参数和运动规律。(3) 制造加工调试阶段:制造加工中尽量选择使用标准件,减少制造压力
15、,届时将会使用数控加工帮助制造,部分零件例如凸轮不能自行加工的将在广告公司进行制造加工。鉴于小车受力限度和优化成本,小车将多处采用胶结。通过调整微调连杆长度的方式改变小车的摆角,在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车的最优参数。- 40 - 2 无碳越障小车机构方案设计2 无碳越障小车机构方案设计2.1 任务分析任务要求无碳小车是将重物的重力势能转化为小车的动能,不需要其他装置的控制,以实现小车的自动运行以及小车的自动转弯绕障。故小车的设计显得尤为关键,特别是小车的传动机构和转向机构。根据对题目的分析,可知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8字形圈数
16、多以及小车行走过程中如何避开障碍物。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,各机构设计,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),主要零件配合部分尺寸及公差的确定。2.2 机构设计总功能分解及功能元解无碳越障小车机构设计总功能分解及功能元解见表2.1。表2.1 小车形态学矩阵功能元功能元解1234A势能转化 重物+滚筒绕线轮重物+飞轮机构发条弹簧机构橡皮筋势能装置B直线分量行走后双轮差速驱动C前轮摆动凸轮+推杆机构曲柄+摇杆机构不完全齿
17、轮 槽轮+万向节机构D中间传动齿轮机构皮带轮机构E 微调机构可调节螺母可调节连杆更换凸轮更换后轮2.3 机构方案设计的基本原则 根据对小车的功能要求,把小车分为原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构、车架六个模块。正式进入机构方案设计时,必须遵守以下的设计选型原则: 满足工艺动作和运动要求。 结构最简单,传动链最短。 原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。 机构有尽可能好的动力性能。 机器操纵方便、调整容易、安全耐用。 加工制造方便,经济成本低。 具有较高的生产效率与机械效率。2.4 原动机构的分析原动机构的作用是将势能转化为小车的动能。能实现这一功能的方案有多种,小车对
18、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。3.机构简单,效率高。2.4.1重物锥台轮机构功能元解的优缺点优点:成本低廉,结构常见比较熟悉。可以通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力。滚筒的设计实现了小车的起动和重物的从低速到减速下落,减小了因碰撞而损失的能量,如图2.1。缺点:重锤下降时与小车一同运动,导致重锤下降不稳定间接影响小车行走轨迹的精度;另外因重锤质量不容忽略,导致车子整体质量大,从而与地面间的滚动阻力变大较
19、大,能量消耗较快,行驶最远路程就短。 图2.1 滚筒设计2.4.2重物飞轮机构功能元解的优缺点优点:在储能完毕后,释放能量阶段能做到平稳连续输出,如图2.2。缺点:质量大,占用体积空间大。图2.2 飞轮与后轮轴固连2.4.3发条弹簧机构功能元解的优缺点优点:在小车运动前已储能完毕,在小车运动时稳定释放能量,如图2.3。 缺点:发条在储能和释放能量时都会消耗能量,因而能量有效利用率不高。图2.3 发条弹簧2.4.4橡皮筋结构功能元解的优缺点优点:成本低廉、橡皮筋质量低,对小车运动过程影响几乎可以忽略。 缺点:很难精准控制储能大小,能量释放时间过于短暂,零件间容易打滑浪费能量。2.5传动机构的分析
20、传动概述: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,使小车按设计的轨道行驶并行驶得更远。因此要在有限的加工条件下,提高了小车的运行效率和稳定性,传动机构必需传递效率高、传动稳定且结构简单重量轻。2.5.1齿轮传动机构功能元解的优缺点优点:齿轮具有效率高、适用的载荷和速度范围大、工作可靠、传动比稳定,如图2.4。缺点:但价格较高,且传动距离比较短。图2.4 齿轮机构2.5.2皮带轮传动机构功能元解的优缺点优点:具有结构简单、可以远距离传动、价格低廉、缓冲吸震无噪音等特点,可使重物下落速度减缓,如图2.5。缺点:其效率及传动精度并不高。图2.5 皮带轮2.6行走机构的分析 无碳小车沿曲
21、线前进时,一对后轮间必定会产生差速,为此,我们采用单轮驱动单轮驱动只利用一个轮子作为驱动轮,另一个为从动轮,驱动轮与从动轮之间的差速是由两后轮与地面之间的运动约束而产生的。2.6.1后双轮差速驱动功能元解的优缺点优点:在小车行驶过程中,驱动轮不会打滑,轨迹更为准确。缺点:装配时要求同轴心,精度要求高。2.7转向机构的分析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。现代机械中,可以实现沿“8字形”轨迹运行的机构很少,它们之中大多数为间歇性的机构,如:凸轮、曲柄摇杆、不完全齿轮等。2.7.1凸轮推杆机构功能元解的优缺点 优点:适当地设计出凸轮的轮廓曲线后就可以使推杆精准地实现所需的运动规
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