2022年组无碳小车走“S”形越障设计方案任务书 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用南 湖 学 院课程设计任务书设计题目 ：无碳小车走“系部： 机电系S” 形越障的设计专业： 机械设计制造及自动化 同学姓名 : 胡伟 学号 :24111901573 序号:27 起迄日期 :2022 年 11 月 25 日至 2022 年 12 月 16 日 指导老师 :谭湘夫2022 年 11 月 25 日机械设计 课程设计任务书名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1课程设计的内容和要求一、设计题目<包括原始数据、技术要求、工作要求等）：无碳小车走“S” 形越障的设计1. 设计布置方案图 1 无碳小车示意图2. 功能设计要求以重力势能驱动的具有方向掌握功能的自行小车；给定一重力势能,依据能量转换原理,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；该无碳小车在前行时能够自动躲开赛道上设置的障碍物<每间隔1M,放置一个直径20mm、高 200mm的弹性障碍圆棒,有多个）；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, 普 通 碳钢）铅垂下降来获得,落差400± 2mm,重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不答应掉落；要求小车前行过程中完成的全部动作图 2 自行小车在重力势能作用下自动行走所需的能量均由此能量转换获得,不行使用 示意图任何其他的能量形式；小车要求采纳三轮结构<1 个转向轮, 2 个驱动轮）,详细结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成；要求满意：小车上面要装载一件形状尺寸 为 60× 20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷,其质量应不小于 400 克；在小车行 走过程中,载荷不答应掉落；转向轮最大外径应不小于30mm；二. 技术要求名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1、1 个转向轮和 2 个驱动轮的设计 2、转向轮掌握机构的设计运算；3、轴的设计；4、轴承的挑选；5、装配图、零件图的绘制；6、设计运算说明书的编写；三. 工作要求1. 同学应当在指导老师指导下完成设计, 必需独立完成设计任务 , 严禁抄袭 , 一经发现成果以不及格计 , 并赐予批判训练各庄重处理 . 2. 课程设计期间要严格遵守学习纪律, 在此期间缺勤 1/3 以上, 成果以不及格计 . 3. 课程设计报告书一律打印在 A4纸上, 同时配上封面装订成册 . 机械设计 课程设计任务书2对课程设计成果的要求包括图表、实物等硬件要求：名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1、要求 <1）说明书要仔细、精确、条理清楚,参考文献要注明出处 <2）按 word 排版,公式编辑器编辑公式 <3）图纸按 CAD作图,数据精确,图面干净 2、任务 <1）、无碳小车的总装配图一张 <2）主要零件图两张 <3）设计说明书一份3主要参考文献：要求按国标 GB 771487文后参考文献著录规章书写,例如：1 濮良贵,纪名刚 . 机械设计 . 第八版 . 北京: 高等训练出版社 ,2022 2 杨光,席伟光等 . 机械设计课程设计手册 . 其次版 . 北京: 高等训练出版社 ,2022 3 刘鸿文 . 材料力学 . 第四版 . 北京 : 高等训练出版社 ,2022 4 甘永立 . 几何量公差与检测 . 第八版 . 上海: 上海科学技术出版社 ,2022 4课程设计工作进度方案：序号起迄日期工作内容1 11.25 设计前预备工作 接受设计任务、收集资料、预备工具> 2 12.2 确定动力输入方案,传动装置设计方案,转向轮掌握机构方案3 12.3 轴的设计运算, 1 个转向轮和 2 个驱动轮的设计4 12.5 轴承的挑选5 12.10 装配图设计及复核运算6 12.13 零件工作图设计7 12.15 整理设计说明书及课程设计体会和收成8 12.16 上交机械设计课程设计成果指导老师谭湘夫日期：2022 年 11 月 25 日目录 一 绪论 1.1本届竞赛命题主题 1.2小车功能设计要求 1.3小车整体设计要求 1.4 小车的设计方法名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用二 方案设计2.1 路径的挑选 2.2自动转向装置2.2.1 前轮转向装置2.2.2 差速转向装置 2.2.3 小结 2.3 能量转换装置2.4 车架 2.5 微调部分 三 参数的设计 3.1 路径参数的确定 3.2 自动转向装置参数的确定 3.2.1 前轮转向装置参数的确定3.2.2 差速转向装置参数的确定 3.2.3 小结 3.3 能量转换装置参数的确定 3.4 车架参数的确定 3.5 微调部分参数的确定 四 小车的工程图 4.1 小车部分零件工程图4.2小车各装置工程图4.3小车总装配图 五评判分析5.1小车优缺点5.2 小车的改进方向 六 附录一 绪论1.1 本届竞赛命题主题本届竞赛命题主题为“ 无碳小车” ；要求经过肯定的前期预备后,在集中竞赛现场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；每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程治理 4 项成果考核作业；1.2 小车功能设计要求设计一种小车,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 400± 2mm,重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不答应从小车上掉落；图 1 为小车示意图；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 1： 无碳小车示意图竞赛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,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 2；图 2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 1.3 小车整体设计要求 无碳小车表达了高校生的创新才能,制作加工才能,解决问题的才能；并在设计过程中需要考 虑到材料、加工、制造成本等各方面因素,并且小车具有以下要求：1. 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；2. 要求小车具有转向掌握机构,且此转向掌握机构具有可调剂功能,以适应放有不同间距障碍 物的竞赛场地；3. 要求小车为三轮结构 4. 小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后,整体穿过赛道中线且障碍物不被 撞倒 <擦碰障碍,但没碰倒者,视为通过）；重复上述动作,直至小车停止；1.4 小车的设计方法 第一,小车的设计肯定要做到目标明确,作品的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、制造成本等方面因素；其次,为了降低小车的能量损耗,我们设计的小车主要利用齿轮传动,由于齿轮的能量利用率达到95%,最终,做到掌握调剂路径的功能,由于齿轮便于安装等特点,所以也能运用齿轮传动达到目的；二 方案设计名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用通过对小车的功能分析,小车需要完成自动躲开障碍物,驱动自身行走,重力势能的转换功能；所 以我们将小车的设计分为以下部分,路径的挑选,自动转向装置,能量转换装置和车架部分；2.1路径的挑选 由于竞赛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,沿直线等距离摆放；为了在通过障碍物时,行进的距离更短,设计了如图 3的路径；即 以摆线的方法通过障碍物,然后以相切的直线到达下一障碍物,我们的路径是圆弧和直线的结合；图3：无碳小车路径 2.2自动转向装置 为了能更好的让小车在估计的轨道上行驶,小车的自动转向需要考虑到前轮的自动转向和后轮 的差速转向；所以我们设计了自动转向装置和差速转向装置；2.2.1前轮转向装置 通过重物的下落,带动齿轮轴的旋转,利用齿轮轴的旋转,实现前轮的转向；并在齿轮轴上安 装齿轮,考虑到加工和经济效益的缘由,为了能实现较大的传动比,需在齿轮的带动下加入一个定 轴齿轮系；在定轴轮系中,其中的一个齿轮和一连接杆铰接在一起,连接杆在铰接上一根直角杆,直角杆放置在水平滑槽中,组成组成水平滑动装置,实现杆在水平方向上的来回摇摆；直角杆的另 一端固定在前轮上,这样随着随着直角杆的来回摇摆就可以实现前轮的转动；前轮转向示意图如图 四；其实,前轮转向装置分为两部分,一部分为齿轮的传动达到肯定的传动比,令一部分为齿轮所 带动的水平滑动机构；图四 :前轮转向示意图 1 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图五 :前轮转向示意图 2 图六 :前轮滑块部分需要留意的是,直角杆的两杆连接部位有一个滑块,是为了能让直角杆做水平运功；在齿轮轴转动 一圈的时候,小车行进一个周期,转弯两次,即直角杆完成一次前后摇摆即可；并且需要在拐弯时 直角杆摇摆,在直线运动时,直角杆不动；小车前轮不转弯；2.2.2差速转向装置 我们知道,小车在以弧线段转弯的过程中,两后轮的速度是不一样的,为了能让小车依据预期 的轨道行驶,我们设计了差速转向装置；并且,在转弯过程中,加入了差速转向就会使能量损耗减 小,从而增加小车的行程；差速转向装置示意图如图七；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图七 :差速转向装置 在此装置中,主要是运用两阶梯齿轮相互啮合,在直线行进中,阶梯齿轮的啮合相同,在摆线 行进中,阶梯齿轮的啮合正好相反；而齿轮轴上的阶梯齿轮为不完全齿轮,才能使得齿轮间的相互 啮合顺当进行；主动阶梯齿轮转一圈时,后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离；2.2.3小结 不管是前轮的转动,仍是差速转向,单独来看都可以满意预期的轨迹；但是,为了削减能量的 损耗,轨迹的精确性,我们把两个机构都加入了小车中；诚然,差速转向对机构的精度要求很高,这就使转向装置的零件加工费用增加,但是加入了前轮转向装置后,就减小了对转向装置的精度；考虑到两个机构的组合会使能量损耗增加,但我们利用的都是齿轮传动,能量损耗率很小,前轮主 要负责转向,后轮主要负责驱动,相互影响也很小；综上所述,我们加入了前轮转向和差速转向；2.3能量转换装置 为了能让小车行进的更远,怎么将肯定的总能量尽可能以高利用率的形式转换是特别重要的问 题；为了削减能量的损耗,我们利用定滑轮,在下落过程中带动齿轮轴转动,从而使整个小车前进；易知,下落过程中,轮子所带动轴半径的不同会导致轴转动的速度不同；太小的半径供应的力偶 距太小而导致小车禁止不懂,太大的半径会使重物掉落的加速度太大而增加能量的损耗,抱负的状 态时重物匀速下落,这要就可以使小车前进的路程达到最大；所以在此装置中,我们加入了可滑动 圆锥筒型装置,即可通过滑动圆锥筒转变供应力偶距的大小,使小车行进的路程达到最大；能量转 换装置示意图如图八；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图八 :能量转换装置 2.4车架 车架不用承担很大的力,精度要求低；考虑到重量,加工成本,美观等因素,车架采纳木材加 工制作成三角底板式；三 参数的确定 3.1路径参数的确定 在上面的争论中,我们的路径是摆线和直线的组合,为了能让小车更顺当的转弯,转弯角度不 能太小,为了能让小车行进的更远,必需使小车转向的半径不能太大；所以,确定了曲线的半径为,小车的宽度为,小车转角,经过 MATLAB 拟合的曲线如图十；轨迹方程为 对方程求积分,得到曲线的长度为；曲线的长度为；3.2自动转向装置参数的确定名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用自动转向装置参数的确定包含前轮转向装置参数的确定和后轮差速转向装置参数的确定；参数的确定有利于判定小车的设计是否合理,小车能否完成估计的轨道等实际问题；这里,我们假设齿轮轴每转一周,小车行进一个周期；3.2.1前轮转向装置参数的确定前轮转向装置是为了更好的依据规定的轨迹行进,我们把前轮安装在车架中间,就行进的轨迹为；前轮自动转向装置简图如图十一；图十一：前轮自动转向装置简图又由于前轮转弯时需要行进的距离为,直线需要行进的距离为,对应的,小车转弯时,齿轮轴上的齿轮 旋转的角度为,小车直线时,齿轮 旋转的角度为；此时齿轮 为不完全齿轮,只有 才有齿；而齿轮轴旋转了 33.1 °的时候,齿轮 需要旋转 180°；从而传动比；由于,传动比较大,所以加入了齿轮 和,依据已知的传动比,为了便于加工等缘由,求得；由于 和,加工不便利也不符合现实,我们进行了修正,将；这样就考虑到实际情形也满意预期的轨迹；我们设计小车总长度为 150mm,而齿轮系的长度以达到,所以连杆和直角杆的总长为 90mm,所以我们取连杆的长度为 30mm,直角杆的一端长度为 50mm；我们将在距离齿轮 中心为 5mm的地方装一个销钉；所以直角杆水平摇摆的距离为 10mm；所以可以得到直角杆另一端的长度为；3.2.2差速转向装置在差速转向装置中,需要满意在直线行进中,阶梯齿轮的啮合相同,在摆线行进中,阶梯齿轮的啮合正好相反,并且两后轮所行进的轨迹满意曲线和,同时主动阶梯齿轮转一圈时,后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离；第一,由车轮转弯运动分析图,名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 可以得到：个人资料整理仅限学习使用图十二：车轮转弯运动分析图数学表达式：得出：名师归纳总结 式中,表示齿轮轴的转速,和分别表示左右两轮的转速；,和分别表示左右侧传第 12 页,共 15 页动链的传动比；有由于从图中和我们所挑选的路径可以得到；所以我们得到左右侧传动链的传动比为；之后,进行齿轮的分析；后轮差速转向装置简图如图十三；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图十三：后轮差速转向装置简图由图可知左右侧传动链的传动比,为 和 的相互组合；即传动比是变化的；当小车行进在第一个转弯口时,1轮的速度小,此时可以得到：,为了使齿轮能够够相互啮合,有；通过 LINGO 软件进行运算,我们得到许多组解；为了使小车的设计更加合理,左右侧传动链的传动比 和 不能太大,太大会导致在相同模数条件下 和 的齿数过大,也不能太小,太小会由于加工精度的缘由产生庞大的误差；从路径参数的挑选中,我们知道了一个周期小车行进的总长为；我们也知道,在齿轮轴转动一圈的时候,小车前进的路程为,所以通过选用合适的传动比,能够使小车后轮的半径在一个合理的范畴内,综上所述,最终,我们挑选的是,为了减小齿轮的半径,以上全部的齿轮模数都为；最终,我们要将小车两后轮的运动轨迹调整到预期的水平,实现差速转向；即最终需要满意的是左右两轮传动比的相互转换；在一个周期内,两轮的总长度是相同的；在将每一个周期分为两个部分；对 1轮来说,转弯时需要行进的距离为,直线需要行进的距离为名师归纳总结 - - - - - - -,此时齿轮轴所转过的角度为180°,并且 1轮的速度小于 2轮,此时应是和啮合,所以转弯时对应的旋转的角度为；对 2轮来说,转弯时需要行进的距离为,直线需要行进的距离为,此时齿轮轴所转过的角度为180°,并且2轮的速度大于 1轮,此时应是和啮合,所以转弯时对应的旋转的角度为；由此第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用分析可知,当左右两阶梯齿轮夹角为 时,可以满意行进的轨迹为预期轨迹；综上所述,可以得到我们挑选的是；,模数,和为不完全齿,左右阶梯齿轮在安装时夹角为3.2.3 小结我们知道,不管是前轮转向装置仍是差速转向装置,都必需同时满意,后轮在转弯的同时,前轮也需要转动；我们从前两问算出的,得到齿轮 为不完全齿轮,只有 才有齿 <一个周期中有两个）,而由差速转向知道左右阶梯齿轮在安装时夹角为,虽然看起来 与不同,但是,我们发觉 是 和 的平均值,而通过运算我们也知道,只要将 安装在 中间即可；3.3能量转换装置的参数确定我们知道,不同圆锥筒半径供应不同的力偶距,使小车前进的速度不同；我们选定 R1=10mm ,R2=40mm,由于有了前轮转向装置,齿轮 z1距离齿轮轴中心的距离为 15mm,所以圆锥筒最长宽度为 30mm；且圆锥筒的母线与中心线的夹角为 45°；就圆锥筒直径变化范畴为 20-80mm ；为了固定绳子的围绕,加入了夹角为 45°的小片；利用橡皮筋固定；3.4车架装置参数的确定在我们的设计中,已经知道两后轮的距离为 到经济条件,我们选用的是梯形板,下底长为150mm,前后轮的距离为 150mm,为了便利加工并考虑130mm,上底长为 20mm,高为 160mm；3.4微调装置参数的确定 差速转向装置是齿轮通过啮合带动的,误差不会太大,且稳固性较高；而前轮转向装置中,是 受杆的带动,受到杆长和外界的影响较大,而前轮转向装置对小车行进产生了庞大的影响；所以需 要缴入微调装置调剂微调杆长,调剂杆长后于预期的轨道重合；四 小车的工程图 4.1 小车部分零件工程图 4.2小车各装置工程图 4.3小车总装配图 五评判分析5.1小车优缺点 优点： <1）小车机构简洁,单级齿轮传动,损耗能量少；<2）采纳大的驱动轮,滚阻系数小,行走距离远；<3）采纳磁阻尼,小车稳固性提高,不致使车速过快；缺点：小车精度要求高,使得加工零件成本高,以及微调各个机构都很费时,避障稳固行差,时而偏左,时而偏右；5.2 改进方向第一,对于路径的挑选,我们就可以改进,挑选更好的路径；对挑选路径的要求就是使小车的转角 适中,在一个周期中行进的距离不能太长,在过弯时,圆半径不能尽可能的大,使过弯时小车更安 全；这其实是一个求最优解的过程,可以通过 LINGO 软件进行编程,最终得到一组最优解；而我们 是比较主观的挑选了半径和车宽；由于我们算出几个值后,发觉条件基本符合；接着 ,可以利用微调装置 .在实际中 ,由于加工精度的缘由,使小车的零件达不到要求,行进出来的路 径与预期路径相差很大,差速转向装置是齿轮通过啮合带动的,误差不会太大,且稳固性较高；而 前轮转向装置中,是受杆的带动,受到杆长和外界的影响较大,而前轮转向装置对小车行进产生了 庞大的影响；所以需要缴入微调装置调剂微调杆长,调剂杆长后于预期的轨道重合；其次,对于圆锥筒来说,我们所设计的圆锥筒的半径变化是主观的,由于不知道整个小车的重 量而没有确定小车前进所需要的最小力矩；而当我们做出了小车以后,知道了整个小车的质量,就 可以确定车前进所需要的最小力矩,从而确定圆锥筒的半径变化范畴；最终,小车的调剂比较繁琐,不便利,假如加入了可调剂式齿轮机构的话,就可以很好的应用 于许多种路况,而不是通过固定的相同距离的障碍物；小车最大的缺点是精度要求特别高,改进小 车的精度要求,使能调整简洁,小车便能达到很好的行走成效；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 个人资料整理仅限学习使用第 15 页,共 15 页- - - - - - -