無碳重力勢能小車設計（S型）【5張CAD高清圖紙、文檔所見所得】【YC系列】

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黑龍江科技學院 畢業(yè)設計任務書 學生姓名： 趙璽超 任務下達日期：2011 年 12 月 19 日 設計開題日期：2012 年 04 月 13 日 設計開始日期：2012 年 04 月 16 日 中期檢查日期：2012 年 05 月 18 日 設計完成日期：2012 年 06 月 04 日 一、設計題目：無碳重力勢能小車設計 二、設計的主要內(nèi)容：綜合運用知識，全面考慮有關科學的、經(jīng)濟的及社會的情況，進行多種方案比較，確定最優(yōu)方案。設計計算——這是設計過程中工作量最大的階段， 它包括設計計算與工程圖繪制和技術文件的編制，完成主動軸加工工藝及主要工裝的結構設計，其中1張圖必須徒手畫。按照工程技術規(guī)范要求，整理好技術資料，編寫設計說明書。 三、設計目標：根據(jù)功能設計要求，設計一種可將重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置，小車前進的路線以“s”周期性變化能夠自動避開路線上設置的障礙物。按照工程技術規(guī)范要求，整理好技術資料，編寫出設計說明書。 指 導 教 師： 李光輝 院（系）主管領導： 2011 年 12月19 日 本科畢業(yè)設計開題報告 題 目：　　　 無碳重力勢能小車設計 院 （系）： 機械工程學院 班 級： 機械制造08-4 班 姓 名： 趙璽超 學 號： 080514020519 指導教師： 李光輝 教師職稱： 高工 黑龍江科技學院本科畢業(yè)設計開題報告 題 目 無碳重力勢能小車設計 來源 科技創(chuàng)新 1、 研究目的和意義 開發(fā)新能源和可再生能源是能源可持續(xù)發(fā)展的應有之義。我國的能源供應結構里，煤炭、石油與天然氣等不可再生能源占絕大部分，新能源和可再生能源開發(fā)不足，這不僅造成環(huán)境污染等一系列問題，也嚴重制約能源發(fā)展，必須下大力氣加快發(fā)展新能源和可再生能源，優(yōu)化能源結構，增強能源供給能力，緩解壓力。 2、國內(nèi)外發(fā)展情況 目前，我國“新興能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”已編制完畢，即將上報國務院；“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃也正在編制中。總體而言，在今后20—30年內(nèi)，我國傳統(tǒng)能源的主導地位仍然難以改變，新能源只能起到補充作用。從發(fā)展戰(zhàn)略來說，新能源必須具備一定規(guī)模，這樣才能降低發(fā)展成本，并為相關裝備制造業(yè)和技術創(chuàng)新提供有力支撐。根據(jù)目前我國新能源發(fā)展現(xiàn)狀和今后發(fā)展?jié)摿浪?，?020年，我國新能源占一次能源消費的比重應該達到15%左右。因此，在“十二五”期末，新能源所占比重應該達到12%—13%。 世界部分主要國家新能源發(fā)展狀況 美國推行“綠色新政”，明確發(fā)展目標。根據(jù)奧巴馬提出的新能源政策構想，美國將在可再生能源、節(jié)能汽車、分布式能源供應、天然氣水合物、清潔煤、節(jié)能建筑、智能網(wǎng)絡等領域探索出一個能夠?qū)崿F(xiàn)利益最大化的創(chuàng)新戰(zhàn)略。 日本通過法律約束、稅收優(yōu)惠和政策引導等一系列配套措施，大力推動新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，積極開發(fā)太陽能、風能、核能等新能源和節(jié)能技術。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，日本在新能源發(fā)電、新能源電池和節(jié)能環(huán)保方面處于世界領先地位。 巴西生物能源在其能源消費結構中占據(jù)半壁江山，汽車市場售出的新車中約有80%是可以使用乙醇燃料的新能源汽車，新能源汽車普及率較高，有效地降低了對石油的依賴，在使用生物乙醇解決污染方面走在世界前列。 3、研究/設計的目標 給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設置的障礙物（每間隔1米，放置一個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。 給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），即質(zhì)量為1Kg的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。 小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。 小車要求采用三輪結構（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪） 綜合運用知識，多種方案比較，確定最優(yōu)方案。圖紙總量A0號圖紙2.5張：其中1張圖必須徒手畫。設計說明書一份（1.5萬~2萬字）。 4、設計方案 （1）根據(jù)功能設計要求，設計一種可將重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置，小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，因此設計中要充分利用重錘的重力勢能，以確保小車行駛距離更遠； （2）根據(jù)功能設計要求，小車在前行時能夠自動避開賽道上設置的障礙物，因此小車前進的路線以“s”周期性變化，同時，在小車能夠順利前行的的前提下，確定小車軌跡與中心線之間合適的偏距； （3）結構設計要最大程度地減小小車的重量和阻力，同時要與生產(chǎn)綱領、工藝性（加工、裝配）、成本、質(zhì)量統(tǒng)籌考慮，力求產(chǎn)品的最優(yōu)化設計。 （4）結構設計要從重要到次要、從總體到局部、從粗略到精細，權衡利弊，反復推敲，逐步改進。 5、方案的可行性分析 （1）能力轉(zhuǎn)化裝置 重塊的重力勢能通過線繩→定滑輪→繞線軸→齒輪傳動機構將轉(zhuǎn)化為小車的動能。我們知道：1）小車在在靜止時的所受的靜摩擦力大于運動中所受的動摩擦力；2）小車在啟動時需要一定的加速度；3）小車在平穩(wěn)運行時需要阻力矩于動力矩相平衡。在設計繞線結構時，突破了傳統(tǒng)的思想，將繞線軸設計為錐面螺紋與圓柱面相結合。小車啟動時線繩繞在錐面螺紋的大端，以增加其啟動力矩，使小車能夠順利啟動，之后線繩通過錐面螺紋平滑過渡到圓柱面上，實現(xiàn)阻動力矩平衡，以確保小車平穩(wěn)運行。 （2）傳動比確定 “s”型曲線其波長為2m。通過一系列計算，設計了完成“s”型曲線一周期，驅(qū)動輪須轉(zhuǎn)4圈，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)1個周期，因此可以確定小車的總傳動比為 1:4。為了使小車傳動機構盡量緊湊簡單，將傳動機構設計為二級傳動，并將總傳動比平均分配，即為Ⅰ軸到Ⅱ軸傳動比為2:1，Ⅱ軸到Ⅲ軸傳動比為2:1。 （3）主副輪驅(qū)動 在這部分設計中，我們發(fā)揮了創(chuàng)造性思維，沒有將兩個后輪均與驅(qū)動軸固定，而是將驅(qū)動軸的一側(cè)通過鍵與一后輪聯(lián)接，另一側(cè)通過軸承與另一后輪聯(lián)接，此結構解決了小車在行駛過程中兩后輪轉(zhuǎn)彎半徑不相同的缺點，使其轉(zhuǎn)向更靈活，也同時減小了小車啟的動力矩。 （4）轉(zhuǎn)向裝置 將小車轉(zhuǎn)向運動通過空間四桿機構運動的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。由于理論計算與實際情況有一定差距，將轉(zhuǎn)向裝置設計為可調(diào)：經(jīng)過分析，小車行駛軌跡的振幅與曲柄的長短成正比；軌跡偏左偏右與連桿的長短有密切關系。因此可以調(diào)節(jié)曲柄的長短來控制軌跡的振幅，調(diào)節(jié)連桿的長短來控制軌跡偏向，從而使小車軌跡處于最佳狀態(tài)。 （5）重塊高度可調(diào) 當小車出發(fā)點已經(jīng)確定時，重塊高度不一致。經(jīng)分析其產(chǎn)生的原因是繞線過程中存在誤差。而命題要求重塊落差為500±2mm。為了解決此問題，設計了重塊高度調(diào)整機構，通過此機構保證了重塊落差要求的同時也保證了小車正確的出發(fā)點。 6、該設計的創(chuàng)新之處 主副輪驅(qū)動 在這部分設計中，，沒有將兩個后輪均與驅(qū)動軸固定，而是將驅(qū)動軸的一側(cè)通過鍵與一后輪聯(lián)接，另一側(cè)通過軸承與另一后輪聯(lián)接，此結構解決了小車在行駛過程中兩后輪轉(zhuǎn)彎半徑不相同的缺點，使其轉(zhuǎn)向更靈活，也同時減小了小車啟的動力矩。 7、設計產(chǎn)品的主要用途和應用領域 可作為自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品物流中的一個基本搬運環(huán)節(jié)，真正做到低碳減排，節(jié)能環(huán)保，保護環(huán)境的同時節(jié)約了傳統(tǒng)搬運環(huán)節(jié)因耗電等增加的生產(chǎn)成本。 8、時間進程 3月28號-4月6號 整理實習日記、撰寫實習總結和開題報告 4月7號-5月4號 設計計算、總體結構草圖設計 5月5號-5月25號 總體圖和部件圖設計 5月26號-5月31號 零件圖設計 6月1號-6月10號 整理、撰寫畢業(yè)設計說明書和設計圖紙 6月10號-6月20號 答辯 9、參考文獻 1成大先.機械設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008 2劉品.機械精度設計與檢測基礎[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009 指導教師意見 教師簽字： 年 月 日 開題答辯小組意見： 組長簽字： 成員簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計領導小組意見: 組長簽字： 年 月 日 摘 要 通過對第二屆全國大學生工程訓練參賽作品“無碳重力勢能小車”的分析。發(fā)現(xiàn)小車在設計方面存在不足。為了改進小車的不足之處，對小車的結構部分進行重新設計。通過每一階段的深入分析把設計盡可能向最優(yōu)設計靠攏。 根據(jù)小車功能要求，把小車分為車架 、原動機構 、傳動機構 、轉(zhuǎn)向機構 、行走機構 、微調(diào)機構六個模塊，進行模塊化設計。首先針對每一個模塊進行多方案設計，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。確定的方案為：車架采用三角底板式、原動機構采用了錐形軸、傳動機構采用齒輪、轉(zhuǎn)向機構采用曲柄搖桿、行走機構采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速、微調(diào)機構采用微調(diào)螺母。然后對方案進行理論分析，綜合考慮零件材料性能、加工工藝等，進而得出了小車的具體參數(shù)，和運動規(guī)律。 關鍵字：工程訓練；參賽作品；重力勢能小車； Abstract Based on the second national college engineering training entries" carbon-free gravitational potential energy car" analysis. Find cart in the design deficiencies. In order to improve the deficiency of the trolley car, a portion of the structure redesign. Through each phase of the in-depth analysis of the design as possible to move closer to optimal design. According to the functional requirements of the trolley car, divided into frame, driving mechanism, a transmission mechanism, a steering mechanism, a walking mechanism, a fine adjustment mechanism of six modules, modular design. First, for each module performs multiple design, through comprehensive comparison and choose the optimal scheme of combination. Determining the scheme are: frame with triangular bottom plate type, motive mechanism adopts a conical shaft, the drive mechanism adopts gear, steering mechanism with crank rocker, walking mechanism driven by a single wheel to achieve differential, fine tuning mechanism by fine adjustment nut. Then the scheme theory analysis, considering the parts and materials properties, processing technology, and then the specific parameters, and movement rules. Keywords:engineering training; entries; gravitational potential energy; 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1小車功能設計要求 1 1.2小車的設計方法 1 第2章 方案設計 2 2.1重塊支架 3 2.2原動機構 3 2.3傳動機構 4 2.4轉(zhuǎn)向機構 5 2.5行走機構 6 2.6微調(diào)機構 7 第3章 技術設計 8 3.1影響小車性能主要因素的分析 8 3.1.1能耗規(guī)律分析 8 3.1.2運動學分析 10 3.1.3動力學分析 14 第4章 典型零件的設計及強度校核 16 4.1 主動齒輪的設計 16 4.2 主動齒輪的強度校核 17 4.2.1齒輪的設計計算 17 第五章 典型零件加工工藝的分析及編寫 20 5.1驅(qū)動軸加工工藝分析 20 5.1.1零件結構及其工藝性分析 20 5.1.2零件技術要求分析 20 5.2 驅(qū)動軸加工工藝編寫 21 結論 22 致謝 23 附錄 24 參考文獻 299 Catalog Chinese abstract I Abstract II First chapter Introduction 4 1.1 Car functional design repuirements 4 1.2 Car design method 4 The second chapter Scheme design 2 2.1 A heavy block bracket 3 2.2 Driving mechanism 3 2.3 Transmission mechansim 4 2.4 Steering mechansim 5 2.5 Walking mechansim 6 The third chapter Technical design 7 3.1 Analysis of the factors affecting the performance car 8 3.1.1 Energy dissipation analysis 8 3.1.2 Kinematic analysis 8 3.1.3 Dynamics analysis 14 The fourth chapter Typical part desgin and strength check 16 4.1 Driving gear desgin 16 4.2 Driving gear strength 17 3.1.3 Dynamics analysis 17 The fifth chapter Typical part machining analysis preparationof 20 5.1 Drive shaft processing technology analysis 20 5.1.1 Parts of the structure and process analysis 20 5.1.2 Technical requirements of 20 5.2 Drive axle processingpreparation 21 Conclusion 22 Thank 23 Appendix 24 Reference 29 0 第1章 緒論 1.1小車功能設計要求 給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設置的障礙物（每間隔1米，放置一個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。 給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1kg的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。 要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。 小車要求采用三輪結構（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），具體結構造型以及材料選用均由參賽者自主設計完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為60×20 mm的實心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應不小于30mm。 1.2小車的設計方法 小車的設計一定要做到目標明確，通過對命題的分析得到了比較清晰開闊的設計思路。設計需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設計過程中需要綜合考慮材料、加工、制造成本等給方面因素。 小車的設計是提高小車性能的關鍵。在設計方法上考慮優(yōu)化設計 、系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計理論方法。 第2章 方案設計 通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設計（車架 、原動機構 、傳動機構 、轉(zhuǎn)向機構 、行走機構 、微調(diào)機構）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。設計圖框如圖2-1 圖2-1 設計步驟 在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。 圖2-2 方案選擇 2.1重塊支架 車架不用承受很大的力，精度要求低。但考慮到重量以及小車轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力造成重塊晃動從而使小車不穩(wěn)定等，重塊支架采用鋁合金制作成三角底板式。 2.2原動機構 原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機構還有其它的具體要求。 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. 到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。 3. 由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。 4. 機構簡單，效率高。 圖2-1-1 繞線軸 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的錐形螺旋槽原動機構。如上圖可以通過改變繩子繞在繞線軸上不同位置來改變其輸出的動力。 2.3傳動機構 傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結構簡單重量輕等。 1. 不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構，此種方式效率最高、結構最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。 2. 帶輪具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點，但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。 3. 齒輪具有效率高、結構緊湊、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的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。 2.4轉(zhuǎn)向機構 轉(zhuǎn)向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的周期回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構有：凸輪機構+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄滑塊等等。 凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。 優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便。 缺點：凸輪輪廓加工比較困難。 在本小車設計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、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：運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；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。 缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構常用于速度較低的場合。 在小車設計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大，故機構可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構并不復雜。對于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調(diào)機構來解決。 曲柄搖桿 結構較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低且急回特性導致難以設計出較好的機構。 綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構的方案。 2.5行走機構 行走機構即為三個輪子，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的關系為 文獻[7] 對于相同的材料為一定值，滾動摩擦阻力 文獻[7] 所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。 由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。 雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。 雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運動。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動不準確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。 單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為主動輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與主動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。 綜上所述行走機構的輪子應有恰當?shù)某叽?，采用單輪?qū)動。 2.6微調(diào)機構 一臺完整的機器包括：原動機、傳動機、執(zhí)行機構、控制部分、輔助設備。微調(diào)機構就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿+滑塊方案，并且曲柄連桿機構對于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調(diào)機構，對誤差進行修正。這是采用微調(diào)機構的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。 微調(diào)機構可以采用微調(diào)螺母式如圖2-6-1 圖2-6-1 轉(zhuǎn)向機構 第3章 技術設計 技術設計階段的目標是完成詳細設計確定個零部件的的尺寸。設計的同時綜合考慮材料加工成本等各因素。 3.1影響小車性能主要因素的分析 通過對小車的能耗規(guī)律、運動學、動力學進行分析，可以實現(xiàn)小車的優(yōu)化設計，提高設計的效率和得到較優(yōu)的設計方案。 3.1.1能耗規(guī)律分析 為了簡化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有 文獻[1] 式中 ──為第i個輪子對地面的壓力 ──為第i個輪子的半徑 ──為第i個輪子行走的距離 ──為小車總質(zhì)量 為了更全面的理解小車的各個參數(shù)變化對小車前進距離的變化下面分別從1.輪子與地面的滾動摩阻系數(shù)、2.輪子的半徑、3.小車的重量、4.小車能量轉(zhuǎn)換效率。四方面考慮。 由文獻[10]知道一般材料的滾動摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。圖3-1-1為當車輪半徑分別為（222mm，70mm）摩阻系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5.....mm時小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖。 由圖3-1-1可知滾動摩阻系數(shù)對小車的運動影響非常顯著，因此在設計小車時也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。 同時可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進的距離也提高一倍。因此應盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡化機構，充分潤滑。 圖3-1-2為當摩阻系數(shù)為0.5mm，車輪半徑依次增加10mm時的小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖。 圖3-1-1 圖3-1-2 由圖3-1-2可知當小車的半徑每增加1cm小車便可多前進1m到2m。因此在設計時應考慮盡可能增大輪子的半徑。 圖3-1-3 3.1.2運動學分析 涉及的物理量： ──驅(qū)動輪半徑 ──齒輪傳動比 ──驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 ──驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 ──驅(qū)動軸（軸2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 ──曲柄軸（軸1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 ──曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑 ──搖桿長 ──連桿長 ──繞線軸的半徑 圖3-1-4 a、驅(qū)動： 當重物下降dh時，驅(qū)動軸（軸2）轉(zhuǎn)過的角度為d， 則有 文獻[1] 則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過的角度 文獻[1] 小車移動的距離為（以A輪為參考） 文獻[1] b、轉(zhuǎn)向： 當轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動軸間的夾角為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為 則與滿足以下關： 文獻[1] 解上述方程可得與的函數(shù)關系式 文獻[1] c、小車行走軌跡 只有A輪為驅(qū)動輪，當轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時， 則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 文獻[1] 小車行走ds過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度 文獻[1] 當小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有 d、小車其他輪的軌跡 以輪A為參考，則在小車的運動坐標系中，B的坐標、C的坐標 在地面坐標系中，有 整理上述表達式有： 求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過設定合理的參數(shù)的到了小車運動軌跡如圖 圖3-1-5 3.1.3動力學分析 a、驅(qū)動 重物以加速度向下加速運動，繩子拉力為，有 文獻[11] 產(chǎn)生的扭矩 文獻[11] 式中 ──考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設置的系數(shù)。 驅(qū)動輪受到的力矩，曲柄輪受到的扭矩，為驅(qū)動輪A受到的壓力，為驅(qū)動輪A提供的動力，有 文獻[11] 式中 ──考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設置的系數(shù) 文獻[11] b、轉(zhuǎn)向 假設小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為，其大小可由赫茲公式求得 文獻[9] 由于b比較小，故 對于連桿的拉力，有 c、小車行走受力分析 設小車慣量為，質(zhì)心在則此時對于旋轉(zhuǎn)中心的慣量為 文獻[11] 小車的加速度為： 整理上述表達式得： 第4章 典型零件的設計及強度校核 4.1 主動齒輪的設計 主動齒輪設計如圖4-1-1 圖4-1-1 4.2 主動齒輪的強度校核 4.2.1齒輪的設計計算 1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) （1）按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪 （2）選用7級精度 （3）材料選擇。由參考文獻[9]表10—1選擇大齒輪材料為LD6061鋁合金，硬度為280HBS，小齒輪材料為黃銅，硬度為280HBS （4）選大齒輪齒數(shù)z1=120，小齒輪的齒數(shù)為z2=30 2． 按齒面強度設計 (1) 確定各式計算數(shù)字 試選載荷系數(shù)。 1） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 2） 由參考文獻[10]查得，大齒輪做懸臂布置，選取齒寬系數(shù)。 3） 由參考文獻[10]查得，鋁合金的彈性影響系數(shù) 4） 由參考文獻[10]查得，按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限；大齒輪的接觸疲勞極限。 5） 計算應力循環(huán)次數(shù) 6） 由參考文獻[10]查得，接觸疲勞壽命系數(shù)； 7） 計算接觸疲勞需用應力 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1 （2）計算 1）試算大齒輪分度圓直徑d1t，代入中較小的值。 2）計算圓周速度v 3）計算齒寬 4）計算齒寬與齒高之比。 模數(shù) 齒高 5）計算載荷系數(shù)。 根據(jù)，7級精度，查得動載系數(shù)，直齒輪； 由參考文獻[9]查得使用系數(shù)； 由參考文獻[9]用插值法查得7級精度，大齒輪相對支撐為懸臂布置 。 由 ，，由參考文獻[10]查得；故載荷系數(shù) 6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 7）計算模數(shù) 3．幾何尺寸計算。 　　　　　表3　直齒圓柱齒輪傳動計算結果 名稱 符號 計算公式 小齒輪 大齒輪 模數(shù) m 0.75 齒數(shù) z 變位系數(shù) x 嚙合角 分度圓直徑 d 中心距 a 齒頂高 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒輪寬度 B B1=10 B2=4 第5章 典型零件加工工藝的分析及編寫 5.1驅(qū)動軸加工工藝分析 驅(qū)動軸是無碳小車的一個典型零件，它主要用來支承傳動零部件，傳遞扭矩和承受載荷。該軸按給定的生產(chǎn)綱領600件/年，則生產(chǎn)批量為50件/月，生產(chǎn)類型屬于中批生產(chǎn)。而生產(chǎn) 類型的不同，則其工藝特征也不同，則該驅(qū)動軸的工藝應結合中批生產(chǎn)的工藝特征來考慮。 5.1.1零件結構及其工藝性分析 該軸為細長小臺階軸，由外圓柱面、螺紋和鍵槽組成，結構比較簡單，但長徑比L/d>12屬撓性軸，剛性差，工藝性差，加工時極易造成彎曲變形，但可以使用中心架來防止其變形，能夠保證以高生產(chǎn)率和低成本制造。 5.1.2零件技術要求分析 1. 尺寸精度 該軸的主要尺寸精度要求在幾處臺階軸處，即安裝軸承和安裝齒輪的部位，精度較高，均是6級精度，過渡配合。可通過在MG1320E高精度磨床上磨削加工，均能保證其要求。 2. 形狀與位置精度分析 該軸沒有形狀精度要求，只有3處階梯軸段對兩處基準的徑向圓跳動的要求，屬位置精度要求，精度較高，最高值為0.008mm，且該軸長徑比比較大，屬細長軸類零件，該徑向圓跳動要求屬于加工關鍵，加工時應優(yōu)先考慮基準統(tǒng)一的原則，可通過以兩端中心孔為工藝基準（精基準）和中心架來保證其圓跳動的位置精度要求；兩處鍵槽的對稱度要求較高，為0.01mm，在普通銑床上很難保證，應使用數(shù)控銑床來完成，但必須以兩端中心孔為工藝基準再輔以千斤頂做輔助支撐。 3. 表面粗糙度分析 表面粗糙度最低值為Ra 1.6μm，要求不高，通過磨削可以保證。 4. 零件選材及熱處理分析 該軸雖屬臺階軸，但外圓直徑尺寸相差不大，且強度要求不高，毛坯選用棒料即可。該軸選用了比較常用的45圓鋼，切削性能良好，加工時不需采取特殊工藝措施，刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或YT類硬質(zhì)合金均可。選材合理。熱處理調(diào)質(zhì)硬度170-230HBS，容易達到。 5.2 驅(qū)動軸加工工藝編寫 驅(qū)動軸加工工藝卡片詳見附錄 結論 從對試制的樣品小車進行反復實驗來看小車的優(yōu)點： （1）小車機構簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少。 （2）多處采用微調(diào)機構，便于糾正軌跡，避開障礙物。 （3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠。 （4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過快。 小車的缺點： （1） 小車精度要求高，使得加工零件成本高。 （2） 微調(diào)各個機構都很費時，避障穩(wěn)定性差，時而偏左，時而偏右。 小車需要的改進方向： （1） 小車最大的缺點是精度要求非常高，改進小車的精度要求。 （2） 使調(diào)整簡單，小車便能達到很好的行走效果。 致謝 為期近四個月的畢業(yè)設計，將近尾聲，大學生活也即將結束，畢業(yè)前的這次畢業(yè)設計，是對四年來所學知識的一次系統(tǒng)復習和綜合運用。這次畢業(yè)設計，復習并運用了以前所學過的知識，是在老師的帶指導下接觸和學習新知識的過程，更是將所學知識運用到生產(chǎn)生活具體實踐的一次練習。其實知識并不難學，也并不是最重要的；重要的是知識的運用，也就是說學會運用知識遠比知識本身更重要。只有通過不斷的練習，通過老師的指點和同學的幫助，才能將課本知識熟練的運用到生產(chǎn)生活實踐中，為人類社會造福。在這一過程中，老師的指導非常重要，沒有老師的細心指導我不可能順利完成設計。 尤其是李光輝導師的科學研究精神，惜時如金的工作態(tài)度深深地影響了我，使學生受益匪淺。在此表示衷心感謝，并致以崇高的敬意。同時也感謝所有關心、支持和幫助過我的各級領導、老師、同學。由于學生水平有限，論文難免有不足和錯誤之處，懇請各位專家、教授批評、指正，再次表示感謝。 附錄 后軸加工工藝卡 參考文獻 [1] 同濟大學數(shù)學系.高等數(shù)學[M].北京：高等教育出版社，2007. 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