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精选机械创新作业--(28).doc

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精选机械创新作业--(28).doc

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?机械创新设计?
结课论文
课程名称?机械创新设计?
院〔系、部、中心〕机械工程学院
专业机械设计制造及其自动化
班级流体〔卓越〕111
姓名 袁集益
题目 无碳小车
起止日期2014-3-18~2013-4-11
任课教师王育荣
无碳小车创新设计论文
袁集益南京工程学院机械系
摘要:主题是“无碳小车〞,给定一重力势能,根据能量转换原理,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。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物〔每间隔1米,放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒〕。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。
关键词:无碳小车重力势能自动转向
目录
一绪论..................................................................................................................................3
.................................................................................................................3
……………………………………………………………….3
.................................................................................................3
.....................................................................................................3
二方案设计..........................................................................................................................4
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.................................................................................................................6
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三技术设计………………………………………………………………………………..8
.....................................................................................8
四评价分析………………………………………………………………………………..9
.............................................................................................................9
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五参考文献………………………………………………………………………………10
一、绪论

命题主题为“无碳小车〞。命题与高校工程训练教学内容相衔接,表达综合性工程能力。命题内容表达“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力〞四个方面的要求。

给定一重力势能,根据能量转换原理,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。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物〔每间隔1米,放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒〕。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。
给定重力势能为5焦耳〔取g=10m/s2〕,竞赛时统一用质量为1Kg的重块〔50×65mm,普通碳钢〕铅垂下降来获得,落差500±2mm,重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不允许掉落。
要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得,不可使用任何其他的能量形式。
小车要求采用三轮结构〔1个转向轮,2个驱动轮〕,具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足:①小车上面要装载一件外形尺寸为60×20mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷,其质量应不小于750克;在小车行走过程中,载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于30mm。

小车设计过程中需要完成:机械设计、工艺方案设计、经济本钱分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造本钱等各方面因素,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创新性和标准性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。

小车的设计一定要做到目标明确,通过对命题的分析我们得到了比拟清晰开阔的设计思路。作品的设计需要有系统性标准性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造本钱等给方面因素。
小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发创造理论方法。采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。
二、方案设计
通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个局部进行模块化设计〔车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构〕。为了得到令人满意方案,采用扩展性思维设计每一个模块,寻求多种可行的方案和构思。下面为我们设计图框〔图一〕
图一
在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造本钱等各方面因素,同时尽量防止直接决策,减少决策时的主观因素,使得选择的方案能够综合最优。
图二

车架不用承受很大的力,精度要求低。考虑到重量加工本钱等,车架采用木材加工制作成三角底板式。可以通过回收废木材获得,已加工。

原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。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优。小车对原动机构还有其它的具体要求。,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。,防止对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上,如果重块竖直方向的速度较大,重块本身还有较多动能未释放,能量利用率不高。,在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。,效率高。

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。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶,传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
,直接由动力轴驱动轮子和转向机构,此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。
、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。
、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。

转向机构是本小车设计的关键局部,直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能,结构简单,零部件已获得等根本条件,同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动,带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有:凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。
凸轮:凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件,它运动时,通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点:只需设计适当的凸轮轮廓,便可使从动件得到任意的预期运动,而且结构简单、紧凑、设计方便;缺点:凸轮轮廓加工比拟困难。
在本小车设计中由于:凸轮轮廓加工比拟困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大〔滑动摩擦〕因此不采用
曲柄连杆+摇杆
优点:运动副单位面积所受压力较小,且面接触便于润滑,故磨损减小,制造方便,已获得较高精度;两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的,它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。
缺点:一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹,且设计较为复杂;当给定的运动要求较多或较复杂时,需要的构件数和运动副数往往比拟多,这样就使机构结构复杂,工作效率降低,不仅发生自锁的可能性增加,而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加;机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡,在高速时将引起较大的振动和动载荷,故连杆机构常用于速度较低的场合。
在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比拟轻,可以忽略惯性力,机构并不复杂,利用MATLAB进行参数化设计并不困难,加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。
曲柄摇杆
结构较为简单,但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副,其效率低。其急回特性导致难以设计出较好的机构。
差速转弯
差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮,由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样,从而使两个轮子的速度不一样,产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。
差速转弯,是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样,对轮子的加工精度要求很高,加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。〔由于加工和装配的误差是不可防止的〕
综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。

行走机构即为三个轮子,轮子又厚薄之分,大小之别,材料之不同需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
对于相同的材料为一定值。
而滚动摩擦阻力,所以轮子越大小车受到的阻力越小,因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。
由于小车是沿着曲线前进的,后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同时驱动,双轮差速驱动,单轮驱动。
双轮同时驱动必定有轮子会与地面打滑,由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量,同时小车前进受到过多的约束,无法确定其轨迹,不能够有效防止碰到障碍。
双轮差速驱动可以防止双轮同时驱动出现的问题,可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理,能较好的减少摩擦损耗,同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮,速度较慢的轮子成为主动轮,这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙,在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确,但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。
单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮,一个为导向轮,另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高,但前进速度不如差速器稳定,传动精度比利用单向轴承高。
综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸,可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案,如果规那么允许可以采用单轮驱动。

一台完整的机器包括:原动机、传动机、执行机构、控制局部、辅助设备。微调机构就属于小车的控制局部。由于前面确定了转向采用曲柄连杆+摇杆方案,由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感,因此就必须加上微调机构,对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一,其二是为了调整小车的轨迹〔幅值,周期,方向等〕,使小车走一条最优的轨迹。
三技术设计
技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工本钱等各因素。

零件尺寸:当个传动比、后轮大小一定时,小车走“S〞型路线的振幅越小时直线距离〔有效距离〕就会相对越长,所以车宽应尽量的做小,由车宽小时由于小车整体较高〔>500毫米〕,加上重物由于惯性小车就容易侧翻,综合下来,我们将车宽定在140毫米,后轮轴与前轮中心距的水平距离为150毫米〔结构尺寸详见附图〕。
路径计算:假定曲轴做匀速圆周运动,那么小车行走路径课近似看成一余弦函数,再由solidworks绘出一个周期的曲线图如图1,采用solidworks内部函数为y=*cos(pi*x)〔单位:毫米〕。取车宽一半70毫米,绕桩为直径20毫米,留40毫米的间隔余量,振幅确定为130毫米。运用软件中的测量功能测得曲线长l为:。又毫米解得:毫米。°。由此转角可得到曲轴的偏轴长度〔在创立三维装配体图时具体确定为:〕。
绕线轮〔塔轮〕直径、轴径计算:下落重物为1千克,,小车由solidworks软件质量计算约为1千克。
驱动力:
后轮上的摩擦力:;
后轮扭矩:;
球轴承传动效率:;
传动机构相当于一个空间的四连杆,传动效率:;
齿轮传动〔精度较低〕传动效率:;
前轮受到扭矩:;
代入数据计算:
数据:
=1kg;=;=1kg;;=;=20mm;传动比i=4。
根据以上和小车结构可有:
带入数据计算得:
小车采用铝和碳钢制成,强度要求满足。各零件间的配合精度影响到整个小车前进过程中能量转化的效率及运动稳定性问题,要求到达行驶距离远,运动轨迹到达预期目标,装配方便且到达相应的定位要求。配合公差是主要的影响因素,同时外表粗糙度大小影响到转向的精度和传动效率。设计也充分考虑加工所能到达的精度以及相应的加工本钱。配合可采用基孔制或者采用基轴制。
四、评价分析

优点:〔1〕小车机构简单,单级齿轮传动,损耗能量少,
〔2〕多处采用微调机构,便于纠正轨迹,避开障碍物,
〔3〕采用大的驱动轮,滚阻系数小,行走距离远,
〔4〕采用磁阻尼,小车稳定性提高,不致使车速过快,
缺点:小车精度要求高,使得加工零件本钱高,以及微调各个机构都很费时,避障稳定行差,时而偏左,时而偏右。

通过理论与实践结合,小车行走距离〔包括绕开障碍物〕约20--25米。

小车最大的缺点是精度要求非常高,改良小车的精度要求,使能调整简单,小车便能到达很好的行走效果。
五、参考文献
[1] :***出版社,2023. 
[2] :高等教育出版社,2023.