2023年无碳小车实验报告.doc

机械原理课程设计报告书 设计题目: 竞赛题目无碳小车的设计 课程名称： 《机械原理课程设计》 学生姓名： 学生学号： 所在学院： 海洋信息工程学院 学习专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 宫文峰 2023年 12月11日目录 2第一章 概述 31.1课程设计任务与目的 31.1.2 课程设计任务 31.2 无碳小车设计的目的与任务 4第二章 选题介绍 42.1选题背景、意义 4第三章 总体设计 53.1方案设计 53.1.3传动机构 63.1.4转向机构 63.1.5行走机构 83.1.6微调机构 8第四章 运动分析 104.1用解析法进行机构的运动综合与分析 104.2齿轮参数的分析 13第五章 设计小结 13参考文献： 14第一章 概述机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等有着十分重要意义。

本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进行创新设计设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案1.1 课程设计目的与任务1.1.1课程设计目的1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、进一步和归纳；2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神；3） 加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、综合和工艺制作等实际工作能力； 4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力；5）为将来从事技术工作打基础1.1.2 课程设计任务结合一个简朴或中档复杂限度的机械系统，让学生根据使用规定和功能分析，开拓思绪，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进行机构的选型、创新与组合，构思出各种也许的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。

1.2 无碳小车设计的目的与任务设计一种小车，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质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，砝码的可下降高度为400±2mm标准砝码始终由小车承载，不从小车上掉落图1为小车示意图小车在行走过程中完毕所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能第二章 选题介绍2.1选题背景、意义本设计源于6年第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”，该竞赛规定以一个指定尺寸与质量的重块为动力源，用能量的转换来取得动能，小车能依据自动转向装置来达成绕过事先安排障碍物的目的挑战杯是“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛的简称，是由共青团中央、中国科协、教育部和全国学联、地方省级人民政府共同主办的全国性的大学生课外学术科技创业类竞赛，承办高校为国内著名大学挑战杯”竞赛在中国共有两个并列项目，一个是“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（大挑）；另一个则是“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛（小挑）这两个项目的全国竞赛交叉轮流开展，每个项目每两年举办一届挑战杯”系列竞赛被誉为中国大学生学生科技创新创业的“奥林匹克”盛会，是目前国内大学生最关注最热门的全国性竞赛，也是全国最具代表性、权威性、示范性、导向性的大学生竞赛。

随着人们节能环保意识的提高，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也进一步人心本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬小车构思巧妙，在完毕设计的规定下充足考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响第三章 总体设计3.1方案设计 通过对小车的功能分析小车需要完毕重力势能的转换、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毕的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（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通过对比各种方案的优缺陷，结合实际情况选取符合合适的方案3.1.1车架车架不用承受很大的力，精度规定低考虑到重量影响加工难易等，车架采用铝合金制作成三角底板式图一3.1.2原动机构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尚有其它的具体规定。

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也许小，避免对小车过大的冲击同时使重块的动能尽也许的转化到驱动小车前进上，假如重块竖直方向的速度较大，重块自身尚有较多动能未释放，能量运用率不高3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦也许不同样，在不同的场地小车是需要的动力也不同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4.机构简朴，效率高基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮滚筒式原动机构通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力3.1.3传动机构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、结构简朴重量轻等1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率高、结构最简朴但重锤很大一部分能量转换成了重锤的动能，在不考虑其它条件时这是最优的方式2.带轮具有结构简朴、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3.齿轮具有效率高、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可以满足规定的情况下优先考虑使用齿轮传动因此，比较上述几种机构选择齿轮作为小车的传动机构3.1.4转向机构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转向机构也同样需要尽也许的减少摩擦耗能，结构简朴，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性可以将旋转运动转化为满足规定的来回摆动，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、锥齿轮加曲柄摆杆机构等等凸轮：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，并且结构简朴、紧凑、设计方便；缺陷：凸轮轮廓加工比较困难在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不可以可逆的改变、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自身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需运用弹簧等力封闭来保持接触缺陷：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；当给定的运动规定较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率减少，不仅发生自锁的也许性增长，并且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增长；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，故连杆机构在此小车暂不考虑。

曲柄摇杆结构较为简朴，但和凸轮同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锥齿轮加曲柄摆杆机构优点：结构简朴、紧凑、设计方便，其急回特性能较好的解决小车较好避开距离改变的障碍物同时可以通过改变曲率半径做成小车行驶的微调机构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图二3.1.5行走机构 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，因此可以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拟定由于小车是沿着曲线前进的，后轮必然会产生差速但小车质量较小，速度不快，可以考虑不使用差速，轮可以采用双轮同步驱动综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，轮子边沿应竟也许与地的接触面积小 3.1.6微调机构一台完整的机器涉及：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备微调机构就属于小车的控制部分由于前面拟定了锥齿轮加曲柄摆杆机构方案，由于锥齿轮加曲柄摆杆机构加工误差，安装精度等，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因素之一，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微调机构可以采用下锥齿轮下的圆盘开槽，通过微调曲率半径即可如图图三 由于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案因此我们设计了一种机构简朴的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过实验比较得到最优的小车3.2 传递路线重锤从高处往下落时，绳子拉动阶梯滚筒，带动齿轮把动力传递给驱动轮使小车往前运动驱动轮的转动带动锥齿轮转动，锥齿轮下的转盘也跟着转动，通过摆杆往复的摆动实现导向轮周期性的摆动实现小车的转向第四章 运动分析4.1用解析法进行机构的运动综合与分析当重物下降时，驱动轴（轴3）转过的角度为，则有则曲柄轴（a轴2）转过的角度小车移动的距离为（以A轮为参考）轴1转过的角度为b、转向：当大锥齿轮转过的角度为，曲柄转过的角度为则与满足以下关： 解上述方程可得与的函数关系式c、小车行走轨迹只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，如图：则小车转弯的曲率半径为小车行走过程中，小车整体转过的角度当小车转过的角度为时，有d、小车其他轮的轨迹以轮A为参考，则在小车的运动坐标系中，B的坐标C的坐标在地面坐标系中，有由上述公式可知，调整曲柄长度及前轮中心到齿轮中心的水平距离可调整前轮摆角，从而可以改变小轨迹曲线的幅值；调整后轮半径R，两锥齿轮的传动比可调整小车轨迹周期长度。

而传动比i3和滚筒半径R3不影响小车轨迹，影响重物下降后小车行走的路程，故其根据传动的摩擦和小车启动时所需力矩作调整，分析后I3 =2，R3=6通过编写程序，根据实际设。