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JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
目錄
摘要 3
Abstact 4
1. 緒論 5
引言： 5
1.1小車功能設(shè)計要求 5
1.2小車整體設(shè)計要求 5
1.3基本原理 6
1.4設(shè)計亮點 6
2.方案設(shè)計 6
2.1車架 6
2.2原動機構(gòu) 6
2.3.傳動機構(gòu)： 7
2.4. 轉(zhuǎn)向機構(gòu)： 7
2.5.行走機構(gòu)： 8
3.計算 8
4.結(jié)論 10
5.參考文獻 10
摘要
這次設(shè)計主題為“無碳小車”。在設(shè)計小車過程中特別注重設(shè)計的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設(shè)計思路；作品的設(shè)計做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計過程中綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。設(shè)計中給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計了一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)化為機械能并用來驅(qū)動小車行走的裝置。該小車在自行前行時能夠自動避開賽道上每60CM一個的障礙物，此設(shè)計的最大特點是將重力勢能轉(zhuǎn)化為齒輪的傳動，進而根據(jù)齒輪的嚙合帶動驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪按照既定的路線完成任務(wù)。
本方案根據(jù)小車功能要求把小車分為車架，原動機構(gòu)，傳動機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。車架為三角底板式，傳動主要采用齒輪傳動，轉(zhuǎn)向使用凸輪，行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速。本文將對無碳小車的設(shè)計過程，結(jié)構(gòu)功能特點等進行詳細的介紹。
關(guān)鍵詞：無碳小車 齒輪嚙合 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 單輪驅(qū)動
Abstact
The?design?theme?of?"carbon-free?car.?Special?emphasis?on?the?design?of?the?car?in?the?design,?and?strive?to?be?clear?and?open?design?ideas?through?the?analysis?of?the?proposition;?a?systematic?normative?and?innovative?design?of?the?work?to?do;?materials,?processing,?manufacturing?costs?are?taken?into?account?in?the?design?process?to?the?factors.?Design?given?gravitational?potential?energy,?according?to?the?principle?of?energy?conversion,?designed?the?gravitational?potential?energy?into?mechanical?energy?and?used?to?drive?the?device?of?trolley?travel.?Own?row,?the?car?can?automatically?avoid?60CM?an?obstacle?on?the?track,?the?most?important?feature?of?this?design?is?the?gravitational?potential?energy?into?gear?transmission,?which?according?to?the?meshing?of?the?gears?to?drive?the?drive?wheels?and?steering?wheel?in?accordance?with?the?established?route?complete?the?task.
The?program?required?under?the?car?features?the?car?into?the?frame,?mechanism,?transmission,?steering?and?implementing?agencies.?Frame?triangle?bottom?type,?the?main?drive?gear?transmission,?steering?cam,?single?wheel?drive?running?gear?differential.?This?article?will?carbon-car?design?process,?structural?features?detailed?introduction
Keywords:?carbon-free?car?gear?engagement?steering?the?establishments?wheel?drive
1. 緒論
引言：“環(huán)保在身邊之‘無碳生活’”一帖在東楚網(wǎng)黃石新聞網(wǎng)發(fā)出之后，眾多的網(wǎng)游紛紛跟帖支招，各顯申通，通過生活中的小細節(jié)讓人們有意識的減少碳排放。多數(shù)網(wǎng)友認為，對社會整體而言，完全“無碳”難以做到，但是有意識的減少碳排放卻是隨地可做的事，勿因善小而不為，勿因惡小而為之。
隨著社會科技的發(fā)展，人們的生活水平的提高以及人們環(huán)保意識的增強，無碳對于人們來說顯得越來越重要，建設(shè)無碳社會，使得生活更加的環(huán)保，沒有任何污染。這個需要我們一起去努力的實現(xiàn)，而無碳小車的設(shè)計和發(fā)明，使得這個問題被擺在了桌面上供大家研究。
無碳車是比較環(huán)保的短途代步工具，節(jié)能、經(jīng)濟、方便、環(huán)保。因此，在人均擁有汽車比例很高的歐美發(fā)達國家，無一例外的自覺提倡推廣低碳車。許多的人認為，確保無碳車的便利通達，既是現(xiàn)實的選擇也是大勢所趨。在當今發(fā)達國家，無碳技術(shù)被運用到各個領(lǐng)域，例如交通，家庭用具等等，這也是我國當今所要求以及努力的方向。
針對目前的這么一個狀況，我設(shè)計了無碳小車的模型，利用重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能，提供了一條新思路，一邊更好的解決以上問題
1.1小車功能設(shè)計要求
給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)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(shè)置的障礙物（每間隔60cm，放置一個障礙物）。
給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），使用質(zhì)量為1Kg的重塊鉛垂下降來獲得，落差400mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。且能量有限，小車的機構(gòu)應(yīng)當盡量的減少，機構(gòu)設(shè)計越復雜，越復雜，機構(gòu)越多，小車的效率就會越低，越簡單的設(shè)計越能將重力勢能高效率的應(yīng)用。
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(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪）。 小車前進的路線具有一定的周期性；考慮到小車轉(zhuǎn)向時候速度有所損失，小車前進的路線是設(shè)計要求的最優(yōu)解
1.2小車整體設(shè)計要求
小車設(shè)計過程中需要完成：機械設(shè)計、工藝方案設(shè)計、經(jīng)濟成本分析和工程管理方案設(shè)計。命題中的工程管理能力項要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)劃。設(shè)計能力項要求對作品的設(shè)計具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項以要求綜合運用加工制造工藝知識的能力為主
1.3基本原理
該方案由物塊從0.4米高空處垂直下落，通過棉線，滑輪，齒輪系來帶動小車先加速再勻速最后減速行駛，再由齒輪，凸輪，連桿從起步開始轉(zhuǎn)向走出正弦曲線，完成小車轉(zhuǎn)向目的。
1.4設(shè)計亮點
1，階梯原動輪：由階梯形原動輪的半徑變化使小車實現(xiàn)先加速后勻速再減速的速度變化，這樣有利于小車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向增長小車的前進距離，同時避免了物塊下落時對小車造成的沖擊，損耗能量，提高了能量的利用率。2，凸輪：凸輪轉(zhuǎn)向使得轉(zhuǎn)向穩(wěn)定且對能量的消耗較小。3，后輪：后輪直徑較大，有利于減少摩擦力進而增大了前進的距離，同時較大的后輪使得小車的穩(wěn)定性得到提高。
2.方案設(shè)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。在這個設(shè)計中，最重要的便是傳動和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計，在這兩個設(shè)計中，我們要認真比對各個方案的優(yōu)缺點以及對方案可行性分析。在各項設(shè)計中要注意盡量減少中間傳動機構(gòu)的級數(shù)，并且使用能量傳遞效率高的傳動方案。同時地面對小車車輪的摩擦力為小車的主要耗能形式，所以要盡量減少車輪與地面的摩阻系數(shù)，選用最合適的車輪材料。在設(shè)計驅(qū)動輪時要保證小車加速—勻速—減速的行駛狀態(tài)，使得小車的行駛環(huán)境最優(yōu)。
2.1車架
對于車架有兩種方案(1)骨架式、(2)三角板式。由于需要定位且固定的零件比較多，且車架不用承受很大的力，精度要求比較高，這里采用三角板式車架，這樣有利于零件良好的固定在車架上，使得小車的精度提升，并且減小車身震動
2.2原動機構(gòu)
對于原動機構(gòu)，主要有(1)鏈輪式(2)皮帶輪式(3)彈簧式(4)繩輪式這四種方案。對于原動機構(gòu)的具體要求有：1.驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎的時候由于速度過大而侵犯，或者物塊搖晃厲害影響行走。2.到達終點前物塊的速度要盡可能的小，避免對小車造成沖擊，同時使物塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到小車的驅(qū)動前進上，如果物塊豎直方向上的速度比較大，物塊本身還有較多動能未釋放能量，那些能量將浪費。3.機構(gòu)簡單，效率高。就效率和簡潔性上來看，這里選擇繩輪最優(yōu)。要實現(xiàn)小車的最優(yōu)行駛環(huán)境，應(yīng)該從繩輪的直徑下手。利用力矩平衡的原理，充分使用物塊的重力勢能。繩輪的設(shè)計采用階梯型，在最開始繩輪的半徑略微大點，使得轉(zhuǎn)矩大于外力矩，實現(xiàn)小車的加速。中間部位利用力矩平衡，使小車勻速行駛。在物塊快要到達底端時，使繩輪的直徑變小，使得產(chǎn)生的力矩小于外力矩總和，以達到減速的目的。同時可以通過控制棉線繞的圈數(shù)來控制小車的加速時間以及加速度以及減速時間?？梢酝ㄟ^實驗得出最優(yōu)纏繞方案
2.3.傳動機構(gòu)：
傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，對傳動機構(gòu)的要求是：傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。所以有以下方案供參考：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(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點但是其效率及傳動精度并不高，所以不適合本小車設(shè)計。3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高。因此在這里優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。
2.4. 轉(zhuǎn)向機構(gòu)：
轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的預(yù)定軌道運動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。供選擇來實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、凸輪機構(gòu)+搖桿等等。
(1)凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運動時，是通過高副接觸可以使從動件獲得任意預(yù)期往復運動。優(yōu)點：只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預(yù)期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難，價格貴。
(2)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(gòu)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(gòu)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(shè)計較為復雜；如果給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)目往往會比較多，這樣就使得結(jié)構(gòu)復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性大大增加，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構(gòu)中做平面復雜運動和作往復運動的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。
(3)曲柄搖桿:結(jié)構(gòu)較為簡單，但是其效率低。其急回特性導致難以設(shè)計出較好的機構(gòu)。
綜上所述，選擇凸輪具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，導向精確的優(yōu)點。所以這里選擇凸輪作為導向機構(gòu)。
2.5.行走機構(gòu)：
行走機構(gòu)即為三個輪子，輪子有厚薄、大小、材料各不相同，需要綜合考慮。
有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為
對于相同的材料為一定值。
而滾動摩擦阻力，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。而雙輪差速驅(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。差速器能較好的減少摩擦損耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的運動，但是環(huán)節(jié)較多，效率相對較低。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是但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，一個為導向輪，另一個為從動輪，就如三輪車一樣。從動輪與驅(qū)動輪間的差速是依靠與地面的運動約束確定的。這種驅(qū)動的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(gòu)的輪子應(yīng)有恰當?shù)某叽?，?qū)動采用單輪驅(qū)動。
3.計算
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，為了簡化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設(shè)小車能量的傳遞效率為，則有：
，
其中為第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，M為小車的總質(zhì)量。
通過查閱資料可以知道摩阻系數(shù)對小車的運動影響非常顯著，因此在設(shè)計時要特別注意輪子的材料，讓輪子的剛度盡可能的大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。
傳動比的確定：首先估算小車的總質(zhì)量為M，則有小車受到的總摩擦力為，則小車的最大行駛距離為:*mgh=*S即S=。計算小車驅(qū)動輪轉(zhuǎn)一圈走的距離為L=2pi*R,一個周期為1.2的正弦曲線的長度為X，則驅(qū)動輪與凸輪之間的傳動比為i=S/L= 。
重物以加速度向下加速運動，繩子拉力為，有：
產(chǎn)生的扭矩M=T*r，驅(qū)動輪收到的力矩,凸輪收到的扭矩為，為驅(qū)動輪1受到的壓力，為驅(qū)動輪1提供的動力，則有：
（其中是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)）
（R為驅(qū)動輪半徑）
轉(zhuǎn)向時導向輪的摩擦力為,所以凸輪受到的轉(zhuǎn)矩為。由于凸輪-錐齒輪和錐齒輪的半徑一樣大，所以錐齒輪受到的轉(zhuǎn)矩也為，原動齒輪的轉(zhuǎn)矩為,由此可以得出小車的原動繩輪受到的轉(zhuǎn)矩為（其中和為相應(yīng)齒輪的傳動比）。由mgh*=可以求出原動繩輪的半徑。
綜合上述公式，可以得出:
=1:6，；=1:2.4:R=8mm。
對于軸來說，要確定軸的直徑先選定材料，由于在這個設(shè)計中，軸承受的載荷相對來說不是很大，但是由于傳動精度要求較高，并且要求各個環(huán)節(jié)損耗的摩擦以及受到彎曲應(yīng)力導致軸線彎曲形成的震動等不必要的能量損失盡量降低，所以對于軸的材料要求需要一定的剛度，在這個設(shè)計中我選擇了45號鋼。軸上受到的力大致有傳遞的轉(zhuǎn)矩、齒輪的圓周力，徑向力，齒輪的軸向力以及車輪受到的摩擦轉(zhuǎn)矩。
45號鋼的機械性能由機械設(shè)計手冊查得=650MPa、=360MPa、 =300MPa、=155MPa和=60MPa。選取C=110，則=C
算出來的軸徑由于考慮到要在軸上開鍵槽，將其軸徑增加4%—5%。再圓整得到各個軸的直徑.
對于齒輪來說，一般選用壓力角為20°的齒輪。由于傳動比已經(jīng)確定，需要根據(jù)合理規(guī)劃軸心矩，從而確定模數(shù)，而后根據(jù)兩齒輪的傳動比確定各個齒輪的分度圓直徑，后查表和根據(jù)，c=0.25計算齒輪的各項參數(shù)。如：齒頂高，齒根高
參數(shù)確定：單位mm
轉(zhuǎn)向輪與從動件的中心距為10mm；驅(qū)動輪直徑D=60；導向輪直徑d=15；繩輪半徑R=8；底板寬度為156長度為155。
零部件工藝設(shè)計：1.軸由#45鋼機加工而成。2.車輪由高密度聚乙烯澆筑而成，再進行機加工提高表面的精度使其表面光滑，降低摩擦阻。3圓柱直尺齒輪兩對，壓力角為20°。一對為m=0.5,小齒輪：齒數(shù)Z=20，齒厚為6;大齒輪：齒數(shù)Z=120,齒厚為6。另一對為m=1.25小齒輪齒數(shù)Z=20,大齒輪齒數(shù)Z=48。4.一對錐齒輪，兩齒數(shù)都是48，m=1.25。齒厚為b=4.25。5.深溝球軸承和軸套以及螺栓等都是標準件，可以直接購買6.物塊支架以及軸承支座選用高硬度鋁合金
4.結(jié)論
此無碳小車的設(shè)計大致合理，由于沒有實物進行實驗，條件也有限，設(shè)計出來的無碳小車還需要在進行實物測試之后進行修改，使得小車的設(shè)計最優(yōu)化。在設(shè)計中有過許多種方案的選擇，通過查找各種資料，我得出了選擇范圍的最優(yōu)方案。同時在這里，首先我要感謝我的指導老師為了我完成畢業(yè)設(shè)計的無私的關(guān)懷以及辛苦的付出。通過做這次的無碳小車的畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多。首先，我從無碳小車的設(shè)計理念得到了深深的啟發(fā)，讓我對新能源的關(guān)注意愿提升了很多，讓我對無碳生活更加的了解。其次，通過做這次的畢業(yè)設(shè)計，我深深的認識了自己的不足，以前學的知識不成系統(tǒng)，很多東西只知其然不知其所以然導致做畢業(yè)設(shè)計的時候總是感覺這也不懂那也不清楚，平白的犯下很多錯誤，在許多問題的處理上只是想當然，時候才發(fā)現(xiàn)錯誤，然后進行補救的時候又要重新計算，有時候碰到一個問題的時候總是糾結(jié)于此，結(jié)果浪費了一大把的時間，導致設(shè)計的效率低下，且設(shè)計結(jié)果質(zhì)量也比較低下。對于一些很久沒摸的書，其中的內(nèi)容早已忘了大半，又要開始向看新書一樣的開始學習。這都是基礎(chǔ)不扎實導致的后果。通過這次的設(shè)計，把貫穿了大學的基礎(chǔ)以及專業(yè)課程基本都過了一遍，讓我對知識的印象加深了，同時通過大量的翻閱一些課外書籍，也學到了一些以前沒有接觸到的東西，也讓我明白了做設(shè)計不是那么簡單的事情，同時也增強了我對所學專業(yè)的樂趣和信心。通過這次設(shè)計我認識到了了一名設(shè)計工程師的前進方向，堅定了我的意志，讓我明白通過自己的努力設(shè)計出成果時的那一絲滿足是多么的讓人愉快。在期間，林老師對我的設(shè)計做出了多次的指導，幫助我改正許多錯誤，讓我少走了很多的彎路，這讓我充分的認識到經(jīng)驗不足的我應(yīng)該要學習的東西。我將更努力的學習，進步，早日成為一位能頂“一片天”的設(shè)計師，讓今天的我以母校驕傲，以后的母校以我為榮。
5.參考文獻
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