机械设计1.docx

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机械设计1

湖南工业大学

课程设计

资料袋

机械工程学院（系、部）2012~2013学年第一学期

课程名称机械设计指导教师刘金华职称教授

学生姓名禹鹏专业班级机械设计制造及其自动化班级1003学号10405700422

题目无碳小车设计

成绩起止日期2012年12月21日～2013年1月2日

目录清单

序号

材料名称

资料数量

备注

1

课程设计任务书

1

2

课程设计说明书

1

3

课程设计图纸

张

4

装配图

1

5

零件图

2

6

课程设计任务书

2012—2013学年第一学期

机械工程学院（系、部）机械设计制造及其自动化专业1003班级

课程名称：

机械设计

设计题目：

无碳小车设计

完成期限：

自2012年12月21日至2013年1月2日共2周

内

容

及

任

务

一、设计任务：

传动系统的总体设计；传动零件的设计计算；无碳小车装配图及零件工作图的设计；设计计算说明书的编写。

二、每个学生应在教师指导下，独立完成以下任务：

（1）无碳小车装配图1张；

（2）零件工作图2~3张；

（3）设计说明书1份。

进

度

安

排

起止日期

工作内容

2012.12.21-2012.12.22

传动系统总体设计

2012.12.23-2012.12.25

传动零件的设计计算

2012.12.25-2013.01.01

无碳小车装配图及零件工作图的设计、整理说明书

2013.01.02

交图纸并答辩

主

要

参

考

资

料

1.《机械设计》（银金光，刘扬主编清华大学北京交通大学出版社）

2.《机械设计课程设计》（银金光，刘扬主编北京交通大学出版社）

3.《工程图学》（赵大兴主编高等教育出版社）

4．《机械原理》（朱理主编高等教育出版社）

5.《互换性与测量技术基础》（徐雪林主编湖南大学出版社）

6.《机械设计手册（单行本）》（成大先主编化学工业出版社）

7.《材料力学》（刘鸿文主编高等教育出版社）

指导教师（签字）：

年月日

系（教研室）主任（签字）：

年月日

机械设计

设计说明书

无碳小车设计

起止日期：

2012年12月21日至2013年01月02日

学生姓名

禹鹏

班级

机设1003

学号

10405700422

成绩

指导教师（签字）

机械工程学院（部）

2012年01月01日

目录

1设计任务书2

2小车的构造特色3

3重物滑轮及动滑轮的设计4

4小车重心设计5

5绳轮机构的设计6

6轨迹设计7

7转向设计8

8传动机构的设计9

9底板设计10

10后支架设计11

11锥度绕线轮轴设计12

12起动力矩，效率，变桩侧翻等问题的分析13

13小车结构原理简图14

14设计小结15

15参考文献16

1设计任务书

1.1课程设计的设计内容

以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车

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（￠50×65mm，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，不允许从小车上掉落。

图1为小车示意图。

图1：

无碳小车示意图

要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。

要求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，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。

小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。

障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。

1.2课程设计的原始数据

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（￠50×65mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm。

2小车的构造特色

2.1动滑轮直径应等于两绳子距离

2.2差动滑轮

利用后轮两轮与地面的摩擦在转弯的过程中内外轮摩擦不等这一原理设计差动滑轮假设当动滑轮上升高度G是在摩擦力不等情况下（即小车转弯时）后轮所转圈数存在一差值，这一差值恰好为圆弧长度差从而实现双轮驱动。

竟而避免了由单轮驱动所产生的打滑跑偏及速度突变等一系列问题。

2.3线性转矩输出线轮设计

通过在同一轴上装配2个半径分别为R1和R2的两个线轮，由对轴线转矩平衡公式易知绕于两线轮的线作用力之比F1/F2=R2/R1，通过调节R1和R2的尺寸理论上可以实现任意线性比从而实现线性的改变小车启动力矩避免小车无法启动这一现象，同时还可以找到一个最佳启动转矩

3.重物滑轮及动滑轮的设计

由左图知

F1*r动=F2*r重。

F2=mg得mg：

F1=r动：

r重，

从而调节r动与r重的比值，可调节F1即起动力矩。

4.小车重心设计

通过调解与所吊重物相连的定滑轮到后轮轴线

水平距离Y值，改变整车重心所在轴线位置坐标从

而改变小车上3个轮子的与地面的摩擦力。

将与地

面的磨损消耗在可调范围内找到极小值从而降低

摩擦损耗继而提高小车的整体效率，同时还对小车

的侧翻及小车整体稳定性都起到一定调解作用。

5.绳轮机构的设计

5.1R1和R2直径设计

通过一锥套让小车由无法启动到能够启动这一临界位置的半径，即这一半径为所需要的设计半径，这样设计的理论基础为最大限度的降低小车运行速度，将重物带走的一部分动能，++小车的零件消耗及磨损消耗降低到最小值，从而达到提高效率保证小车运行平稳防止侧翻等一系列问题出现。

5.2绳轮半径r1，r2设计。

由设计方案，现考虑走圆弧段，

2ΠR1*n后=△L=

2ΠR2*（360°-40°/360°）

n后=1.3，从而

r1：

r2=80:

117=0.684

6.轨迹设计

由设计方案知，不完全齿轮齿向角与转弯圆心角相等。

又考虑到轨迹的变形及不完全齿轮齿数，半径，装配及根切等问题，设计时取α=40°，从而，

s=（360°-40°）/360°*（2Π*150）=837.76mm，同理s’=104.72mm。

s为圆弧弧长，s’为转弯曲线长（在这里先取近似值）

7转向设计

7.1设车前后轮轴线之间的距离为a，如左图所示a=R*cosθ=BO*tanθ=（L+r）*tanθ。

L为车轮中线距离，r为内轮到圆心的距离。

由于考虑到后轮与障碍物相撞，故取

BO=ρ=S/2，ρ为障碍物距离S的一半，s=300mm，从而a=125.86mm

7.2后轮半径设计

由2ΠR后n后=s，考虑到传动比及启动力矩。

取n后=1.3。

于是得到

R后=102.56mm

8传动机构的设计

8.1不完全齿轮设计

设计中，取模数为1，（所有齿轮），α0=α=40°，由于不完全齿轮带动完全齿轮转180°，故不完全齿轮齿数

Z不=Z全/2。

设Z全=16（考虑到Ｚ不为偶数，不完全齿轮齿数，半径，转配及根切等问题）从而Ｚ不＝８，α０＝α=40°，从而有不完全齿轮的全齿数Ｚ＝72，故直径d=m*z=72mm

8.2完全齿轮设计

Z=16，m=1.从而两齿轮装配时中心距为：

a’=72/2+16/2=44mm

8.3.转角，曲柄，连杆长度设计。

由左图知：

AD=CP=BD=r曲

=OD*tanθ。

取θ=40°，OD=b=30

得r曲=25.173mm，AO=OD/cosθ=39.164mm。

取位置p，知在OA处，

AP=L连=CD+DA而装配中确定了CD=60.3，从而L连=35.127mm

9底板设计

主要考虑到重心，干涉，绳子绕行方向等问题。

10后支架设计

高度H=550mm

两轮位置设计在重心与起动转矩间，须考虑到强度问题，刚度问题及质量，稳定性等。

11锥度绕线轮轴设计

锥度=（40-5）/35=1

将两个锥度套套在r1，r2位置，满足r1：

r2=

80：

117，调节使小车从起不动至恰好起动，得出一组r1，r2的值。

即为一个设计解，再从左右找优化解。

12起动力矩，效率，变桩侧翻等问题的分析

实现变桩必须满足以下3点：

1.无极改变圆弧曲率半径

变桩直接改变了8字轨迹的尺寸因此改变圆弧小车曲率半径这是显然的

.具体操作是通过调节曲柄摇杆机构的曲柄长度和摆杆长度来控制曲柄最大摆角从而改变小车圆弧曲率半径

2.无极改变小车传动比

原理是当变桩后小车的轨迹，长度是线性改变的因此就要线性改变小车后轮所转圈数，这就必须改变线性传动比

具体操作是通过调节两线轮R1和R2（分别是指装在后轮轴线上的线轮和与不完全齿轮同轴的线轮）从而无极的改变传动比实现轨迹线性改变继而实现变桩轨迹

3无极改变小车启动转矩

当改变小车前2点的同时小车启动所需的最小转矩是

随之改变的，倘若不改变启动转矩则小车无法启动

或启动转矩过大。

无法启动这显然是不允许的另外启动

转矩过大将导致小车运行过程中加速度过大从而导致

小车运行过程中速度变化加大这样将带来小车内部消

耗磨损加剧侧翻可能性增大不稳定因素随之产生这样

显然是不利的，因此要避免上述问题的产生必须实现

启动转矩可调。

具体操作：

通过改变支架上装于同一轴的两线轮的半

径大小来改变两细绳之间的拉力比来实现改变启动转矩。

13小车结构原理简图

14设计小结

回顾这段做无碳小车的日子，真的感慨万千，有辛酸，有喜悦，当然更多的是收获啦！

学习生活提高了我的独立思考能力和为人处事能力，在制作期间我最大的收获是：

第一，通过实践真正觉得自己可以做些什么了，从实践中知道自己的人生意义；第二，通过课程的学习，加强了我的动手实践能力和设计创新精神；第三，在制作的这些日子里，我学会了团结就是力量。

“理论来源于时间，理论最终用于实践”，这让我深深地感受到实践的重要性。

通过平时书本上所学到的理论知识，带着自己的疑问去学习机械设计的有关方法。

在这次实践中都得以解答，并进一步让我深刻地理解、体会和证明了理论知识，让自己有了深刻地记忆。

读万卷书，行万里路。

身为一个大学生，应以学业为重，学习就是首要任务。

学习学不好，事情也很难做好。

大学生不仅要读好书，还要行万里路，从实践求真知，一步一个脚印去实现自己的人生理想！

在这创新课程过程中，我不但对所学习的知识加深了了解，更加重要的是更正了我们的自主学习观点和提高了我们的独立工作能力等。

我坚信，通过这一段时间的学习，从中获得的实践经验使我终身受益，并会在我毕业后的实际工作中不断地得到印证，我会持续地理解和体会实习中所学到的知识，期望在未来的工作中把学到的理论知识和实践经验不断的应用到实际工作中来，充分展示我的个人价值和人生价值，为实现自我的理想和光明的前程而努力。

15参考文献

【1】《机械设计》，银金光，刘扬主编，清华大学北京交通大学出版社，2012.9。

【2】《机械设计课程设计》，银金光，刘扬主编，北京交通大学出版社，2011.11。

【3】《机械原理》，朱理主编，高等教育出版社，2011.12。

【4】《互换性与测量技术》，徐学林主编，湖南大学出版社，2010.8。

【5】《机械设计手册》，成大先主编，化学工业出版社，2008。

【6】《工程制图》，赵大兴主编，高等教育出版，2004。

【7】《理论力学》第七版，哈尔滨工业大学理论力学教研室编，高等教育出版社，2011.5。

【8】《材料力学》第五版，刘鸿文主编，高等教育出版社，2011.1。