无碳小车设计毕业设计论文.docx
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无碳小车设计毕业设计论文
机械设计课程设计任务书
学生姓名
。
。
。
专业班级。
。
。
。
班
学号。
。
。
指导教师
。
。
。
职称
教研室。
。
。
题目
无碳小车设计
方案与要求
“无碳小车”以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。
功能设计要求是给定一重力势能，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如上图所示。
小车在前行时能够在半张标准
乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕两个障碍物按“8”字形轨迹运行。
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400±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Φ60
×20mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400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Φ30mm。
要求完成：
1.装配图1张（A2）。
2.零件工作图
3.设计说明书
2张（齿轮和轴两个零件）。
1份，6000-8000字。
开始日期
2014
年
12
月15日
完成日期
2015
年
01
月
02
日
2014年
11
月
20
日
第1页
机械设计课程设计
计算与说明.......................................
1
1.
设计任务书......................................
2
1.1
设计题目..........................................
2
1.2
原始数据..........................................
2
1.3
工作条件..........................................
2
1.4
动力来源..........................................
2
1.5
传动方案..........................................
2
2.
传动比的分配....................................
3
2.1
总传动比的分配....................................
3
2.2
减速器传动比......................................
4
3.
传动装置的运动和动力参数计算....................
5
3.1
各轴转速的计算....................................
5
3.2
各轴输入功率......................................
5
3.3
各轴输入转矩......................................
5
4.
转向设计........................................
6
4.1
选定转向装置......................................
6
4.2
确定转向装置的基本参数............................
6
5.
齿轮的设计......................................
8
5.1
设计计算一级齿轮.................................
8
5.1.1
选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数.........
8
5.1.2
按齿面接触强度设计.........................
8
西安文理学院2012级机械设计制造及其自动化
第2页
机械设计课程设计
5.1.3
按齿根弯曲疲劳强度设计.....................
10
5.2
设计计算一级齿轮.................................
14
5.2.1
选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数........
14
5.2.2
按齿面接触强度设计........................
15
5.2.3
按齿根弯曲疲劳强度设计....................
17
6.轴的结构设计...................................
20
6.1
按扭转强度条件计算...............................
21
6.2
按弯扭合成强度条件计算...........................
22
6.3
轴的扭转刚度校核计算.............................
27
7.键连接的选择及校核计算.........................
29
7.1
平键连接强度计算.................................
29
8轴承的选择
.....................................
30
9润滑方式选择....................................
30
9.1
齿轮的润滑.......................................
31
9.2
轴承的润滑.......................................
31
10注意装配事项...................................
31
10.1轴的装配........................................
31
10.2齿轮的装配......................................
32
10.3转向杆的装配....................................
32
11设计小结
.......................................
32
12参考文献
.......................................
33
西安文理学院2012级机械设计制造及其自动化
第1页
机械设计课程设计
主要结果
计算与说明
我们本次的机械设计课程设计是以“全国大学生工程实训综合能力竞赛”题目“无碳小车”为题。
该无碳小车是利用一个一定质量的重物从一定的距
离下落是由其自身重力势能转换成机械能来驱动小车行走。
小车前行过程中完成的所有行走功能所需的能量均有此能量转换获得，不消耗其他形式的能量。
通过计算设计出能完成预期行走功能的转向系统和相关传动系统，并使
小车在前行时能够在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕两个障碍物按“8”字形轨迹运行。
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评定成绩。
所以我们选择曲柄连杆机构来实现小车的转向，选择传
动平稳可靠的齿轮机构来实现周性的绕过障碍物。
随着社会的发展，低碳生活对我们越来越重要，建设无碳生活，使得生活更加环保，是我们每个人的职责。
我们通过设计无碳小车模型，用重力势能转化为机械能，为以后能源发展提供了一种全新的思路，使更多的人有意识的去享受低碳生活。
保护环境是每个人得责任，在人们开始有意识地减少对大气的二氧化碳排放量，就要求生活中的交通工具尽可能的减少或不排放二氧化碳,随着人们的生活水平越来越高，人们对环境质量的要求也日益增加。
环境对人类的健康越来越重要，人们提出建设无碳社会使生活
更加环保。
无碳车的研发可以缓解社会对能源的需求。
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机械设计课程设计
1.设计任务书
1.1设计题目
1.2原始数据
F10Nv0.5ms,
D150mm
1.3工作条件
1.4动力来源
1kg
1.5传动方案
..
第2页
F10N
v0.5ms
D150mm
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第3页
机械设计课程设计
2.传动比的分配
2.1总传动比的分配
重锤重1Kg，下落高度4002mm，v0.5ms。
按8字桩最小距离400mm
计算，由于小车在走8字时，其精确轨迹无法估算，先在暂时认为小车在走八字是近似为扫描圆形轨迹，如下图所示：
图1-1小车扫描轨迹
根据图1-1和圆的周长公式，我们可以大致确定出小车所要走过的路径，根据公式：
ld..........................................................................................①
将数据代入公式中可得：
l1257mm
由于小车要走过的距离为两个圆的周长，所以小车要走过的距离为
2l
2514mm
而绳子所下降的距离为400mm.
根据摩擦理论可知：
摩擦力矩和正压力的关系为：
MN.................................................................................
②
而滚动摩擦所受的阻力为：
f
MN
RR.............................................................................③
根据上述公式我们可以初步判定我们无碳小车的设计原则，即小车质量要轻，轮体直径应尽可能的大。
初步计算时，为了方便计算，我们初步取得
轮子直径为100mm,但是在绘图的过程中发现无法安装转向机构，所以后初步设计直径为150mm。
小车至少要完整的走过一圈的距离，所以车轮要转动的圈数为：
n
2l
d..........................................................................................④
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第4页
机械设计课程设计
式中：
d
150mm,
d
150mm
将以上数据代入公式④中：
n
5.335
n
3.99
根据设计结构即无碳小车的传动路线，小车采用的是重块通过绳索直接与滚筒相连，由滚筒驱动与之同轴的齿轮，齿轮再驱动后面的小齿轮。
而在
齿轮传功中，齿轮件的传动比常取1.4~5，在此我们取常用传动系数2.则与
滚筒同轴的齿轮需要转动2圈，同样的滚筒也要转2圈。
近似的我们圆整为2圈，又因为小车上的重块需要下降400mm，据此根据公式①我们可以估算出小车滚筒的直径：
前轮直径30mm
d16.37mm
在绘图过程中，根据装配的要求我们取前轮直径为30mm。
2.2减速器传动比
ia
4
ia
4
考虑到一级齿轮传动圆柱齿轮范围为
5~8，故选i1
2，i22。
i1
2
i2
2
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机械设计课程设计
3.传动装置的运动和动力参数计算
3.1各轴转速的计算
n2
57rmin
n
57
114rmin
n1
2
i1
n1
n4
114r/min
3.2各轴输入功率
PB
5kw
PAP001＝4.5619kw
PCPI124.5619kw
3.3各轴输入转矩
T9550P
n
（1）输入转矩
TB
9550PB
9550
5
0.8733Nm
n
114
TA
9550PA
9550
4.5619
1.5023N
m
n1
114
TC
9550PC
9550
4.5619
1.5023N
m
n3
114
第5页
n257r/min
n1114rmin
n4114r/min
PB5kw
PA＝4.5619kw
PC4.5619kw
TB0.8733Nm
TA1.5023Nm
TC1.5023Nm
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机械设计课程设计
4.转向设计
4.1选定转向装置
该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的两个障碍物（每间隔300mm到500mm，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒），并在半个乒乓球案长1525mm，宽1370mm中，绕两个障碍物走8字型，不完全齿轮具有转向功能。
所以转向装置选择不完全齿轮。
4.2确定转向装置的基本参数
小车行走时的轨迹如图可知，用滑块连杆实现表示出来可得
杆件的基本参数：
摆杆长54.5mm，宽度6mm，厚度3mm,滑杆长56mm，宽
度6mm，厚度3mm,支撑架高51mm，宽度4mm，厚度4mm，连杆高30mm,厚度5mm，宽度10mm,转向机构轴高69mm，直径8mm.
转向机构杆如图
支撑架转向机构摆杆
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机械设计课程设计
滑杆
连杆
前轮最大转角：
13度
最大转角：
13度
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机械设计课程设计
5.齿轮的设计
5.1设计计算一级齿轮
5.1.1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数
（1）按照我们的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取为20。
（2）无碳小车为一般工作机器，参考表10-6，选用7级精度。
（3）材料选择。
由表10-1，大齿轮与小齿轮均选择选择45刚（调质），
硬度为240HBS。
（4）选小齿轮齿数为z1
19,大齿轮齿数z2
i1z121938，
z1
19
因为z1与z2要互质,所以取.z2
39。
z2
39
5.1.2按齿面接触强度设计
（1）由式（10-11）①试算小齿轮分度圆直径，即
d1t
H1
u1（
Z
Z
Z
）
2
3
KT1
H
E
d
u
[
H]
1）确定公式内的各项数值
①试选载荷系数
KHt
1.3
KHt
1.3
②计算小齿轮传递的转矩
T19.55106P/n1
9.55106
1
103/57Nmm838Nmm
T1
838Nmm
③由表10-7选取齿宽系数
d
1
d
1
④由图10-20查得区域系数
ZH
2.5
ZH
2.5
⑤由表10-5查得材料的弹性影响系数（大小齿轮均采用锻造）为
zE189.8MPa
zE
189.8MPa
⑥由式（10-9）计算接触疲劳强度用重合度系数
Z
a1
arccosz1cos
/z1
2ha
arccos19
cos20/19
2
1
31.767
a2
arccosz2cos
/z2
2ha
arccos39
cos20/39
2
1
26.638
a1
a2
31.767
26.638
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机械设计课程设计
z1
tan
a1tan'
z2
tan
a2
tan
'/2
19
tan31.767
tan20
39
tan26.638
tan20
/2
1.626
z
4
4
1.626
0.89
3
3
⑦计算接触疲劳许用应力
H
。
由图10-25d①查得两齿轮的接触疲劳极限为
Hlim1
Hlim2
550MPa
由式（10-15）①计算应力循环次数：
N1
60njh
60
57
1（2803001）
1.6416107
N2
N1
1.6416
107
3919
7.998
106
由图10-23查取接触疲劳寿命系数KHN1
1.14,KHN2
1.35。
取失效概率为
1%，安全系数为S=1，由式（10-14）得
H1
KHN1
Hlim1
1.14
550MPa
627MPa
S
1
[
H]2
KHN2
Hlim2
1.35
550MPa
742MPa
S
1
取H1和H2中较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即
HH2627MPa
2）试算小齿轮分度圆直径
2
32KHtT1u1ZHZEZ
d1t
u
d
321.3838
39/1912.5
189.80.892
2
mm12.97mm
1
39/19
627
（2）调整小齿轮分度圆直径
1）计算实际载荷系数前的数据准备。
①圆周速度v。
v
d1tn1
60
d1tn1
12.9757ms0.04ms
60
1000
1000
60000
②齿宽b。
bdd1t112.97mm12.97mm
2）计算实际载荷系数KH。
①由表10-2①查得使用系数KA1
第9页
1.626
z0.89
Hlim1
550MPa
Hlim2
550MPa
N11.6416107
N27.998106
H1627MPa
[H]2742MPa
H627MPa
d1t12.97mm
v0.04ms
b12.97mm
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机械设计课程设计
②根据
v0.04ms
、7级精度，由图10-8查查得动载系数
Kv
1.02
。
③齿轮圆周力
Ft12T1/d1t2830/12.97N
129.22N
KAFt1/b1129.22/12.97N/mm
19.93996N/mm100N/mm
查表10-3①得齿间载荷分配系数KH
1.1。
④由表10-4①，7级精度，小齿轮，相对承非对称布置齿向载荷分布系
数KH
1.1,由此，得到实际载荷系数
KH
KAKVKHKH11.021.1
1.9232.158
3）由式（10-12）①，可得按实际的载荷系数算得的分度圆直径：
d1
d1t
3
KH
12.97
32.158
mm取
mm）
KHt
1.3
15.357（
16
及相应的齿轮模数
mnd1z1
15.35719mm
0.808mm（取0.8mm）
5.1.3按齿根弯曲疲劳强度设计
（1）由式（10-7）①试算模数，即
mt3
2KFtT1Y
（YFaYSa）、
dz12
F
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