机械原理课程设计报告

机械原理课程设计报告题目：S轨迹无碳小车1目录一、题目：无碳小车设计——S型赛道........................................................................................2二、小车整体方案设计...................................................................................................................32.1、整体方案分析.................................................................................................................32.2、小车各机构方案设计......................................................................................................42.2.1、车架.......................................................................................................................42.2.2、原动机构...............................................................................................................52.2.3、传动机构...............................................................................................................62.2.4、转向机构...............................................................................................................72.2.5、行走机构...............................................................................................................82.2.6、微调机构...............................................................................................................92.3小车整体示意图：.............................................................................................................9三、各机构设计计算.....................................................................................................................103.1小车的轨迹.....................................................................................................................103.2小车的转向机构.............................................................................................................15四、小车整体受力分析.................................................................................................................194.1.1三维建模...............................................................................................................194.1.2测量.......................................................................................................................244.2.1整体运动力学分析...............................................................................................254.2.2功率损失.............................................................................................................264.2.3后轮轴受力分析...................................................................................................264.2.4小车做功分析.....................................................................................................26五、评价分析.................................................................................................................................265.1小车优缺点.....................................................................................................................265.2改进方向.........................................................................................................................27六、参考文献.................................................................................................................................272一、题目：无碳小车设计——S型赛道设计一种小车，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。竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。见图2。图2：无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图3二、小车整体方案设计2.1、整体方案分析1、根据设想，我们想出了四种整体设计方案：（1）常规小车往届比赛出现频率最高的小车，即三只轮子呈普通三角形分布，后轮驱动。（2）前轮驱动小车重物下落后驱动前轮转向，同时前轮兼具转向的功能。优点：运动分析简单，不用考虑后轮差速问题。缺点：结构设计复杂，动力传动方向会变导致能量的损失。（3）前轮偏置式小车前轮与后端某一轮在一个平面上，即三只轮子呈直角三角形分布。该方案运动分析较第一种简单。（4）前二后一轮式即前端两轮，后端一轮，后轮为驱动轮，前面两个轮子为转向轮。最终综合各方面因素，我们选择了常规小车，既三个轮子呈三角形分布，后轮驱动，前轮负责转向。2、根据题目，小车要具有重力势能转换为动能的功能。驱动自身行走的功能以及自动转向的功能。因此我们将小车分为五个模块分别进行设计。这五个模块分别为原动机构、传动机构、转向机构、驱动机构以及微调机构。重物下落带动原动机构，原动机构通过传动机构将运动传递到驱动机构和转向机构，微调机构可以对整个小车的运动进行微小调节，以应对不同的情况。具体运动流程图如图2-1所示：图2-1运动流程图重物下落原动机构传动机构微调机构驱动机构转向机构42.2、小车各机构方案设计为了得到比较合适的方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案。我们通过查阅资料罗列了各种可能的机构。如图2-2所示图2-2各种机构方案在选择方案时要综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，从而选择较为合适的方案。2.2.1、车架对于无碳小车来说，车架主要起到连接、固定和承重的作用，而且考虑小车整体的重量问题，我们将车架尽可能做得小，以减轻重量；另外，考虑到小车上各个机构的安装问题，我们设计的车架是类似于三角底板式的车架，如图2-3所示5图2-3车架2.2.2、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动能。能实现这一功能的方案有多种，其中绳轮式机构是最简单、最有效率的一种机构。另外，小车对原动机构还有其它的具体要求：（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可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上对的动能，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。（3）由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，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合适。因此原动机构还需要能根据不同的条件来调整其驱动力。（4）机构简单，效率高。基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构。如下图2-4。我们将绕线轮做成锥状，外表面为螺纹。锥状可以调节输出驱动力，螺纹可以固定绳子，使松线更加平稳，不致滑动，如下图2-5。6图2-4绳轮式原动机构绕线轮优化过程图2-5各种绕线轮2.2.3、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，传动机构要做到传递效率高、传动稳定、结构简单、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，这种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。（2）带轮具有结构简单、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能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。我们选择的是齿轮传动，如图2-6所示：7图2-6齿轮传动机