一种势能小车设计说明书.docx

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1、一种势能小车的设计通过对第七届全国大学生工程训练“无碳重力势能小车”的赛题分析。对小车的结构部分进行设计。通过每一阶段的深入分析把设计尽可能向最优设计靠拢。根据小车功能要求，把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。首先针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。确定的方案为:车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮、转向机构采用曲柄摇杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母。然后对方案进行理论分析，综合考虑零件材料性能、加工工艺等，进而得出了小车的具体参数和运动规律。关键字:工程训练;参赛作品

2、;重力势能小车32Design of a potential energy trolleyBased on the second national college engineering training entriesn carbon-freegravitational potential energy carH analysis.Find cart in the design deficiencies. In orderto improve the deficiency of the trolley car, a portion of the structure redesign.Thro

3、ugheach phase of the in-depth analysis of the design as possible to move closer to optimaldesign.According to the functional requirements of the trolley car,divided into frame,drivingmechanism,a transmission mechanism, a steering mechanism, a walking mechanism,a fine adjustment mechanism of six modu

4、les,modular design. First,for each moduleperforms multiple design, through comprehensive comparison and choose the optimalscheme of combination. Determining the scheme are: frame with triangular bottom platetype,motive mechanism adopts a conical shaft, the drive mechanism adopts gear,steering mechan

5、ism with crank rocker, walking mechanism driven by a single wheel toachieve differential,fine tuning mechanism by fine adjustment nut. Then the schemetheory analysis, considering the parts and materials properties, processing technology,and then the specific parameters, and movement rules.Key words:

6、Engineering trainingentries, gravitational potential energy目录摘要错误!未定义书签。ABSTRACT错误!未定义书签。1绪论q1.1 势能小车主体功能设计要求51.2 小车的设计方法52势能小车的方案设计72. 1势能小车的原理72. 2势能小车行走方案的对比和分析72. 3势能小车方案的确定错误!未定义书签。2. 4小结73势能小车的总体方案设计83.1 重块设计93.2 原动机构的设计93.3 传动机构的设计103.4 转向机构的设计113.5 行走机构的设计113.6 微调机构的设计123.7 驱动机构133.8 底板和支撑板的

7、设计1439II 154势能小车的主要技术设计164.1影响小车性能主要因素的分析164.1.2 运动学分析184.1.3 动力学分析195势能小车的三维建模与仿真215.1 机构尺寸确定215.2 软件建模215.3 运动仿真226典型零件加工工艺的分析及编写256.1驱动轴加工工艺分析25267车体车架的有限元分析7.1 有限元分析的介绍267.2 有限元分析的原理及分析过程277.3 有限元分析详细流程287.4 有限元分析结果30结论30致谢31参考文献311绪论1.1 势能小车主体功能设计要求给定一重力势能，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

8、置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。本论文主要以第七届工程能力竞赛的要求为主，设计具有“8”字轨迹的绕障功能小车，小车必须绕过两障碍物且不碰倒，并按规定路线运行，在赛道中心线上测量的驱动车有效的运动距离越长以及成功绕桩数量越多越好。（1）驱动车成功绕过障碍桩的评定:驱动车须分别从障碍桩前后的左侧（或右侧）和右侧（或左侧）越过赛道中心线（即驱动车后轮过赛道中心线），且障碍物未被撞倒或推出障碍物定位圆方可计入成绩；（2）驱动车一次绕过多根桩或多次绕过同一根桩:均算作绕过一根桩，障碍桩被推出定位圆或被推倒均不得分。对机构设计方

9、面的要求:转向部分需要可控可调，只有重块提供源能量（其中，ma=1kg,悬高3002mm）。行走过程中，小车不能碰倒障碍，重块不能脱离小车。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。1.2 小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析得到了比较清晰开阔的设计思路。设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等多方面因素。2势能小车的方案设计2.1势能小车的原理根据第七届全国大学生工程训练大赛的比赛要求，势能小车主要要实现两个功能:重力势能转化为势能小车的动能以及势能小车行走方向的不定期转向，根据这样，

10、可以将势能小车分为驱动系统和转向系统这两个大的部分。驱动系统的难点在于要能量损耗小和传动比的精确，影响能耗与传动比的主要机构为传动机构，而常用的传动机构有带轮传动、齿轮传动、同步带传动、皮带传动、链条传动，关于选择，后续还需继续深入讨论。转向系统的难点在于要控制精度高、能量损耗小并且可以进行调节，常见的有曲柄滑块机构、凸轮+摇杆机构、曲柄连杆+摇杆机构等。在转向系统中，可以设置微调机构，通过调节曲柄和连杆的长度，以此让小车来适应不同桩距的行走。经初步设计，将本小车结构细分为六个部分,分别为车架、行走机构、原动机构、转向机构、传动机构及微调机构。驱动机构要求能满足小车的平稳启动，并以较低速度进行

11、稳定的行驶。如果小车的启动力矩太小，则无法驱动势能小车前进，但若小车的驱动力矩过大，则初始加速度也会过大，则小车启动速度太快，小车很难满足稳定的启动以及后续的稳定行驶。传动机构要满足小车驱动轴与转向机构之间的传动。转向机构要求势能小车能够根据比赛的轨迹而进行精准的调节，该部分结构尤为重要，若小车无法精确的转向，就会出现运行轨迹的偏差，则会使绕桩的路径发生偏差，甚至会与桩相撞，影响比赛的后续进行。微调机构要求能根据比赛时现场桩距的变化来进行调整，改变小车转弯半径，实现小车的正常运行。2.4本章小结本次设计中转向机构初步确定为曲柄连杆+摇杆。行走机构初步确定为单论驱动。原动机构为输出驱动力可调的锥

12、形螺旋槽。3势能小车的总体方案设计通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、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成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。设计图框如图3-1r-减少内部摩擦损耗行走路程 避开障碍多减少地面摩擦损耗可根据不同的地面调整驱动机构保证加工一装配精度对小车行走影响L-较灵敏的零部件尺寸可微调-简化机构一减少高副一减少转轴轴承等直径一充分润滑一保证零件精度一选择适当的材料一减少小车重量1-增大轮子半径图3-

13、1设计步骤在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。3.1 重块支架设计车架不用承受很大的力，精度要求低。但考虑到重量以及小车转弯时产生的离心力造成重块晃动从而使小车不稳定等，重块支架采用铝合金制作成三角底板式。3.2 原动机构的设计原动机构的功能是把重块的重力势能转化为到小车前进的动力上。于是，小车原动部分的设计须考虑以下条件：适当大的起动力矩，适当的牵引力，才能使小车足以起动、行驶平稳，拐弯的时候不会因为速度太大而出现晃动或者侧翻；重块在即将落到底板时，竖直方向上的速度应该尽可能地小，以免较大地冲击

14、小车，以至于停车；由于每种材料的摩擦力不同，场地的不确定性，小车转化的动力也不同，因此需要考虑牵引力可调；小车的机构设计应该尽量简化，减轻小车整体的质量，减少消耗;综合以上方面的考虑，选择采用以前设计中出现的输出动力可调的绳轮机构，材料选用铝合金。为减少能量损失,采用高强度的尼龙线。开始时，起动力矩克服车轮的阻力矩向前滚动，起动小车，重物下降的过程就是重力势能向小车动能的转换。由于重块下降过程中不是匀速运动，实际下落的运动规律是:由静止开始加速，然后匀速下落，最后进入减速阶段，以接近速度为零落至底板。因此，开始时需要较大的起动力矩，才足以将小车牵动。所以需要对滚简的直径进行设计，这里通过资料的查阅，决定采用锥形圆柱体和滑轮组合结构，能够更好地满足以上的运动规律，使小车能够比较平稳地起动和行走得更长。这样既减小了能量的损失，也充分地运用了重块下降所做的功。此外，需要注意的是变径线轮和驱动轮轴之间为过盈配合。小车原动部分机构设计的组合方案，如图3-2所示，I锥形圆柱体（绕线）.2滑轮机构（悬挂重块）图3-2小车原动机构图3.3 传动机构的设计传动机构主要是将转化来的动力传到小车的驱动轮上。要使小车按照理想的轨迹行走，并且收到比较满意的结果，传动部分的设计须要保证传递效率高、传动稳定、结构简单、质量轻等优点。常见的传动机构及分析如下：带轮传