机械原理课程设计报告

1、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52.2.2、原动机构62.2.3、传动机构72.2.4、转向机构82.2.5、行走机构92.2.6、微调机构102.3小车整体示意图：10三、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、.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（50×65 mm，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

3、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27二、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

4、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

5、不同的情况。具体运动流程图如图2-1所示：重物下落原动机构微调机构传动机构驱动机构转向机构 图2-1 运动流程图2.2、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

6、 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

7、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。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

8、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：图2-6 齿轮传动机构2.2.4、转向机构 转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇

9、杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。（1） 凸轮机构+摇杆图2-7 凸轮的二维图 凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。 优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。（2） 曲柄连杆+摇杆图2-8 曲柄连杆+摇杆的机构简图 优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的。 缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需

10、要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。（3） 曲柄摇杆图2-9 曲柄摇杆机构简图 结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低。其急回特性导致难以设计出较好的机构。（4）差速转弯 差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。 综合上面分析我们选择凸轮机构作为小车转

11、向机构的方案。2.2.5、行走机构 行走机构即为三个轮子，轮子有厚薄、大小的区别，材料的不同需要综合考虑。由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 对于相同的材料为一定值。 而滚动摩擦阻力，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。 由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过

12、差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。综上所述，行走机构的轮子应有恰当的尺寸，而且应用差速器后小车的行走会更加稳定，走的路程也会更长。2.2

13、.6、微调机构在转向机构中由于加工和安装的误差等问题，有可能会使得前轮的转向出现较大的误差，因此还有要一个简单的微调机构来进行调节。微调机构的另一个作用是做出适当的调整，从而使小车行走的路线更好。2.3小车整体示意图： 图2-10 整体示意图重物下落带动带动主动杆做转动，从而带动齿轮和锥齿轮6转动。其中，齿轮转动带动差速器的齿轮转动，从而驱动后轮转动；锥齿轮的转动带动锥齿轮5转动，锥齿轮与凸轮固接在一起，凸轮的转动来引起推杆的前后摆动，从而使得摆杆绕点转动，前轮与摆杆固接，摆杆的转动使得前轮得以转动。三、各机构设计计算3.1 小车的轨迹我们首先设定小车的行走轨迹，在一个周期内，小车的行走轨迹如

14、图3-1所示，小车开始按照半径为500mm做圆弧运动，即弧OC，在C点小车前轮开始回转，并按照与凸轮转角的一定关系，慢慢变为0，走过 CD段后，前轮转角以相同的方式向相反的方向进行转向，经过DE段后，前轮转角保持不变，此时小车依旧按照半径为500mm做圆弧运动经过EF段。此后小车均按照相同的方式行走。其中，在下图中，OA=300mm,AC=100mm。 图3-1小车轨迹设定图由上图可以算出，小车做圆周运动时转过的角度小车近似按照“S形”曲线行走，在dt时间段内可将之处理为圆弧，如图3-2所示。 图3-2小车轨迹分析图某一时刻小车导向轮转角为。其曲率半径为，则与关系为： 后面两个主动轮轨迹曲率半

15、径分别为1、2,1、2与的关系为： 在dt时间段内，主动轮行走路程为ds，车身整体转角d，二者有关系： 进一步分析小车轨迹曲率半径与小车转角的关系，如图3-3所示：在dt时间段内，小车轨迹曲率半径由变为 ,而且假定曲率半径和的圆心为一点，则可以的得到关系： 其中，。那么可以得到小车行走的路程。小车位置的增量为： 图3-3小车转向分析图对ds进行积分可以得到小车的总路程S=2754.3mm. 在一个周期内，总路程为S，则后轮转动圈数n（后）大约为n（后）=，其中r为后轮的半径。原动件与凸轮之间的锥齿轮传动比为1，即n（凸轮）=n（原），因此，后轮与原动件的传动比i=n（后）/n（原）=。由于一个

16、周期内的路径S=2754.3mm，预估后轮直径R=110mm,代入上式得i=3.99，由此确定传动比为4。应用MATLAB编写程序可以得到小车在半个周期内的轨迹： 图3-4小车轨迹曲线另外半个周期与之对称，可以看到，小车的行走路线近似的为“S”型，符合假设要求。程序文本：clear;R=110;t1=0:0.1:(0.1*pi);r1=2.8+0*t1;alpha1=atan(r1-2)/2);though1=200./sin(alpha1);s1=R*4*t1;ds1=s1(2)-s1(1);d_beita1=ds1./(though1);%车身整体转过的角度d_beita_jiaodu1=

17、d_beita1*180/pi; beita1=cumsum(d_beita1);beita_jiaodu1=beita1*180/pi; dx1=ds1.*cos(beita1);dy1=ds1.*sin(beita1); x1=cumsum(dx1);%小车x方向的位移xy1=cumsum(dy1);%小车y方向的位移y plot(x1,y1); hold on; t2=(0.1*pi):0.1:(0.9*pi);R=110;r2=3-2*t2/pi;alpha2=atan(r2-2)/2);though2=200./sin(alpha2);s2=R*4*t2;ds2=s2(2)-s2(1

18、);d_beita2=ds2./(though2);%车身整体转过的角度d_beita_jiaodu2=d_beita2*180/pi; beita2=cumsum(d_beita2);beita_jiaodu2=beita2*180/pi; dx2=ds2.*cos(beita2);dy2=ds2.*sin(beita2); x2=cumsum(dx2);%小车x方向的位移xy2=cumsum(dy2);%小车y方向的位移y plot(x2,y2); title('小车轨迹');xlabel('X/mm');ylabel('Y/mm');gri

19、d on;3.2 小车的转向机构 小车的转向机构我们设定为凸轮机构加摇杆机构，如图3-5所示： 图3-5 小车转向机构简图凸轮的转动由主动杆通过锥齿轮传动，凸轮的转动引起推杆的前后移动，从而使摆杆进行逆时针、顺时针的转动，以此来使得前轮进行转动。由图可以做出分析： 分解到x、y方向上可得： x方向： y方向： 其中，r为凸轮的向径，l2为推杆的杆长。联立式和式可得， 根据我们的设定，由此可得，而且在一个周期内，凸轮转动一周。在一个周期内的转向轮运动循环图如表3-6所示： 重物下落主动杆转动凸轮回程凸轮回程凸轮推程凸轮推程转向轮左转转向轮右转转向轮右转转向轮左转 表3-6 一个周期内的运动循环图

20、 由公式 可以得出小车做圆弧运动时前轮转的角度，由此根据图3-1小车轨迹设定图得出小车在一个周期内的转向形式：小车轨迹各阶段前轮转向形式凸轮转角OC段（占整体的1/20）前轮保持逆时针21.8°不变0-0.1CD段（占整体的4/20）前轮转向由21.8°逐渐较小至00.1-0.5DE段（占整体的4/20）前轮转向由0开始顺时针逐渐增大至21.8°0.5-0.9EF段（占整体的2/20）前轮保持顺时针21.8°不变0.9-1.1FG段（占整体的4/20）前轮向由21.8°逐渐较小至01.1-1.5GH段（占整体的4/20）前轮转向由0开始逆时针逐

21、渐增大至21.8°1.5-1.9HK段（占整体的1/20）前轮保持逆时针转向21.8°不变1.9-2由此可以得到凸轮转角t与凸轮和工作点连线的距离r的关系，即理论轮廓：t0,0.1,r=2.8t(0.1,0.9,r=3-2t/t(0.9,1.1,r=1.2t(1.1,1.9,r=2t/-1t(1.9,2,r=2.8 其图像如图3-7所示： 图3-7 推杆轨迹 由此确定凸轮基圆半径为1.2cm，并利用极坐标作图函数画出凸轮的理论曲线。利用matlab编程可以得到凸轮的理论曲线： 图3-8 理论轮廓曲线另外，我们设定凸轮凹槽的半径为2mm，因此，根据理论轮廓曲线，我们可以得到凸

22、轮的实际轮廓曲线： 图3-9 实际轮廓曲线其中，凸轮的基圆半径为12mm，凸轮凹槽半径为2mm，因此凸轮不会出现失真现象。另外，由于我们采用的是力封闭的凸轮机构，不存在自锁问题。 程序文本：clear;t1=0:0.1:(0.1*pi);r1=2.8+0*t1;polar(t1,r1,'b');hold on;t2=(0.1*pi):0.1:(0.9*pi);r2=3-2*t2/pi;polar(t2,r2,'b');hold on;t3=(0.9*pi):0.1:(1.1*pi);r3=1.2+0*t3;polar(t3,r3,'b');hol

23、d on;t4=(1.1*pi):0.1:(1.9*pi);r4=2*t4/pi-1;polar(t4,r4,'b');hold on;t5=(1.9*pi):0.1:(2*pi);r5=2.8+0*t5;polar(t5,r5,'-','b');%凸轮理论轮廓。hold on;t11=0:0.1:(0.1*pi);r11=3+0*t11;polar(t11,r11,'k');hold on;t12=(0.1*pi):0.1:(0.9*pi);r12=3.2-2*t12/pi;polar(t12,r12,'k');

24、hold on;t13=(0.9*pi):0.1:(1.1*pi);r13=1.4+0*t13;polar(t13,r13,'k');hold on;t14=(1.1*pi):0.1:(1.9*pi);r14=2*t14/pi-0.8;polar(t14,r14,'k');hold on;t15=(1.9*pi):0.1:(2*pi);r15=3+0*t15;polar(t15,r15,'k');hold on;t21=0:0.1:(0.1*pi);r21=2.6+0*t21;polar(t21,r21,'k');hold on;

25、t22=(0.1*pi):0.1:(0.9*pi);r22=2.8-2*t22/pi;polar(t22,r22,'k');hold on;t23=(0.9*pi):0.1:(1.1*pi);r23=1+0*t23;polar(t23,r23,'k');hold on;t24=(1.1*pi):0.1:(1.9*pi);r24=2*t24/pi-1.2;polar(t24,r24,'k');hold on;t25=(1.9*pi):0.1:(2*pi);r25=2.6+0*t25;polar(t25,r25,'k');%实际轮廓。

26、四、小车整体受力分析4.1 三维建模与测量4.1.1 三维建模根据对小车整体方案的设计，我们用SolidWorks画出小车的三维模型，整体图如下： 图4-1 小车轴测图 图4-2 小车侧视图小车装配图如下：图4-3 小车装配图主要零部件设计图如下： 图4-4 车架 图4-5 齿轮系 图4-6 支架1 图4-7 支架2 图4-8 滑轮 图4-9 绕线轮 图4-10 转向轮叉架 图4-11 车轮图4-12 差速器4.1.2 测量我们本着尽量减小车重、提高效率、降低成本的原则，对小车各部分机构分别进行选材，利用SolidWorks可以测量机构质量的功能，我们通过输入各种材料的密度测量了各部分机构的质

27、量，所选材料及质量如下表所示。零件材料密度（g/cm3）质量（kg）车架铝合金2.800.175齿轮尼龙1.200.260原动轴45号钢7.850.092后轮塑料1.400.040后轮轴45号钢7.850.247锥齿轮塑料1.400.033连接轴硬质铝2.700.069凸轮铝合金2.800.033推杆塑料1.400.020摆杆塑料1.400.016叉架铝合金2.800.037前轮硬质铝2.700.042重物支撑架塑料1.400.094重锤1.000 总计2.160表4-13 材料清单如表4-3所示，小车整体重量大约控制在2.16kg左右。4.2 受力分析4.2.1 整体运动力学分析 图4-14

28、 小车整体受力分析如图4-5所示，对小车进行力分析。 mg=3N 总摩擦力 Ff =3N*f1=mg*f1（f1约为0.1） 转动力矩 M=mg*r1(r1为驱动轴半径) 驱动轮与驱动轴被设计成为一体，因为后轮也获得一个转动力矩M.M=Ft*r2（Ft为小车后轮上的驱动力，r2为小车后轮半径） 由上式求出小车后轮上的驱动力Ft在小车起动过程中，前转向轮、后轮受到的总静摩擦力为Ff。若想要小车起动，则驱动力与总的摩擦力之间的关系应为：Ft>Ff=mg*f1 由牛顿第二定律可得：Ft-Ff=ma(a为小车加速度) 将m=2.16kg、g=10m/s²、r1=0.02m、r2=0.11m带入式和式可求得Ft=3.93N，Ff=2.16N，带入式得a=0.82m/s²a=r3*w(r3为后轮轴半径，w1为后轮轴角加速度) 带入a=0.82