节能小车走S设计书.docx
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节能小车走S设计书
节能小车
设计说明书
二〇一二年十月十日
目录
一项目研制的背景及目的
二设计过程
三制作过程
四成本预算
五成果展示
六心得体会
七谢辞
八参考文献
九附录
摘要:
随着社会科技的发展,人们的生活水平的提高,无碳对于人们来说,显得越来越重要,建设无碳社会,使得生活更加的环保,没有任何的污染。
无碳小车的设计与发明,是国家和社会对能源问题和环境问题的更加重视。
无碳车是比较环保的短途代步工具,节能、经济、方便,环保。
因此,在人均拥有汽车比例很高的欧美发达国家,无一例外选择了提倡推广低碳车。
”许多人认为,确保无碳车道便利通达,既是现实选择,也是大势所趋。
现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领域,像交通,家庭用具等,这也是我国当今所要求以及努力的方向。
针对目前这一现状,我们设计了无碳小车模型,用重力势能转换为机械能提供了一种全新的思路,以便更好的解决以上问题。
本作品是依据竞赛命题主题“无碳小车”,提出一种“无碳”方法,带动小车的运行,即给定一重力势能,根据能量转换原理,设计了一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。
该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物(每间隔1米,放置一个直径为20mm,高为200mm的弹性障碍圆棒)。
此模型最大的特点是将重力势能转化为齿轮的转动,进而根据大小齿轮的粘合带动驱动轮和转向轮,从而按照规定的路线完成任务。
本文将对无碳小车模型的设计过程,结构功能特点等进行详细的介绍,并阐述了本作品的创新点。
关键词:
无碳小车齿轮粘合驱动轮转向轮安全高效方便灵活创新理念。
一、引言:
无碳车是比较环保的短途代步工具,节能、经济、方便,环保。
因此,在人均拥有汽车比例很高的欧美发达国家,无一例外选择了提倡推广低碳车。
”许多人认为,确保无碳车道便利通达,既是现实选择,也是大势所趋。
现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领域,像交通,家庭用具等,这也是我国当今所要求以及努力的方向。
针对目前这一现状,我们设计了无碳小车模型,用重力势能转换为机械能提供了一种全新的思路,以便更好的解决以上问题。
二、目的:
本作品设计的目的是围绕命题主题“无碳小车”,即不利用有碳能源,根据能量转换原理,利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。
这种模型比较的轻巧工作原理和设计理论推导及加工工艺:
(1)总体结构:
无碳小车模型主要由一个转向轮和两个驱动轮以及几个大小齿轮组成,其中小车中的转向轮,驱动轮,齿轮,支撑板,横杆,木板等如下图所示。
(2)设计理论指导及说明
2.1方案的确定
在这次项目之前,我们小组已参加过学校组织的“工程训练综合能力竞赛”,该竞赛的题目就是“无碳小车”。
所以,在比赛之前我们就有所准备,对无碳小车的设计、制作和装配调试都有一定的了解。
在选择了“无碳小车”这个项目后,我们小组成员便在积极地讨论以前制作的小车的利与弊,哪些地方需要改进,得到了一些有用的结论。
接着在开始此次项目设计时,指导老师给我们对小车制作的细节做了详细的解说,并且拿出了以前的参赛作品给我们做模板。
在听了老师的解说和对小车的材料要求、加工精度等考虑,再权衡只有紧凑的一周制作、调试及答辩的时间下,我们小组决定制作相对简单的走直线路线的小车。
2.2无碳小车设计的理路指导:
2.2.1小车的运动原理:
如上图所示,重物的牵引带动A轮的转动,A轮的转动带动B轮,再根据B、D之间的齿轮粘合带动C1,C2和E齿轮的转动,E轮带动F轮的转动,从而使G杆左右运动的同时,前后运动,杆的偏转,使得H轮偏转,根据C1,C2轮和H轮的合运动,小车就可以按照要求一边行走一边转弯。
图三梯形原动轮
1.在起始时原动轮的转动半径较大,起动转矩大,有利起动。
2.起动后,原动轮半径变小,转速提高,转矩变小,和阻力平衡后小车匀速运动。
3.当物块距小车很近时,原动轮的半径再次变小,绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动,但是由于物块的惯性,仍会减速下降,
原动轮的半径变小,总转速比提高,小车缓慢减速,直到停止,物块停止下落,正好接触小车。
2.2.2小车各个尺寸设计的推导:
根据题目中赛道宽度2m,以及每间隔1m,放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒,以及赛道的大致行走路线(如图四),我组拟定一些实际尺寸的大小以及推导
图五:
无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图
考虑到要使小车的运动轨迹尽可能沿直线运动,绕过的障碍物越多,但又得考虑要使小车不碰到障碍物,经过我组在各方面的考虑,小车的宽度定为30cm,底板M的厚度为5mm,小车的长度200mm,而转向轮的直径为30mm,经网上查得,橡皮轮胎与干地面之间的动摩擦因素为0.71,驱向轮所获得的摩擦阻力大约为1N,假定两驱向轮的直径为120mm,则其转矩M=F*R=60N.m,由于该车子的运动基本上是匀速运动,所以同轴上的转矩相等,所以D齿轮的转矩也为60N.m,设其半径为r,则B、D边缘所受到的力FD=FB=60/r,所以D齿轮的转矩为MD=FD*RD=60R/r,因为小车是匀速行使,所以物体下降也应该是匀速下降,从而A齿轮的转矩:
MA=mg*RA=10*10=100N.m,
又根据同一轴上转矩相等,所以B的转矩:
MB=MA=100N.m,又MB=FB*RB=60/r*10=600/r。
所以有:
100=600/r
解得:
r=6mm.(即D齿轮的半径)
RB=10mm(即B齿轮的半径)
根据运动轨迹路线,它须偏离直线方向35cm以及两圆柱障碍物的实际距离为98cm,我们采用Matlab软件模拟得E齿轮半径为6mm,F齿轮半径为64mm,厚度为6mm,I板的高度为35mm,宽度为5mm,1,2,G杆的直径为3mm,G杆的长度为160mm,G杆与P齿轮的连接点的半径55mm,B、D齿轮的厚度为6mm,零件L中孔的直径大小为5mm,H、C1、C2轮的宽度为1cm,我组假定物体下降速度为V,则下降时间t=500/v,皮带轮A的角速度:
WA=V/RA=V/10rad/s,
又B与A同轴,所以
WB=WA=V/10rad/s,
从而
VD=VB=WB*RB=Vmm/s,
WC1=WD=VD/r=V/6rad/s,
VC1=WC1*R=10Vmm/s.
转弯系统:
根据小车的行走路线近似的模拟为正弦曲线,由于实际的尺寸大小可算得振幅为0.35m,波长为2m,所以可以近似的求出轨迹的方程为:
Y=0.35sinπx;
求导得到在每个位置的转角的正切大小:
Y’=0.35πcosπx;
我们可以得到前轮的最大转角为36°
如下图六所示
图六齿轮的转弯系统的原理图
2.2.4齿轮加工工艺过程分析
1.基准的选择
对于齿轮加工基准的选择常因齿轮的结构形状不同而有所差异。
带轴齿轮主要采用顶点孔定位;对于空心轴。
则在中心内孔钻出后,用两端孔口的斜面定位;孔径大时则采用锥堵。
顶点定位的精度高,且能作到基准重合和统一。
对带孔齿轮在齿面加工是常采用一下两种定位、夹紧方式。
1)以内孔和端面定位,这种定位方式是以工件内孔定位,确定定位位置,再以端面作为轴向定位基准,并对着端面夹紧。
这样可使定为基准、设计基准、装配基准和测量基准重合,定位精度高,适合于批量生产、但对于夹具的制造精度要求较高。
2)以外圆和端面定位,当工件和加剧心轴的配合间隙较大时,采用千分表校正外圆已确定中心的位置,并以端面作为轴向定位,从另一端面夹紧。
这种定位方式因每个工件都要校正,故生产率低;同时对齿坯的内、外圆同轴要求高,而对夹具精度要求不高,故适用于单件、小批生产。
综上所述,为了减少定位误差,提高齿轮加工精度,在加工时应满足以下要求:
1.应选择基准重合、统一的定位方式;
2.内孔定位时,配合间隙应近可能减少;
3.定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来,以保证垂直度要求。
2、齿轮毛坯的加工。
齿面加工前的齿轮毛坯加工,在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。
因为齿面加工和检测所用的基准必须在此阶段加工出来,同时齿坯加工所占工时的比例较大,无论从提高生产率,还是从保证齿轮的加工质量,都必须重视齿轮的毛坯的加工。
在齿轮图样的技术部要求中,如果规定以分度圆选齿厚的减薄量来测定齿测间隙时,应注意齿顶圆的精度要求,因为齿厚的检测是以齿顶圆为测量基准的。
齿顶圆精度太低,必然使测量出的齿厚无法正确反映出齿侧间隙的大小,所以,在这一加工过程中应注意以下三个问题:
图八齿轮加工方式
1)当以齿顶圆作为测量基准时,应严格控制齿顶圆的尺寸精度;
2)保证定位端面和定位孔或外圆间的垂直度;
3)提高齿轮内孔制造精度,减少与夹具心轴的配合间隙。
3、齿形及齿端加工
齿形加工是齿轮加工的关键,其方案的选择取决于多方面的因素,如设备条件、齿轮精度等级、表面粗糙度、硬度等。
常用的齿形加工方案在上节已有讲解,在此不再叙述。
图九齿轮倒圆
齿轮的齿羰加工有倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺等方式。
如图所示。
经倒圆、倒尖后的齿轮在换档时容易进入啮合状态,减少撞击现象。
倒棱可除去齿端尖角和毛刺。
图八是用指状铣刀对齿端进行倒圆的加工示意图。
倒圆时,铣刀告诉旋转,并沿圆弧作舞动,加工完一个齿后,工作退离铣刀,经分度再快速向铣刀靠近加工下一个齿的齿端。
齿端加工必须在淬火之前进行,通常都在滚(插)齿之后,剃齿之前安排齿端加工。
4、轮加工过程中的热处理要求
在齿轮加工工艺过程中,热处理工序的位置安排十分重要,它直接影响齿轮的力学性能及切削加工性。
一般在齿轮加工中进行两种热处理工序,即毛坏热处理和齿形处理。
(4)齿轮轴的加工工艺及设备刀具:
1、下料----锯床。
2、粗车----车床。
3、热处理----箱式炉。
4、精车----车床。
5、铣键槽----铣床。
6、滚齿-----滚齿机。
7、齿面淬火---高频淬火机床。
8、磨---外圆磨床。
细长轴的齿轮轴加工工艺(以45号钢为例):
一、毛坯下料
二、调质处理(提高齿轮轴的韧性和轴的刚度)
三、带跟刀架、用皂化液充分冷却的前提下,粗车齿轮轴
四、去应力退火
五、精车齿坯至尺寸(带跟刀架、用皂化液充分冷却)
六、若轴上有键槽时,可先加工键槽等
七、滚齿
八、齿面高频淬火,淬火硬度HRC48-58(具体硬度值需要依据工况、载荷等因素而定)
九、磨齿
十、成品的最终检验
注:
细长轴类零件的放置一定要垂吊放置(用铁丝系住,悬挂在挂架上),不得平放!
用于中小型轧钢机传动箱体中的齿轮轴,设计上一般为软齿面,即小齿轮轴硬度为280~320HB,大齿轮轴硬度为250~290HB,模数mn=8~25,技术要求一般为调质处理。
这种零件在无感应加热淬火设备的工厂中加工时,其加工工艺路线为:
锻毛坯→粗加工→调质→精加工→制齿→磨轴颈。
按这样的工艺流程生产出来的模数mn≤10的齿轮轴,使用情况基本良好,但模数mn≥12时,使用寿命短。
突出表现为轮齿不耐磨,使用半年以后,齿面已有明显磨痕,当发生较大冲击时,还会出现断齿现象。
针对这种情况,我们对原有工艺进行了分析,找出工艺路线中所存在的缺陷,并提出了新的制作工艺方法。
2.2.4、齿轮传动
用于平等轴间的传动,一般传动比单级可到8,最大20,两级可到45,最大60,三级可到200,最大300。
传递功率可到10万千瓦,转速可到10万转/分,圆周速度可到300米/秒。
单级效率为0.96-0.99。
直齿轮传动适用于中、低速传动。
斜齿轮传动运转平稳,适用于中、高速传动。
人字齿轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。
圆柱齿轮传动的啮合形式有三种:
外啮合齿轮传动,由两个外齿轮相啮合,两轮的转向相反;内啮合齿轮传动,由一个内齿轮和一个小的外齿轮相啮合,两轮的转向相同;齿轮齿条传动,可将齿轮的转动变为齿条的直线移动,或者相反。
图十齿轮传动
2.2.5、齿轮参数及制造误差测定
齿轮齿顶圆、齿根圆测量的原理
(1)齿轮齿数为偶数时
当齿轮为偶数时,齿顶圆直径da和齿根圆直径df可用游标卡尺在待测齿轮上直接测定。
(2)齿轮齿数为奇数时
直接测量得不到齿顶圆直径da和齿根圆直径df的真实值,而须用间接的方法。
先量出齿轮安装孔直径D,再分别量出孔壁到某一齿顶的距离H1和孔壁到某一齿根的距离H2,如图所示:
图十一齿顶、齿根圆的测量
则齿顶圆直径da和齿根圆直径df可按下式求出:
da=D+2H1
df=D+2H2
齿轮公法线的测量
图十二齿轮的公法线
测定公法线长度Wk和Wk+1,是为了求出基圆齿距,从而确定出齿轮的压力角α、模数m和变位系数x。
首先根据被测齿轮的齿数Z,从教材或手册中按标准齿轮查出跨测齿数k,量出跨测个齿时的公法线长度Wk。
为减少测量误差,应在齿轮一周的三个均分部分上测量三次,取其平均值。
为求出基圆齿距Pb,还应按同样的方法量出跨测(k+1)各齿的公法线长度Wk+1。
为避免公法线长度变动量的影响,测量Wk和Wk+1,应在相同的几个齿轮上进行。
确定基圆齿距、模数和压力角
若x>0,则被测齿轮为正变位齿轮;若x<0,则被测齿轮为负变位齿轮。
三、创新点
●支撑为翅膀状的流线型,能够更好的减少空气阻力,使小车行使的更远。
●原动轮设计为梯形,开始半径较大,是能够让物体作加速运动,物体作一段匀速运动,物体快要接触底板时,半径变小,使物体作减速运动,减少物体与底板的碰撞,使重力势能更好的转换为小车的动能。
●本作品通过底板上横放的齿轮的转动带动杆的转动,从而使小车能够灵活的避开障碍物。
●齿轮的多次粘合能够更好的控制物体与车子的速度,使小车能够按照规定的路线顺利的完成任务。
项目经费预算
1.车底木板价格(5mm厚度20*30cm)¥:
50元
2.小车左右两边2块固定侧板(6mm厚度高35mm)¥:
25╳2元
3.小车转向轮(厚度为6mm,直径为30mm)¥:
30元
4.小车两侧的驱向轮(厚度为6mm,直径为120mm)¥:
50╳2元5.小车原动轮(半径为10mm)¥:
20元
6.齿轮(两个外径为12mm,内径6mm,齿数21)¥:
35元
7.齿轮轴两根(直径d=3mm长分别为30mm,42mm)¥:
30╳2元
8.润滑油一瓶¥:
20元
9.连接杆一根(直径为3mm)¥:
25元
10.棉线一根(长1.5m)¥:
3元
11.胶水(两瓶)¥:
20╳2元
12.小螺钉(一包)¥:
10元
13.其余小零件¥:
50元
总计493元
六心得体会
这次金工实习,不仅使我们对各个工种的技能得到了提升,更重要的是让我们更加深入地懂得了什么是团队协作精神。
比如,分工协作、组合装配、积极讨论等这些都是我们完成这次项目的有力保证。
还有就是知道了,想要做好一件事,必须经过很多磨难,会不断地碰到问题,只有不断地解决问题,才能继续前进,奔向目标。
好事多磨,经历过风雨之后才能见彩虹,就像这次小车的制作,经过两周的辛苦设计和制作装配后,看到了小车展现在我们面前。
通过无碳小车的制作我们更加了解了机械原理,工程实践的意义,更深刻地体会到书本学习与实际操作的不同与联系,也让我们明白了将理论学习与实践相结合的重要性。
在实践的制作中,我们也遇到了很多困难,通过大家的积极努力,最终都一一克服,团队的力量是强大的。
这次实习,不仅提高了我们的实践技能,激发了我们的创新意识,为我们以后的工作研究都具有指导性的意义。
另一方面,它还加强了我们的团队协作能力、相互沟通了解以及彼此间的友谊。
更为重要的是我们组员在废寝忘食的加工制作过程中,学会了很多机械制作的常识,了解熟悉了对一项方案从头到尾的设计、制作、测试改进完善的整个流程,增强了自己在创新设计、实践加工制作方面的能力。
同时也提高了自己的综合实践创新以及实际操作动手能力,做到全面综合发展。
谢辞
经过这两周的实习我们学习体会到了很多东西,当然,这都是建立在学校和老师给我们提供的良好环境的基础上。
虽然两周实习比较辛苦,但是老师和车间师傅们一直在我们旁边指导和帮助,所以我们觉得最辛苦的人还是老师和师傅们。
所以我们要表达对您们的崇高谢意,没有您们,我们不能安全有序高效的完成那么多任务,不会学习到那么多书本上不会有的实践经验。
谢谢你们!
同时我们也要感谢我们自己,感谢我们的同学。
没有我们的团队,没有同学及时的帮助,我们的实习也不会那么顺利的完成。
谢谢!
最后,我们真挚的感谢学校和工程训练中心提供给我们的那么好的实习环境,感谢老师们的指导,感谢车间师傅在我们困惑时给予的指导和帮助,谢谢你们的辛勤工作,谢谢!
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