无碳小车_S型无碳小车毕业设计

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JIANGXI AGRICULTURALUNIVERSITY

本科毕业设计

题目：绿色小车

学院：

姓名：

学号：

专业：机械设计制造及其自动化

年级：

指导教师：职称：讲师

二0一一年五月

摘要

本设计是依据课题要求“绿色小车”，即提出一种“无碳”的方法，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。该小车再前行时能自动避开赛道上设置的障碍物（每隔1米，放置一个直径为20mm,高为200mm的弹性障碍圆棒）。此模型的最大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啮合带动驱动轮和转向轮，从而按照规定的路线完成任务。本文将对绿色小车模型设计过程，结构功能特点进行详细的介绍。

关键词：绿色小车；无碳；势能转化

Abstract

The design is based on the requirements of the subject of "green car", that proposes a "carbon-free" approach, driven the car running, that is, given a potential energy, according to energy conversion principles, the design of a gravitational potential energy can be transformed into the mechanical energy and used to drive the car to walk the device. The car then before the line can automatically avoid obstacles on the track set (every 1 m, placed a diameter of 20mm, 200mm flexible high barrier for the rod.) Most important feature of this model is transformed into gravitational potential energy of the rotation gear, thereby driving under the size of the meshing gear wheel and steering wheel, and thus complete the task in accordance with the provisions of the route. This paper will model green car design process, structure and function of the characteristics described in detail.

Key words:Greencar; Non-carbon; Potential energyinto

目录

中文摘要 ................................................................ I 英文摘要 ............................................................... II 1绪论. (1)

1.1引言 (1)

1.2车用能源的发展趋势 (1)

2 绿色小车总体设计及其运动原理 (2)

2.1课题目的及其要求 (2)

2.2小车总体设计及其运动原理 (3)

2.3设计参数的计算及小车外形尺寸的确定 (4)

2.3.1理论行驶距离估算 (4)

2.3.2 小车车轮及外形的材料和尺寸的确定 (4)

3 小车设计的运动参数计算 (5)

3.1主要运动参数计算 (5)

3.2原动轴绕线部分设计及计算 (7)

3.3运动及运动力参数计算 (8)

4 小车主要零件的设计与计算 (9)

4.1齿轮1与齿轮2的设计 (9)

4.1.1 选择齿轮材料、精度等级、齿轮数选择 (9)

4.1.2 按齿根弯曲疲劳强度设计 (10)

4.1.3校核齿面接触疲劳强度 (11)

4.2齿轮3和齿轮4设计 (11)

4.2.1选择齿轮材料、精度等级、齿轮数选择 (11)

4.2.2按齿根弯曲疲劳强度设计 (11)

4.2.3校核齿面接触疲劳强度 (12)

4.3轴设计 (12)

4.3.1 原动轴(2轴)设计 (12)

4.3.1.1 选择轴的材料 (12)

4.3.1.2 求出轴上的功率、转速和转矩 (13)

4.3.1.3 轴的初估计算 (13)

4.3.1.4轴上零件的周向定位 (14)

4.3.1.5确定轴上圆角和倒角尺寸 (14)

4.3.1.6根据轴的结构作出轴的计算简图（图8） (14)

4.3.1.7 按弯扭合成应力校核轴的强度 (15)

4.3.1.8 精确校核轴的疲劳强度 (16)

4.3.1.9绘制原动轴的工作图（附录） (18)

4.3.2 驱动轴（1轴）设计 (18)

4.3.2.1 轴的材料选择 (18)

4.3.2.2 求出轴上的功率、转速和转矩 (18)

4.3.2.3 轴的初估计算 (18)

4.3.2.4 轴上零件的周向定位 (19)

4.3.2.5 确定轴上圆角和倒角尺寸 (20)

4.3.2.7校核轴的强度 (21)

4.3.3转向机构的设计及计算 (22)

4.3.3.1 转向机构有关计算 (22)

4.3.3.2 曲轴（3轴）设计 (23)

4.3.4支承轴（4轴）设计 (29)

4.4滚动轴承的校核 (29)

4.5键强度校核 (29)

4.5.1 原动轴上键的校核 (29)

4.5.2驱动轴上键的校核 (30)

4.5.3 曲轴上键的校核 (30)

5设计小结 (31)

参考文献 (32)

致谢 (33)

1绪论

1.1引言

1．“环保在身边之‘无碳生活’”一贴在东楚网黄石新闻网发出后，众多网友纷纷跟帖只招，倡导“无碳生活”。多数网友认为，对社会整体而言，完全“无碳”难做到但有意识地减少“碳排放”确是随时随地都可做的事，勿以“减碳”少而不为……

2．随着社会科技的发展，人们的生活水平的提高，无碳对于我们来说，显然越来越重要，建设无碳社会，使得生活更加环保，没有任何污染。

3．无碳小车的设计和发明，是国家和社会对能源问题和环境问题的更加重视。

4．“无碳车是比较环保的短途的代步工具，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。现在很多发达国家都把无碳技术运用到各个领域，像交通，家具等。这也是我们国家当今所要求以及努力的方向。针对目前这一现状，我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新的思路，以便更好的解决以上问题。

1.2车用能源的发展趋势

能源是汽车的血液，是车辆的动力源。自1886年世界上第一辆汽车诞生自今，汽油和柴油作为主要能源在汽车上得到普遍的应用。这种以石油为燃料的汽车安全、方便、舒适等方面取得了重大的进展，得到了人们的认可。进入21世纪，汽车保有量剧增，汽油和柴油的消耗大幅度上升，伴随着石油储量的下降和人们节能、环保意识的的增强，各种替代能源如雨后春笋涌现。汽车代用能源的选择要考虑经济性（Economy）、应用方便性（Ease）、资源可获得性(Energy)和环境友好性(Environment)，即4E评价,并且要因地制宜。进入21世纪，随着石油危机和节能、环保的呼声高涨，“低碳”也成为能源评定标准之一，各国都根据4E评价和本国技术特点，制定了新的汽车能源方案。

欧洲在代用能源方面，主要以天然气为主，生物柴油在德国、意大利、瑞典、奥地利和比利时等国家广泛使用；美国的目标是，2010年有7%的公交车使用天然气，50%的出租车和班车改为使用专用天然气；日本政府将天然气车、电动车、混合动力车、甲醇车定义为“低害车四兄弟”。

我国是一个幅员辽阔，资源相对丰富的国家，可以采用能源多样化，燃料多元化的发展路径。在代用能源方面的发展国家政策其关键性和决定性的作用。为了更好的发展车用替代能源，我国应该尽快组织力量，提前做好配套措施和供应网络建设，进

一步加快完善传统燃油汽车的燃油消耗标准体系，促进各类汽车改善能源的经济性；根据产业发展的实际情况和要求，建立健全各种新能源汽车的和新型动力系统及其它节能产品的标准法规体系，促进车用新能源在我国立足发展。

传统车用燃料终究会消耗殆尽，代用能源步入汽车产业是社会发展趋势，世界各国都制定了不同的汽车能源战略。我国根据替代能源4E评价情况，以及汽车工业可持续发展要求，现阶段可以不急于将某一能源作为发展的方向，坚持走能源多元化，技术多样化的发展道路。随着社会的发展，人们的生活水平的提高，无碳对于我们来说，显然越来越重要，低碳能源将会是汽车能源中的主流能源。

2绿色小车总体设计及其运动原理

图1 运动示意图

2.1课题目的及其要求

课题目的：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。该自行小车在前行时能够自动避开设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒），如图1所示。

给定重力势能为4焦耳（取g=9.8m/s2），给定一质量为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设计者自主设计完成。要求满足：①小车上面要装载一件外形尺寸为￠60×20 mm

的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750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￠30mm。

2.2小车总体设计及其运动原理

设计重点：以减小小车重力和运动阻力，另由于动力是重块竖直向下运动，即重块重力势能转化为小车动能，应尽量避免重块因与小车碰撞而消耗能量，使重块的重力势能尽可能的转化为小车的动能，使小车运动距离最大化。根据课题目的和要求，小车总体设计如图2所示

图2 小车总体结构示意图

如上图所示1—重块2—细绳3—滑块4—转向杆5—前轮支架6—前轮7—齿轮48—曲轴9—原动轴10—齿轮311—后轮12—齿轮113—驱动轴14—齿轮215—连杆细绳末端重块下落，通过细绳与原动轴摩擦，带动原动轴转动。原动轴通过平键带动齿轮2和齿轮3转动。齿轮2与齿轮1啮合带动驱动轴转动，后轮转动，实现小

车向前的运动。齿轮3与齿轮啮合，使曲轴转动，曲轴再通过连杆使转向杆前后摆动，从而实现前轮的转向运动。前、后轮的合运动即实现小车一边向前行走一边转向。

2.3设计参数的计算及小车外形尺寸的确定

2.3.1理论行驶距离估算

能量利用及车轮材料选择，假设设计总重2kg(包括重块1kg 和负载750g),利用4J 的能量，摩擦系数的选择，如下表：

表1常用材料间滚动摩擦系数

摩擦材料

滚动摩擦系数k/cm 摩擦材料 滚动摩擦系数k/cm 软钢与软钢

淬火钢与淬火钢

铸铁与铸铁

木材与钢 0.005 0.001 0.005 0.03~0.04 木材与木材 表面淬火车轮与钢轮 圆锥形车轮 圆柱形车轮 0.05~0.08 0.08~0.1 0.05~0.07

资料来源：杨黎明，杨志勤主编.机械设计简明手册.北京：国防工业出版社, 2008.1

上网查的尼龙水泥滑动摩擦系数通常为0.1~0.3，滚动摩擦系数与滑动摩擦系数一般相差一个数量级，且圆柱形车轮的滚动摩擦系数为0.005~0.007，取f=0.005,理想情况下有

表2小车运动各处的摩擦效率

种类

效率μ 种类 效率μ 圆柱加工齿的开式齿

轮传动(脂润滑)

1μ=2μ=0.94~0.96 滚动轴承(润滑最佳时) 3μ=0.99(一对) 卷绳轮 4μ=0.95 槽摩擦传动 5μ=0.88~0.90

资料来源：杨黎明，杨志勤主编.机械设计简明手册.北京：国防工业出版社, 2008.1

机构效率76.090.095.099.096.096.04544321=????==μμμμμμ

则 S=31.02m

不考虑其他因素，根据计算可得理论行驶距离为31.02m 。

2.3.2小车车轮及外形的材料和尺寸的确定 1. 对于车轮大小设计，根据设计要求前轮直径不得小于30mm,前轮直径初步采用d=30mm,后轮直径采用D=150mm 。车轮材料选择考虑到车轮需承受车重和与地摩擦，

需要高的强度和耐磨性,以及本身的重量选用铝合金。

2.车身大小初选宽B=150mm,长L=250mm。

3小车设计的运动参数计算

3.1主要运动参数计算

重物的牵引带动齿轮2和齿轮3转动，齿轮2通过齿轮传动带动驱动轴转动，齿轮3通过齿轮传动带动曲轴转动，曲轴转动使转向杆前后摆动，从而实现前轮转向。

图3 绿色小车示意图

根据任务书中路宽2m,以及每隔1m,放置一个直径为20mm,高200mm的弹性障碍圆棒，考虑到使小车运动轨迹尽可能的沿直线运动，绕过障碍物越多，经过多方面

考虑后，小车近似按余弦曲线y=Acos(wx)运动，其中A=0.12，

其运动的大致路线如下图所示：

图4绿色小车行走示意图

S：

小车运动一个周期的长度

小车转向过程中最大角度MAX θ；

0.377

有tan MAX θ==0.6283

即MAX θ=20.66°=20°39′

使用定积分计算平面曲线的弧长，该定积分计算用《MATLAB 程序设计与应用》中的trapz 函数在MATLAB 软件中计算。小车每行驶一周绕过两个弹性圆棒，则小车从开始运动到停止理论上能绕过弹性圆棒的个数n ：

，

取n=15，实际绕过障碍圆棒的个数为31-1=30个

小车运动过程中齿轮传动的总的传动比为i ：

考虑到总的传动比i=4.22，比较大，采用3412i i i =两级传动。若采用一级

a) b)

图5一级传动与两级传动平面布局示意图比较

传动如上图所示，图中两方案的总传动比相同，齿数、模数相同，小齿轮齿数相同。由图可见，采用一级传动所占平面面积，远比两级传动的面积大。另外，当单级传动比过大时，大齿轮的直径就会很大，致使齿轮的转动惯量随之增加，这对于要求转动惯量较小的齿轮传动系统（小车中齿轮传动是小功率随动系统）。因小车中的随动

系统，要求起动快和结构紧凑，若转动惯量过大，对实现上述要求不利。顾采用两级齿轮传动。

上网查的尼龙水泥滑动摩擦系数通常为0.1~0.3，滚动摩擦系数与滑动摩擦系数一般相差一个数量级，且圆柱形车轮的滚动摩擦系数为0.005~0.007，取005.0=f 小车起动转矩T ：

令原动轴每转一圈，小车绕过一个障碍圆棒，而小车每运动一个周期绕过两个障碍圆棒，由原动轴与驱动轴的齿轮传动比1i 和原动轴与曲轴的齿轮传动比2i 有：

3.2原动轴绕线部分设计及计算

1. 在起动时原动轴的转动半径较大，起动转矩大，有力起动。

2. 起动后，原动轴半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。

3. 当重块离小车很近时，原动轴半径再次减小，绳的拉力不足以使线轴匀速运动，在惯性的作用下，重块减速下降，原动轴半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，重块停止下落正好接触小车。

图6梯形绕线轴示意图

质量m 的重块提供的转矩线T :

2

m gd T =线 T i gd T T ≥==12

112112m i /μμ线带入数值得

有计算得到数据不靠谱，于是乎估算为10mm

又根据设计要求重块下落高度为400mm ,则有：

，代入数据得

d 2=8.33mm

为了便于设计和计算取9mm d 2=，即需在线轴上绕线圈数n=14

通常起动转矩大于或等于额定转矩的1.25倍，有：

11mg 25.1d T T =≥起,

即mm 25.111≥d ，取mm 121=d

重块快接触小车时，缓慢减速，取mm 83=d

选用直径为1mm 细线，则需要绕线的轴长度为17.69mm ，假定小车做一个周期的加速运动，三个周期的缓慢减速运动其他部分近似看成匀速运动。绕线部分轴总长取20mm,其中各运动绕线轴尺寸为mm 6L 12mm L mm,2321===，L

3.3运动及运动力参数计算

2轴（原动轴）：

t

190mg max 2===t mgL P ν（小车整个过程运动的时间为t ） t

10801860/60n max 2=?==t n mm 12012101mg 1max 2?=???==N mm N d T

1轴（驱动轴）：

t 39.1549.095.099.096.01905431max 2max 1=????=

=t P P μμμμ t

t i 6.3558295.31080n n 12max 2max 1=?== mm 59.29mm 295.3/9.095.099.096.01201254312max 1?=?????==N N i T T μμμμ 3轴（曲轴）：

t t P P 39.1549.095.099.096.01905432max 2max 3=????=

=μμμμ t

t i 54021080n n 34max 2max 3=?== mm 76.48mm 2/9.095.099.096.01203454322max 3?=?????==N N i T T μμμμ

4轴（支承轴）

t

t P P 85.15299.039.1543max 3max 4=?==μ 04=nax n

mm 27.48mm 99.076.483max 3max 4?=??==N N T T μ

将上述计算结果加以汇总，如下表

表3各轴设计参数汇总

轴名 功率P/w 转矩T/(N ·mm) 转速n/(r/min) 传动比i 效率η

1轴 154.39/t 29.59 3558.6/t 3.295 0.813

2轴 190/t 120 1080/t

2 0.813

3轴 154.39/t 48.76 540/t

0.99

4轴 152.85/t 48.27 0

4小车主要零件的设计与计算

4.1齿轮1与齿轮2的设计

4.1.1选择齿轮材料、精度等级、齿轮数选择

考虑到传动功率比较小，要求结构紧凑，质量轻，由《机械设计简明手册》表6-36，选齿轮1和齿轮2材料用非金属材料聚酚氧，齿面硬度430 HBS,MPa B 98~3.82=σ，MPa s 9.55~9.54=σ，齿轮精度为8级精度。

a. 对闭式齿轮面齿轮传动，一般工业用齿轮传动，Z=20~40。对于高速或对噪声有严格要求的齿轮传动，建议Z≥25；

b. 闭式硬齿面齿轮，开式齿轮和铸铁齿轮，因齿根弯曲强度往往是薄弱环节，应取较小齿数以保证齿轮具有较大的模数，以提高轮齿抗弯能力。一般取 Z=17~25；

c. 为了避免根切现象，对于标准直齿圆柱齿轮，应取Z≥17。

为了使小车的结构简单，并能完成传动要求，选用标准直齿圆柱传动。

选用齿轮1的齿数171=Z ，齿轮2的齿数,

取,取传动比

4.1.2按齿根弯曲疲劳强度设计

开式齿轮传动，齿根弯曲强度是其薄弱环节，故按弯曲强度设计，验算接触强度.由《机械设计》式6.8有：

32

112m FP sa Fa d Y Y Y Z KT σ?ε?≥ 确定式中各项的数值：

由《机械设计》式6.2有：

βανK K K K K A =

重块下降过程可以近似认为是均匀平稳，小车运动过程也近似为均匀平稳查《机械设计》表6.2得11=A K 。直齿圆柱齿轮传动，可取4.1~05.1=νK ，2.1~1=αK ，运动过程中速度比较低取05.11=νK ，齿面硬度高，2.11=αK 取两齿面为硬面，可取35.1~1.1=βK ，齿轮在两支承中间不成对称布置，取35.11=βK 。

数据代入上式得：

701.11=K ，mm N T T ?==96.34max 11

齿轮估算许用应力：

[]MPa MPa FP 41.499.549.09.0min =?==σσ

查《机械设计》表6.8 6.0~3.0d =?，取3.0d12=?，

查《机械设计》表6.4 由171=Z 得：97.2a1=F Y ，52.11=sa Y

由《机械设计》（修订版）式6-7得：

端面重合度βεαcos 112.388.121?????

?+-=）（Z Z 对于直齿轮β=0 代入数据得：12αε=1.63 < 2 ,取85.0~65.0=εY 齿数比较少，取1εY =0.68

所有数据代入得：

0.42mm 41.4968.052.197.217

3.059.297.12m 32=??????≥