1、 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 绿色小车 i 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
2、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 绿色小车 ii 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 ene
3、rgy 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
4、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
5、will model green car design process, structure and function of the characteristics described in detail. Key words:Greencar; Non-carbon; Potential energyinto 绿色小车 iii 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
6、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 . 9 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
7、.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 . 12 4.3.1.3 轴的初估计算 . 12 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）
8、 . 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 绿色小车 iv 4.3.2.5 确定轴上圆角和倒角尺寸 . 19 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
9、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 绿色小车 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
10、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
11、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、
12、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，进绿色小车 2 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
13、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
14、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（ 5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 4002mm，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： 小车上面要装载一件外形尺寸为 6
15、020 mm绿色小车 3 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。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 3
16、11 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 ， 实现小绿色小车 4 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 75
17、0g),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 0.030.04 木材与木材 表面淬火车轮与钢轮 圆锥形车轮 圆柱形车轮 0.050.08 0.080.1 0.050.07 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 0.10.3，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 0.0050
18、.007，取 f=0.005,理想情况下有 W = fMgS = 0.0052 9.8S= 4J 求得 S= 40.81m 表 2 小车运动各处的摩擦效率 种类 效率 种类 效率 圆柱加工齿的开式齿轮传动 (脂润滑 ) 1 = 2 =0.940.96 滚动轴承 (润滑最佳时 ) 3 =0.99(一对 ) 卷绳轮 4 =0.95 槽摩擦传动 5 =0.880.90 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 76.090.095.099.096.096.0 4544321 W有效 = W = 4 0.76= 3.04J 则 S=3
19、1.02m 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。 绿色小车 5 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， = 2 = 22 = 其运动的大致路线如下图所示： 图 4 绿色小车行走示意图 小车运动一个周期的长度 0S ： S0 = 1 +220= 1 + 0.12222()20= 1989.85mm 小车转向过程中最大角度 MAX ；
