无碳小车设计机械设计课程设计说明书.doc

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机械设计课程设计

计算说明书

题目。

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专业班级。

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学号。

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学生姓名。

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指导教师。

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年。

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月。

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日

机械设计课程设计任务书

学生姓名。

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专业班级。

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班学号。

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指导教师。

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职称教研室。

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题目无碳小车设计

方案与要求

“无碳小车”以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。

功能设计要求是给定一重力势能，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如上图所示。

小车在前行时能够在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕两个障碍物按“8”字形轨迹运行。

障碍物为直径20mm|、长200mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩。

给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65mm，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参赛者自主设计完成。

要求满足：

①小车上面要装载一件外形尺寸为Φ60×20mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400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Φ30mm。

要求完成：

1.装配图1张（A2）。

2.零件工作图2张（齿轮和轴两个零件）。

3.设计说明书1份，6000-8000字。

开始日期2014年12月15日完成日期2015年01月02日

2014年11月20日

第0页

页

机械设计课程设计

目录

计算与说明 1

1.设计任务书 2

1.1设计题目 2

1.2原始数据 2

1.3工作条件 2

1.4动力来源 2

1.5传动方案 2

2.传动比的分配 3

2.1总传动比的分配 3

2.2减速器传动比 4

3.传动装置的运动和动力参数计算 5

3.1各轴转速的计算 5

3.2各轴输入功率 5

3.3各轴输入转矩 5

4.转向设计 6

4.1选定转向装置 6

4.2确定转向装置的基本参数 6

5.齿轮的设计 8

5.1设计计算一级齿轮 8

5.1.1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 8

5.1.2按齿面接触强度设计 8

西安文理学院2012级机械设计制造及其自动化

第0页

页

机械设计课程设计

5.1.3按齿根弯曲疲劳强度设计 10

5.2设计计算一级齿轮 14

5.2.1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 14

5.2.2按齿面接触强度设计 15

5.2.3按齿根弯曲疲劳强度设计 17

6.轴的结构设计 21

6.1按扭转强度条件计算 21

6.2按弯扭合成强度条件计算 22

6.3轴的扭转刚度校核计算 27

7.键连接的选择及校核计算 29

7.1平键连接强度计算 29

8轴承的选择 30

9润滑方式选择 31

9.1齿轮的润滑 31

9.2轴承的润滑 31

10注意装配事项 32

10.1轴的装配 32

10.2齿轮的装配 32

10.3转向杆的装配 32

11设计小结 33

12参考文献 34

西安文理学院2012级机械设计制造及其自动化

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机械设计课程设计

计算与说明

我们本次的机械设计课程设计是以“全国大学生工程实训综合能力竞赛”题目“无碳小车”为题。

该无碳小车是利用一个一定质量的重物从一定的距离下落是由其自身重力势能转换成机械能来驱动小车行走。

小车前行过程中完成的所有行走功能所需的能量均有此能量转换获得，不消耗其他形式的能量。

通过计算设计出能完成预期行走功能的转向系统和相关传动系统，并使小车在前行时能够在半张标准乒乓球台（长、宽）上，绕两个障碍物按“”字形轨迹运行。

障碍物为直径|、长的个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成字绕行圈数的多少来评定成绩。

所以我们选择曲柄连杆机构来实现小车的转向，选择传动平稳可靠的齿轮机构来实现周性的绕过障碍物。

随着社会的发展，低碳生活对我们越来越重要，建设无碳生活，使得生活更加环保，是我们每个人的职责。

我们通过设计无碳小车模型，用重力势能转化为机械能，为以后能源发展提供了一种全新的思路，使更多的人有意识的去享受低碳生活。

保护环境是每个人得责任，在人们开始有意识地减少对大气的二氧化碳排放量，就要求生活中的交通工具尽可能的减少或不排放二氧化碳,随着人们的生活水平越来越高，人们对环境质量的要求也日益增加。

环境对人类的健康越来越重要，人们提出建设无碳社会使生活

更加环保。

无碳车的研发可以缓解社会对能源的需求。

主要结果

…………………………..….………..………..装…………..……...订…………………..线……………………………………………….…..

1.设计任务书

1.1设计题目

无碳小车设计

1.2原始数据

小车所受牵引力；小车速度,

后轮直径；

1.3工作条件

平缓的路面波动较小

1.4动力来源

重锤1kg的重力势能

1.5传动方案

俩个一级直齿圆柱齿轮传动

2.传动比的分配

2.1总传动比的分配

重锤重，下落高度，。

按8字桩最小距离计算，由于小车在走字时，其精确轨迹无法估算，先在暂时认为小车在走八字是近似为扫描圆形轨迹，如下图所示：

图1-1小车扫描轨迹

根据图1-1和圆的周长公式，我们可以大致确定出小车所要走过的路径，

根据公式：

..........................................................................................①

将数据代入公式中可得：

由于小车要走过的距离为两个圆的周长，所以小车要走过的距离为

而绳子所下降的距离为400mm.

根据摩擦理论可知：

摩擦力矩和正压力的关系为：

.................................................................................②

而滚动摩擦所受的阻力为：

.............................................................................③

根据上述公式我们可以初步判定我们无碳小车的设计原则，即小车质量要轻，轮体直径应尽可能的大。

初步计算时，为了方便计算，我们初步取得轮子直径为100mm,但是在绘图的过程中发现无法安装转向机构，所以后初步设计直径为150mm。

小车至少要完整的走过一圈的距离，所以车轮要转动的圈数为：

..........................................................................................④

式中：

将以上数据代入公式④中：

根据设计结构即无碳小车的传动路线，小车采用的是重块通过绳索直接与滚筒相连，由滚筒驱动与之同轴的齿轮，齿轮再驱动后面的小齿轮。

而在齿轮传功中，齿轮件的传动比常取，在此我们取常用传动系数.则与滚筒同轴的齿轮需要转动圈，同样的滚筒也要转圈。

近似的我们圆整为圈，又因为小车上的重块需要下降，据此根据公式①我们可以估算出小车滚筒的直径：

在绘图过程中，根据装配的要求我们取前轮直径为。

2.2减速器传动比

考虑到一级齿轮传动圆柱齿轮范围为，故选，。

3.传动装置的运动和动力参数计算

3.1各轴转速的计算

3.2各轴输入功率

3.3各轴输入转矩

（1）输入转矩

4.转向设计

4.1选定转向装置

该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的两个障碍物（每间隔到，放置一个直径、高的弹性障碍圆棒），并在半个乒乓球案长，宽中，绕两个障碍物走字型，不完全齿轮具有转向功能。

所以转向装置选择不完全齿轮。

4.2确定转向装置的基本参数

小车行走时的轨迹如图可知，用滑块连杆实现表示出来可得

杆件的基本参数：

摆杆长54.5mm，宽度6mm，厚度3mm,滑杆长56mm，宽度6mm，厚度3mm,支撑架高51mm，宽度4mm，厚度4mm，连杆高30mm,厚度5mm，宽度10mm,转向机构轴高69mm，直径8mm.

转向机构杆如图

支撑架转向机构摆杆

滑杆

连杆

前轮最大转角：

13度

5.齿轮的设计

5.1设计计算一级齿轮

5.1.1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数

（1）按照我们的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取为。

（2）无碳小车为一般工作机器，参考表10-6，选用7级精度。

（3）材料选择。

由表10-1，大齿轮与小齿轮均选择选择45刚（调质），硬度为240HBS。

（4）选小齿轮齿数为,大齿轮齿数，

因为与要互质,所以取.。

5.1.2按齿面接触强度设计

（1）由式（10-11）①试算小齿轮分度圆直径，即

1）确定公式内的各项数值

①试选载荷系数

②计算小齿轮传递的转矩

③由表10-7选取齿宽系数

④由图10-20查得区域系数

⑤由表10-5查得材料的弹性影响系数（大小齿轮均采用锻造）为

⑥由式（10-9）计算接触疲劳强度用重合度系数

⑦计算接触疲劳许用应力。

由图10-25d①查得两齿轮的接触疲劳极限为

由式（10-15）①计算应力循环次数：

由图10-23查取接触疲劳寿命系数。

取失效概率为1%，安全系数为S=1，由式（10-14）得

取和中较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即

2）试算小齿轮分度圆直径

（2）调整小齿轮分度圆直径

1）计算实际载荷系数前的数据准备。

①圆周速度v。

②齿宽b。

2）计算实际载荷系数。

①由表10-2①查得使用系数

②根据、7级精度，由图10-8查查得动载系数。

③齿轮圆周力

查表10-3①得齿间载荷分配系数。

④由表10-4①，7级精度，小齿轮，相对承非对称布置齿向载荷分布系数,由此，得到实际载荷系数

3）由式（10-12）①，可得按实际的载荷系数算得的分度圆直径：

及相应的齿轮模数

5.1.3按齿根弯曲疲劳强度设计

（1）由式（10-7）①试算模数，即

、

1）确定公式中的各参数值

①试选

②由式（10-5）①计算弯曲疲劳强度用重合度系数。

③计算。

由图10-17①查得齿形系数

由图10-18①查得应力修正系数

由图10-24c①查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为

由图10-22①查得齿形

由图10-17①查得齿形弯曲疲劳寿命系数

取弯曲疲劳安全系数，由式（10-14）得

因为大齿轮的大于小齿轮，所以取

2）试算模数

（2）调整齿轮模数

1）计算实际载荷载荷载荷系数前的数据准备。

①圆周速度v。

②齿宽b。

③宽高比。

1）计算实际载荷系数。

①根据,7级精度，由图10-8查得动载系数。

由

查表10-3得齿轮间载荷分配系数。

③由表10-4用插值法查得,结合查图10-13，得

则载荷系数为

3）由式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关。

可取由弯曲疲劳强度算得的模数并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径,算出小齿轮齿数，

取，则大齿轮齿数，取，与互为质数。

这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

4.几何尺寸计算

（1）计算分度圆直径

（2）计算中心距

（3）计算齿轮宽度

，

考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽b和节省材料，一般将小齿轮略加宽，即

取,而使大齿轮的齿宽等于设计齿宽，即。

5.圆整中心距后的强度校核

上述齿轮副的中心距不便于相关零件的设计和制造。

为此，可以通过调整传动比、改变齿数或变位法进行圆整。

采用变位法将中心距就近圆整至。

在圆整时，以变位系数和不超出图10-21a中推荐的合理工作范围为宜。

其他几何参数，如、、m、、b等保持不变。

齿轮变位后，齿轮副几何尺寸发生变化。

应重新校核齿轮强度，以明确齿轮的工作能力。

（1）计算变位系数和

①计算啮合角、齿数和、中心距变动系数和齿顶高降低系数。

从图10-21a可知，当前的变位系数和提高了齿轮强度，但重合度有所下降。

②分配变位系数、。

由图10-21b可知,坐标点位于线和线之间。

按这两条线作射线，再从横坐标的、处作垂直线，与射线交点的纵坐标分别是，。

（2）齿面接触疲劳强度校核

按前述类似做法，先计算式（10-10）中的各参数。

计算结果为

将它们代入式（10-10）,得到

齿面接触疲劳强度满足要求，并且齿面接触应力比标准齿轮有所下降。

（2）齿根弯曲疲劳强度校核

按前述类似做法，先计算式（10-6）中的各参数。

计算结果为：

将它们代入式（10-6），得到

齿根弯曲疲劳强度满足要求，并且小齿轮抵抗弯曲疲劳破坏的能力大于大齿轮。

6.结构设计及绘制齿轮零件图（从略）

7.主要设计结论

齿数、，模数,压力角，变位系数、，中心距，齿宽、。

大小齿轮均选用45钢（调质）。

齿轮按7级精度设计。

5.2设计计算一级齿轮

5.2.1选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数

（1）按照我们的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取为。

（2）无碳小车为一般工作机器，参考表10-6，选用7级精度。

（3）材料选择。

由表10-1，大齿轮与小齿轮均选择选择45刚（调质），硬度为240HBS。

（4）选小齿轮齿数为,大齿轮齿数，

因为与要互质,所以取.。

5.2.2按齿面接触强度设计

（1）由下式试算小齿轮分度圆直径，即

1）确定公式内的各项数值

①试选载荷系数

②计算小齿轮传递的转矩

③由表10-7①选取齿宽系数

④由图10-20①查得区域系数

⑤由表10-5①查得材料的弹性影响系数（大小齿轮均采用锻造）为.

⑥由式（10-9）①计算接触疲劳强度用重合度系数

⑦计算接触疲劳许用应力。

由图10-25d①查得两齿轮的接触疲劳极限为

由下式计算应力循环次数：

由图10-23查取接触疲劳寿命系数。

取失效概率为1%，安全系数为S=1，由下式得

取和中较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即

2）试算小齿轮分度圆直径

（2）调整小齿轮分度圆直径

1）计算实际载荷系数前的数据准备。

①圆周速度v。

v==

②齿宽b。

2）计算实际载荷系数。

①由表10-2①查得使用系数

②根据、7级精度，由图10-8查查得动载系数。

③齿轮圆周力

查表10-3①得齿间载荷分配系数。

④由10-4①,7级精度，小齿轮，相对承非对称布置齿向载荷分布系数,由此，得到实际载荷系数

3）由式（10-12）①，可得按实际的载荷系数算得的分度圆直径

及相应的齿轮模数

5.2.3按齿根弯曲疲劳强度设计

（1）由式（10-7）①试算模数，即

1）确定公式中的各参数值

①试选

②由式（10-5）①计算弯曲疲劳强度用重合度系数。

③计算。

由图10-17①查得齿形系数

由图10-18①查得应力修正系数

由图10-24c查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为

由图10-22①查得齿形

由图10-17①查得齿形弯曲疲劳寿命系数

取弯曲疲劳安全系数，由式（10-14）得

因为大齿轮的大于小齿轮，所以取

2）试算模数

（2）调整齿轮模数

1）计算实际载荷载荷载荷系数前的数据准备。

①圆周速度v

②齿宽b

③宽高比

1）计算实际载荷系数。

①根据,7级精度，由图10-8查得动载系数。

由

，

查表10-3得齿轮间载荷分配系数。

③由表10-4用插值法查得,结合查图10-13，得

则载荷系数为

3）由式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关。

可取由弯曲疲劳强度算得的模数并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径,算出小齿轮齿数：

取，则大齿轮齿数，取，与互为质数。

这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

4.几何尺寸计算

（1）计算分度圆直径

（2）计算中心距

圆整为

（3）计算齿轮宽度

，

考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽b和节省材料，一般将小齿轮略加宽，即

取,而使大齿轮的齿宽等于设计齿宽，即。

5.圆整中心距后的强度校核

上述齿轮副的中心距不便于相关零件的设计和制造。

为此，可以通过调整传动比、改变齿数或变位法进行圆整。

采用变位法将中心距就近圆整至。

在圆整时，以变位系数和不超出图10-21a中推荐的合理工作范围为宜。

其他几何参数，如、、m、、b等保持不变。

齿轮变位后，齿轮副几何尺寸发生变化。

应重新校核齿轮强度，以明确齿轮的工作能力。

（1）齿面接触疲劳强度校核

按前述类似做法，先计算式（10-10）中的各参数。

计算结果为：

将它们代入式（10-10）,得到

齿面接触疲劳强度满足要求，并且齿面接触应力比标准齿轮有所下降。

（2）齿根弯曲疲劳强度校核

按前述类似做法，先计算式（10-6）中的各参数。

计算结果为：

将它们代入式（10-6），得到：

齿根弯曲疲劳强度满足要求，并且小齿轮抵抗弯曲疲劳破坏的能力大于大齿轮。

6.结构设计及绘制齿轮零件图（从略）

7.主要设计结论

齿数、，模数,压力角，中心距，齿宽、。

大小齿轮均选用45钢（调质）。

齿轮按7级精度设计。

6.轴的结构设计

6.1按扭转强度条件计算

这种方法只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果轴还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。

在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。

对于不太重要的轴，也可作为最后计算结果。

轴的扭转强度条件为：

式中：

扭转切应力，；

　　　轴所受的扭矩，；

　　　轴的扭转截面系数，；