作品设计说明书

第五届全国大学生工程训练综

合能力竞赛

无碳小车设计说明书

课程名称：重力势能驱动小车中南赛

设计题目：结构设计

指导老师：马克新

学生姓名：陈洁林、陈星、王振宇

电话：

2016年12月5日

目录

1.设计背景 (2)

2.背景及要求 (2)

2.设计方案及选择 (2)

车体整体设计 (2)

车轮设计 (2)

车架设计 (3)

3尺寸结构设计计算 (3)

主轮尺寸设计 (3)

车架结构 (4)

运动分析 (4)

运动距离计算 (4)

总质量计算 (4)

4收获与致谢 (5)

5参考文献 (5)

1. 设计背景

背景及要求

根据命题要求设计一符合的“重力势能驱动小车”，将其从一定高度自由放下，将重力势能转化为行进动能。

设计过程分为三个部分：方案设计、技术设计、实物调试三大部分，通过对每一部分的深入了解，层层把关，以达到我们最终的目的。方案设计：为依照命题要求小车行进过程中为走直线且不可使用滚动轴承，并要保持很好的平稳性。故小车结构应该尽量减小摩擦，降低其重心两大方面下手。技术设计：为从材料的选择以及材料的尺寸考虑，材料一般选用铝合金各方面性能较为优良，依次为根据小车重量设计材料的尺寸，要使其在安全范围内工作。实物调试：为制造、安装以及设计方面多存在一些问题，要依据问题对小车进行调试。此三个环节一环扣一环，从头开始尽量完善每一环节，以达到命题要求。

2.设计方案及选择

车体整体设计

根据命题要求此次为下车从规定高度延一定坡度下滑，行进一段距离后经过一圆弧坡后又行进一段距离再次进过一圆弧坡，此过程不需要转向。行进过程重力势能全部转化为摩擦做功，故应尽量减小摩擦才能使得车子走的更远。简化车身以减少不必要的摩擦，所以以最简单两轴两侧板以及四轮组成，不采用底板。

并未采用底板，一来底板面积大质量所占比大；二则车轴与底板之间还需要固定，底板上还要安装定位零件，又多出一误差，较无底板两轴平行度低，不容易控制。

车轮设计

小车行进过程中，需要保持很好的方向，如果采用一般设计思维采用较薄的，直径较大的轮子，由于制造误差，以及安装误差等，综合产生的影响很大，为此我们采用加

大号的厚轮子，可大大减小误差，从而提高稳定性。

但这样轮子质量过多，很可能使得小车总质量超过规定的质量3kg，所以把轮子靠近中间部分去处一定材料，这样一可以减少材料，二是这样轮子转动惯性矩大，有飞轮效果，在总质量不超过3kg情况下使得轮子所占质量尽量最大。一则可降低车架的质量，减小主轴所受力矩；二来轮子质量大转动惯性大，有助于行进；

主轮缓冲翼

车架设计

为适应下坡坡度以及对缓冲翼的初始位置固定，将车架由一根直杆改装为如图的斜漕形状，在其上直接打孔便于安装，以及可以提高安装精度，降低误差。

3. 尺寸结构设计计算

主轮尺寸设计

一、直径设计

小车在考虑运动过程中有上坡和小坡，过度时为减小冲击与振动，据此设计轮子半径，过大质量超标，且重心高。过小冲击大；小车首次下坡时经过的过度圆弧半径R=800mm，远大于理论设计直径，可不做考虑。主要考虑经过什么两个阻碍坡时如下图：则根据理论设计为R=40mm,厚度d=30mm；考虑质量超出规定范围，将轮子两侧去除一部分材料如下：

铝合金密度为:ρ=cm^3

其总质量m=密度×体积=

车架结构计算

车架上轴孔间距离定为240mm，保证长宽相差不大，小车平稳，故板宽为20mm，倾斜角度ɑ=≈43°，板子角度为ɑ=45°。

质量m=182g

轴受力分析

轴在运动过程受到车架的重力以及惯性力，轴最危险界面为半径为6mm处，

A=πr×r=×10`5㎡,T==4×=；σ=T/A<[σ]=35MP。

运动距离计算

行进过程为钢轴为铜套间滑动摩擦系数μ=，运动到停止忽略发热，mgh=fs;摩擦力f=μmg.则有s=h/μ==40m，故理论最大路程为40m。

最大速度v的计算：v为刚下完坡接触水平面为最大，mv*2/2=mgh-μmgcosθ(θ=43°)；v≈5m/s。

总质量计

45钢密度ρ=cm^3；铝合金ρ= g/cm^3；铜ρ=cm^3尼龙ρ=cm^3

侧板：M1=ρ×v=【（240+60）×20+（28×10）+130×10×2】×××2=363g；主轮：M2=ρ×v=（40×40π-25π）×30×10*6-20π×15×6×2××4×=1302g；

主轴：M3=ρ×v=（134×81π+16×49π+30×25π+90×9π）×10*6××2=573g；

缓冲翼：M4=ρ×v=【(24×24)-49π+116×10-9π】×6×4×10*6×=133g；

链接轴：M5=ρ×v=(130×π×16×+54π×9)×10*6×6×=178g；

铜套：M6=ρ×v=(15×25π-9π)×10*6×8×=134g；

尼龙轮：M7=ρ×v=15×(12×12π-9π)×10*6×8×=112g；

其他标准件：M8=54g；

总质量：

M=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7+M8=363+1302+573+133+178+134+112+54

=2849g；

4. 收获与致谢

参与此次项目无论是从知识或者是经验上都得到了很大的提升，这次项目的意义就在于鼓励大学生积极参与其中，自我创新以及动手实践的全面综合性过程。知识固然重要但不会学以致用等于白学，唯有通过实践，才能反应问题所在，与理论相结合，验证思想的正确性。再者也鼓励我们大胆创新设想，世界在发展，科技在进步，很多时候需要我们用非传统、不一样的方法来解决问题，知识是无尽的需要我们不断去探索，同时也开阔自己的思维。

与此同时我也明白很多时候不逼自己一把，自己都不知道自己还是同样可以做的很好。

5. 参考文献

[1] 潘存云.机械原理第二版.长沙.中南大学出版社，