金工实习重力势能小车设计报告.doc

重力势能小车设计报告
组员:徐一航管磊卢光灿覃泽儒
学院: 船舶海洋与建筑工程学院
指导教师: 沈幸平

目录
一. 设计方案确定 2
设计理念 2
设计方案 2
二. 图纸 3
总装图 3
零件工程图 4
三. 技术难点 5
如何设计使小车跑的比较远? 5
如何将能量转换得更多? 5
如何实现小车顺利启动? 5
如何安置支架与载重? 5
四. 加工工艺 6
轴的加工 6
轮的加工 6
底板加工 7
整体装配 7
五. 调试装配中遇到的问题 7
轴的问题 7
轮子问题 8
绕线问题 8
载重问题 8
六. 小车达到的性能 8
七. 收获与体会 9
八. 课程建议 11

●设计理念
减轻小车质量:在保证小车运动稳定的前提下尽一切可能减轻车身质量,在规定能量前提下理论上可以行驶更远的距离,同时速度方面也有相应的提高。另外,对于不必要的结构尽量舍弃。
车身结构设计:主要是车身长宽量化方面,以保证小车在前进的时候轨迹更加平滑。实现方式:对小车运行轨迹、车身的长度、宽度量化,通过人工计算和电脑计算确定出最佳的长宽和运行轨迹。
重心调整:通过在设计时候对重心的调制使小车运行平稳,该过程仍然采用量化。在实际操作中,由于底板控制余地有限,因此主要通过调节附加重物的位置,使小车的重心达到调节。
设计原则:简单可行原则。
●设计方案
能量转化装置:通过定滑轮将重物的重力势能转化为小车的动能。为了让小车运行得更稳定,我们采用小传动比,让小车的转矩刚好比摩擦力的转矩略大,使小车先保持尽量低的前进速度,然后再实现逐渐加速的过程,以利于物体的重力势能更多的转化为小车前进的动能,同时也减少了重物由于高速下落,最后撞击车身所带来的能量损失。
车身整体设计:车身采用平滑型的车身,尖嘴宽尾,车尾稍高于车头,前轮与两个后轮成约45°夹角。该设计一定程度上有利于小车顺利前进,在锯除多余部分后更是减轻了不少车身重量。
附加物设计:重物下落时紧贴支架,达到缓慢下落和稳定无偏移的效果,同时能够尽可能多地将重力势能转化为小车的动能;载重物块竖直卡在车尾的凹槽中,达到后期加速的效果。
●终设计方案示意图如下:

总装图:
各种加工零件的工程图:
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如何设计使小车跑的比较远?
重物下落带动小车前进,重物下降的距离相同,根据同轴转动原理,角速度相同,半径越大,线速度越大。因此,我们想出将后轮直径做得较大、与后轮相连的轴做得较细的措施。为了将下落距离更大的转换为前进距离,我们原先打算设计实施两级放大,在重物与后轮之间另加一根轴——重物与轴粗部连接,轴细部与后轮连接。但是在综合分析可行性以及吸取他组经验后,决定采取简单的单轴转动装置,而是通过其他方式来增加行近距离。
如何将能量转换得更多?
重力势能转换成动能,总能量是相同的,小车前进过程中的摩擦损耗越小,前进距离越远。因此我们要想办法尽可能减小损耗。本来想在重物与绳子间用弹簧连接,减小重物下落对车的冲击,但后来得知弹簧是不允许使用的最终放弃了。小车质量越小,重物下落时就越容易带动小车前进,因此我们决定将小车尽量多地进行裁除,轮子镂空,既减轻质量又美观。另外保持重物缓慢下落,将重力势能尽可能多地转化为小车动能。
如何实现小车顺利启动?
另外,小车设计的一个关键点是小车的启动。只要重物下落初始时刻小车能顺利启动,后续的前进问题就不大。为了使小车容易启动,可以采取在小车后轴绕线处增大绕线直径来实现,但在下落距离一定时,这样会严重缩短小车行进的距离。所以最后我们决定通过计算力矩等方面设计好轴与轮子的直径适合比,并将轴与绳子连接处适当磨粗糙。
如何安置支架与载重?
支架的安装以及载重物块的放置都会影响小车的重心,从而影响小车的启动和行进过程的稳定。支架的安装我们通过反复考量最终选定了合适的位置,保证重物下落接触到地盘后不会掉落也不会产生任何阻碍;而在载重物块方面,我们起先是打算放在车首,并用前轮最前方的两颗螺丝反装的形式和支架组成三角将其固定在车上,但这样会影响小车最后的加速。于是我们决定在车尾割出合适的矩形槽,将载重竖直放置,如此一来车身减轻了,载重在重物下落结束后仍能促使小车进一步向前。

轴:车床加工
轮子:激光加工
底板:钳工
整体安装:钳工
轴的加工:
选用直径为10mm的柱体原材料,在200mm处切断(保留适当余量),得到合适长度的轴;
接着将轴的端面车平至轴长200mm ;
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轮子的加工: