金工實習(xí)重力勢能小車設(shè)計報告

1、For personal use only in study and research; not for commercial use重力勢能小車設(shè)計報告組員：徐一航管磊盧光燦覃澤儒學(xué)院： 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：沈幸平2013.06目錄一. 設(shè)計方案確定2設(shè)計理念2.設(shè)計方案2.二. 圖紙3總裝圖3.零件工程圖4.三. 技術(shù)難點5如何設(shè)計使小車跑的比較遠？ 5.如何將能量轉(zhuǎn)換得更多？ 5.如何實現(xiàn)小車順利啟動？ 5.不得用于商業(yè)用途如何安置支架與載重？ 5.四. 加工工藝6軸的加工6.輪的加工6.底板加工7.整體裝配7.五. 調(diào)試裝配中遇到的問題 7軸的問題7.輪子問題8.繞線問題

2、8.載重問題8.六. 小車達到的性能 8七. 收獲與體會9八. 課程建議11一.設(shè)計方案確定設(shè)計理念減輕小車質(zhì)量：在保證小車運動穩(wěn)定的前提下盡一切可能減輕車身質(zhì)量，在 規(guī)定能量前提下理論上可以行駛更遠的距離，同時速度方面也有相應(yīng)的提 高。另外，對于不必要的結(jié)構(gòu)盡量舍棄。J車身結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要是車身長寬量化方面，以保證小車在前進的時候軌跡更 加平滑。實現(xiàn)方式：對小車運行軌跡、車身的長度、寬度量化，通過人工計 算和電腦計算確定出最佳的長寬和運行軌跡。J重心調(diào)整：通過在設(shè)計時候?qū)χ匦牡恼{(diào)制使小車運行平穩(wěn)，該過程仍然采用 量化。在實際操作中，由于底板控制余地有限，因此主要通過調(diào)節(jié)附加重物 的位置，使小車

3、的重心達到調(diào)節(jié)。不得用于商業(yè)用途W(wǎng)設(shè)計原則：簡單可行原則。設(shè)計方案鬥 能量轉(zhuǎn)化裝置：通過定滑輪將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能。為了讓小 車運行得更穩(wěn)定，我們采用小傳動比，讓小車的轉(zhuǎn)矩剛好比摩擦力的轉(zhuǎn)矩略 大，使小車先保持盡量低的前進速度，然后再實現(xiàn)逐漸加速的過程，以利于 物體的重力勢能更多的轉(zhuǎn)化為小車前進的動能，同時也減少了重物由于高速 下落，最后撞擊車身所帶來的能量損失。 車身整體設(shè)計：車身采用平滑型的車身，尖嘴寬尾，車尾稍高于車頭，前輪與兩個后輪成約45°夾角。該設(shè)計一定程度上有利于小車順利前進， 在鋸除 多余部分后更是減輕了不少車身重量。國 附加物設(shè)計：重物下落時緊貼支架，達

4、到緩慢下落和穩(wěn)定無偏移的效果，同時能夠盡可能多地將重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能；載重物塊豎直卡在車尾的 凹槽中，達到后期加速的效果。終設(shè)計方案示意圖如下：二.圖紙總裝圖：各種加工零件的工程圖：1. 底板：2. 軸：3. 輪子：三技術(shù)難點丨 如何設(shè)計使小車跑的比較遠？重物下落帶動小車前進，重物下降的距離相同，根據(jù)同軸轉(zhuǎn)動原理，角速度 相同，半徑越大，線速度越大。因此，我們想出將后輪直徑做得較大、與后輪相 連的軸做得較細的措施。為了將下落距離更大的轉(zhuǎn)換為前進距離， 我們原先打算 不得用于商業(yè)用途設(shè)計實施兩級放大，在重物與后輪之間另加一根軸 重物與軸粗部連接，軸細 部與后輪連接。但是在綜合分析可行性以及

5、吸取他組經(jīng)驗后， 決定采取簡單的單 軸轉(zhuǎn)動裝置，而是通過其他方式來增加行近距離。J如何將能量轉(zhuǎn)換得更多？重力勢能轉(zhuǎn)換成動能，總能量是相同的，小車前進過程中的摩擦損耗越小， 前進距離越遠。因此我們要想辦法盡可能減小損耗。 本來想在重物與繩子間用彈 簧連接，減小重物下落對車的沖擊，但后來得知彈簧是不允許使用的最終放棄了。 小車質(zhì)量越小，重物下落時就越容易帶動小車前進，因此我們決定將小車盡量多 地進行裁除，輪子鏤空，既減輕質(zhì)量又美觀。另外保持重物緩慢下落，將重力勢 能盡可能多地轉(zhuǎn)化為小車動能。J如何實現(xiàn)小車順利啟動？另外，小車設(shè)計的一個關(guān)鍵點是小車的啟動。只要重物下落初始時刻小車能 順利啟動，后續(xù)的

6、前進問題就不大。為了使小車容易啟動，可以采取在小車后軸 繞線處增大繞線直徑來實現(xiàn)，但在下落距離一定時，這樣會嚴(yán)重縮短小車行進的 距離。所以最后我們決定通過計算力矩等方面設(shè)計好軸與輪子的直徑適合比，并將軸與繩子連接處適當(dāng)磨粗糙。如何安置支架與載重？支架的安裝以及載重物塊的放置都會影響小車的重心，從而影響小車的啟動和行進過程的穩(wěn)定。支架的安裝我們通過反復(fù)考量最終選定了合適的位置，保證重物下落接觸到地盤后不會掉落也不會產(chǎn)生任何阻礙；而在載重物塊方面，我們起先是打算放在車首，并用前輪最前方的兩顆螺絲反裝的形式和支架組成三角將 其固定在車上，但這樣會影響小車最后的加速。于是我們決定在車尾割出合適的 矩形

7、槽，將載重豎直放置，如此一來車身減輕了，載重在重物下落結(jié)束后仍能促 使小車進一步向前。四加工工藝1）軸：車床加工不得用于商業(yè)用途2）輪子：激光加工3）底板：鉗工4）整體安裝：鉗工軸的加工：1）選用直徑為10mn的柱體原材料，在200mn處切斷（保留適當(dāng)余量），得到合適長度的軸；2）接著將軸的端面車平至軸長200mm；3）然后將軸的兩端分別車成長 30mn直徑7.8mm的圓柱；4）再將軸兩端車好的圓柱各車成長 20mn直徑5.8mm的螺紋。J輪子的加工：1）選用輕木質(zhì)板作為小車輪子的原材料；2）先使用CAD畫出輪子的設(shè)計圖：先畫出一個直徑 200mm的外圓，再畫出一個 直徑6mm勺同心內(nèi)圓，然后

8、畫出四瓣扇形作為輪盤上的空心部分的樣式；3）畫好后，我們到激光加工中心將圖導(dǎo)入，用激光切割把兩個輪子切割成型；4）由于切割下來的輪子邊緣不是很光滑， 我們先是使用了鉗工中的磨的技術(shù)進 行打磨，想要把輪子的外沿磨得更光滑圓整一些，但是當(dāng)把輪子裝到小車上 實驗的時候，發(fā)現(xiàn)人工打磨的精度比較差，車子有明顯起伏，前進速度明顯 不均勻，說明輪子實際上沒有很圓；5）于是，我們再把輪子帶到車床車間，用普通車床將輪子車至直徑為160mm最后經(jīng)過車床修正后得出的輪子比原來大有改善，裝到小車上后再次試行， 小車的起伏明顯減小，前進速度也比較均勻，說明輪子已經(jīng)比較圓，符合我 們的要求。J底板加工：1）選用長260m

9、m£ 200mm勺矩形板作為原材料；2）在端部兩邊各鋸掉長260mn寬50mnt勺矩形，再鋸掉兩個底 20mn高40mnt勺直角三角形；3）在另一端橫向徹底鋸掉寬70mm勺矩形，接著在中部對稱挖出長55mn寬15mm的矩形槽；不得用于商業(yè)用途4）在剩下部分按零件分布打孔，最后將切割的邊緣用銼刀磨平整體裝配1）首先裝配前輪：將前輪對準(zhǔn)孔位，再將螺絲螺帽擰緊即可，前輪最前端的兩 顆長螺絲采取倒裝；2）接著裝配后輪：先將軸一端的控制軸承裝上，將軸穿過后再裝另一端，接著 將車輪分別由兩顆螺帽固定好位置；3）最后裝配支架與載重：先將支架與滑輪裝好，再在通過計算和實踐確定好的 孔位上固定好支架，

10、接著繞線，把載重置于尾部凹槽。五調(diào)試裝配中遇到的問題在裝配完成之后，我們立即進行了多次試驗與調(diào)試，在這過程中也暴露出了 很多問題，一定程度上都影響了小車的行進和距離，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試最終達到一個 較為滿意的狀態(tài)。以下將按順序進行問題描述。1軸的問題第一次試驗時，小車啟動稍有猶豫，比較勉強，我們試了很多種方法進行改 進。首先想到的是調(diào)整力臂，也就是增大繞線半徑來使小車順利啟動， 實踐證明 這種方法是可行的。但我們不甘于就這樣縮短了小車行進距離，既然可以增大力 臂，那麼是否也可以增大力？于是我們將軸的繞線部分進行打磨，使粗糙度適中，進行改進后小車果然順利啟動，并且反而增大了行進距離。J輪子問題激光加工

11、出來的輪子并不光滑，手動磨平也還是不夠達標(biāo)。于是我們使用車 床進行切削，終于達到要求；另外我們也有想過像其他組一樣， 在輪子上繞上一 圈膠帶以減小摩擦，但反復(fù)試驗后還是不饒膠帶走得較遠， 最終我們覺得放棄膠 帶，直接使用車床磨光滑后的輪子。J繞線問題在進行繞線時，我們也討論了關(guān)于繞線是否越緊越好的問題，最后實踐證明 繞線需要比較緊繃，但依然是適中為好。緊繃為好是因為線越緊，相同繩長情況 下繞的圈數(shù)就越多，小車驅(qū)動過程就更充分；不能過緊是因為這樣會導(dǎo)致小車在 一開始的短時間內(nèi)加速過快，會使得小車行進不穩(wěn)定，且能量轉(zhuǎn)化不充分，造成 一定的浪費。決定載重位置的過程也經(jīng)歷了不少爭論。一開始為了盡量多的

12、割去車身以減 輕質(zhì)量，所以計劃將載重放在前端，由前輪最前方的兩顆螺絲反裝的形式和支架 組成三角將其固定在車上。但是這樣嚴(yán)重增大了前輪的壓力和摩擦力，不利于小 車進一步向前。最終我們決定在車身尾部挖出合適大小的槽， 將載重物塊豎直放 置，意外發(fā)現(xiàn)不僅車身減輕了，而且在重物下落結(jié)束后尾端的物塊仍能促使小車 進一步向前。六小車達到的性能經(jīng)過精心制造和反復(fù)調(diào)試，小車最終達到如下效果:1）重物開始下落小車即順利啟動；2）啟動后在平直路上穩(wěn)定加速行進；3）重物停止下落后小車依舊靠慣性向前滑行一段距離。七收獲體會回想起造小車的過程，仍然歷歷在目。拼搏、忙碌、汗水與精力揮灑的日子，真是 讓人難忘。戰(zhàn)斗過的親身

13、經(jīng)歷，使我獲得很多很多，整理了一下思緒，得到了以下幾點 收獲。第一，要端正自己的心態(tài)，在訓(xùn)練中有不斷增強自己的決心。明確自己的目標(biāo)，總 而言之“態(tài)度決定一切” 。只有態(tài)度端正了，才能全身心地投入競賽，才能在競爭中 處于不敗之地。第二，要有熱情。熱情是動力的源泉，沒有動力，汽車將不能開動，火箭將不能騰 空，飛船將不能遨游。同樣，人也一樣，沒有熱情，就沒有前進的動力，不下定決心， 不得用于商業(yè)用途是不會有什么結(jié)果的。記得在小車的調(diào)試過程中，每天面對著走得不夠遠的小車，我們 無可奈何，但我們還是得不厭其煩的調(diào)試，因為這是一項偉大的工程，于是乎，我們雙 手與雙腳沒有空閑的時間， 紙上記滿了無規(guī)律的數(shù)據(jù)

14、與想法，只要小車在跑我們就會覺 得我們就快成功了。到后面距離比賽時間越來越近，終于靈感來了，一切問題都迎刃而 解了，我們感動萬分。是熱情使我們不懼任何困難。是熱情讓我們不知疲倦，是熱情讓 我們比賽充滿激情。第三，要有嚴(yán)謹?shù)目茖W(xué)精神，科學(xué)是容不得半點馬虎的，小車設(shè)計是一個用科學(xué)來 指導(dǎo)實踐，把科學(xué)運用到實踐中去的過程。既然是指導(dǎo)實踐，就應(yīng)該做到事無巨細，考 慮周全。在設(shè)計的過程中，不應(yīng)放過每一個細節(jié)。其次假設(shè)要合理，取舍要得當(dāng)。調(diào)試 是一個繁雜的過程，要清楚調(diào)節(jié)先后順序，要把責(zé)任落實到每個隊員的身上，每個人負 責(zé)自己的工作，運用控制變量法調(diào)節(jié)，同時要時刻記錄實驗數(shù)據(jù)，最后處理寫出報告。光有這些還

15、是不夠的，還要認真，要努力，要有敢于挑戰(zhàn)的信心。我們必須嚴(yán)肅認 真的思考我們需要做那些努力，認認真真的把我們必須作的事情作好。管磊 這次的小車制作作為金工實習(xí)的最終項目，我認為主要是為了鍛煉我們實習(xí)加工手段如何運用在實用設(shè)計上， 于是我們在實習(xí)每個項目時充分了解該項目適用的范圍最后 才能決斷出用什么工藝來完成。同時設(shè)計時，我們必須考慮構(gòu)件的可加工性。關(guān)于小車的要求，只能是重力勢能直接轉(zhuǎn)化為動能，則我們分析最好是物塊落下時 的速度為0，即是說每時每刻勢能都要轉(zhuǎn)化為動能，而小車前進的力必須由摩擦力提供，所以我們只能想到用轉(zhuǎn)輪使小車運動，而且我們接觸到的幾乎所有的組都用這一種方法 使小車運動。于是我

16、們把重心轉(zhuǎn)移到小車細節(jié)設(shè)計制作中，因為我們學(xué)生經(jīng)驗不足，理 論分析亦不能完全符合現(xiàn)實情況，我們在充分了解到先做好的小組遇到的問題后，再分析討論了解到解決方法后，再動手制作，并且每次留有充分的余量，為了能不斷地改進。通過上述這一系列的想法以及做法，讓我在實習(xí)中學(xué)會如何從要求構(gòu)思出成品，如 何通過知識來實現(xiàn)制作， 如何通過分析來優(yōu)化產(chǎn)品，如何通過吸取他人的經(jīng)驗來使自己 的作品更好，我覺得通過這次實習(xí)實在是有許多實質(zhì)性的收獲，感謝老師們給予我們這次機會。盧光燦 參與重力勢能小車制作幾個星期下來，最深刻的體會是合作和細節(jié)。合作自然不用說，分工是很重要的，只有合理分工才能順利高效地完成任務(wù)。其次,制作過

17、程中很多方面的合作也是必不可少的，光是要給小車擰上一個螺釘，就需要兩個人齊心協(xié)力，一個扶車、一個擰螺釘。而隊員之間的默契配合，不僅在制作時可以提高 效率，也可以減少在討論時為無關(guān)瑣事爭執(zhí)得面紅耳赤的時間，大家心平氣和、心無雜 念地為著同一個目標(biāo)而努力。至于細節(jié)，則是要在制作的過程中謹慎處理好每一個步驟，比如磨去支架底部的小 凸起，將每一個孔的位置打得不偏不倚等等。這些小問題，看起來似乎無傷大雅，但如 果處理不好，就會造成大的麻煩和不必要的返工。畢竟做出的決定往往無從修改，造成 的錯誤也往往難以回頭。小車的制作從無到有，從一開始不明所以，到后來能夠駕輕就熟，是一個從自己手 中創(chuàng)造的愉悅過程。感受

18、這其中不斷碰壁、不斷嘗試，再碰壁、再嘗試的快樂，也就感 受到了自己的成長。小車制作的過程問題重重，大家都很辛苦，但不得不說，在這個過 程中我們培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，學(xué)到了很多知識，收獲了很多。覃澤儒經(jīng)過這次制作小車，我覺得自己的收獲還是很大的。在此之前，我上過工程技術(shù)探 究（即制作投石車）的課程，可以說在零件的認知、工具的使用、模型的設(shè)計方面我都 有一些經(jīng)驗。相對于當(dāng)時的投石車，這次的重力勢能小車在設(shè)計方面要簡單一些，不過 讓我們感受到的壓力卻絲毫沒有變小。主要也是因為設(shè)計雖然簡單，但是要設(shè)計出獨特的方案還是需要更多更全面的思考。最后我們小組并沒有在設(shè)計上做出很大的改變，而 是利用我們

19、團隊整體對于細節(jié)把握的出色能力將工作重點放在了基本尺寸定奪以及精 良加工上，在每一個點上我們都追求細致完美。在最后的三周小車加工、調(diào)試中，我們小組充分地利用了每一個組員的特點，大家 合理地接手任務(wù)，最終將小車的每一個部件都做到了我們預(yù)先設(shè)計的程度，最后的組裝也很順利。在調(diào)試中，我們組的小車在行走的距離上也較為理想，這些都歸功于我們小 組每位同志的辛勤付出。最后，感謝沈幸平老師以及其他帶隊老師在整個小車制作過程中給予的幫助和指 導(dǎo)！祝身體健康，工作順利！徐一航八建議對總體活動的建議：1）希望能盡早發(fā)放小車零件，以便實際地確定各零件位置和尺寸。2）除了通過距離來考察小車的性能外，還可以通過是否能走直線、經(jīng)濟性、可 行性等其他方面性能進行考察。3