益智循跡機械小車說明書.doc

2012國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃益智循跡機械小車設計說明書 設計： 指導老師： 二一三 年 六 月摘要本設計以機械能為動力源，設計開發(fā)一種可以按一定軌跡行進的機械小車，通過機械裝置的調整與操作可直觀的展示機械能量轉化、能量守恒、機械傳動原理的奧秘，開發(fā)智力，培養(yǎng)其對機械設計的興趣。根據(jù)益智循跡機械小車基本功能，將其分為能量轉換機構、傳動機構、轉向機構、微調機構四個模塊進行設計開發(fā)。能量轉換機構采用了發(fā)條、繞線輪的結構組成，將彈簧的彈性勢能轉化為動能驅動小車運動；傳動機構采用了直齒圓柱齒輪傳動，并基于齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度對齒輪的有關參數(shù)設計，同時為了降低成本，在設計的過程中，利用UG軟件對齒輪進行了運動仿真；轉向機構是小車設計的核心，采用齒輪+凸輪的傳動方案控制小車轉向，完成避障行走；微調機構采用螺母、絲杠的微調方案彌補零件加工、裝配的誤差，從而使益智循跡機械小車達到按照預定的軌跡避障行走、找到最佳起跑點的目的使用者通過觀察樣機的工作原理，并親手調試，改變小車的可調變量，觀察其行走規(guī)律，從而以游戲的形式鍛煉了操作者的動手能力，使人們獲得身心健康，增強自身的邏輯分析能力，和思維敏捷性。而且娛樂性也十分強。 關鍵字：益智 微調機構 轉向機構 傳動機構Abstract The design of the mechanical energy as a power source, mechanical design and development of a car can travel in a certain path, through the adjustment and operation of mechanical device can directly display the mechanical energy conversion, energy conservation, mechanical transmission principle of mystery, intellectual development, cultivate interest on its mechanical design. According to the basic function of educational tracking machinery trolley, which is divided into the energy conversion mechanism, transmission mechanism, turn to the four module mechanism, adjustment mechanism for design and development. The energy conversion mechanism adopts winding, the winding wheel structure, the elastic potential energy of the spring is converted to kinetic energy driving car movement; the drive mechanism adopts gear transmission, and based on the tooth surface contact fatigue strength, the parameter design of tooth root bending fatigue strength of gear, at the same time in order to reduce the cost, in the process of the design, to gear are simulated by using UG software; the steering mechanism is the core of car design, the transmission gear and cam control car steering, complete avoidance walking; adjustment mechanism by trimming nut, screw up program error parts processing, assembly, so that the puzzle tracking machinery trolley achieve according to a predetermined trajectory obstacle avoidance walking, find the best starting point for the purpose of The user through the working principle of the prototype, and personally debugging, change car adjustable variables, observe its walking rules, so as to the game in the form of exercise the ability, causes the people to obtain the physical and mental health, enhance their ability of logical analysis, and thinking agility. And the entertainment is also very strong. Keywords: Alpinia oxyphylla Fine tuning mechanism steering gear transimission gear 目錄第一章 緒論11.1 “S”型路線益智循跡機械小車設計的目的及意義11.2 益智循跡機械小車的設計思路1第二章 益智循跡機械小車的方案設計階段22.1總體方案分析22.2車架設計理念32.3動力部分42.4機械傳動機構42.5轉向機構的方案分析42.6差速機構的設計52.7 微調機構5第三章 益智循跡機械小車的技術設計73.1 能量耗散分析模型73.2 小車驅動及轉向原理分析83.3 計算小車的傳動比93.4 小車行走路程估算113.5 齒輪的設計與強度校核113.5.1第一對齒輪的分析設計113.5.2第二對齒輪的分析設計173.6 凸輪的設計計算173.7 軸的強度校核243.7.1 驅動軸的強度校核243.7.2 后輪軸的強度校核28第四章 益智循跡機械小車主要零件的加工344.1 小車的底板設計及加工344.2 車輪的設計與加工394.3 軸承支座的設計加工444.4 齒輪的加工45第五章 益智循跡機械小車的整體設計485.1 小車樣機展示485.2 小車制作調試及改進485.3 分析討論小車如何實現(xiàn)變樁距的避障行走505.4 小車優(yōu)缺點50致謝詞51參考文獻：52第一章 緒論1.1 “S”型路線益智循跡機械小車設計的目的及意義本設計以機械能為動力源，設計開發(fā)一種可以按一定軌跡行進的機械小車，通過機械裝置的調整與操作可直觀的展示機械能量轉化、能量守恒、機械傳動原理的奧秘，開發(fā)智力，培養(yǎng)其對機械設計的興趣。使用者通過觀察樣機的工作原理，并親手調試，改變小車的可調變量，觀察其行走規(guī)律，從而以游戲的形式鍛煉了操作者的動手能力，使人們獲得身心健康，增強自身的邏輯分析能力，和思維敏捷性。而且娛樂性也十分強。1.2 益智循跡機械小車的設計思路根據(jù)益智小車的要求，小車的基本結構為：三輪結構（后輪驅動，前輪導向），平板底盤（主體架構），發(fā)條通過拉線帶動傳動軸，傳動軸通過傳動機構帶動后輪轉動，并通過一定的機構帶動前輪轉動，通過導向機構實現(xiàn)前輪轉向，并考慮一個微調結構，進行運動軌跡的調整。本設計堅持了“整車重心低；結構簡單；傳動件數(shù)少；質量??；足夠的剛度；振動?。徊僮?、調整方便靈活”的原則。在設計方法上借鑒了優(yōu)化設計 、系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計理論方法。采用MATLAB、UG等軟件輔助設計。通過直觀的模型對小車進行仔細深入的結構分析，得到可行的方案。小車的設計過程采用的基本步驟如下圖1.1。圖1.1 益智循跡機械小車設計基本步驟第二章 益智循跡機械小車的方案設計階段 2.1總體方案分析 對命題進行分析，小車需要完成發(fā)條的彈性勢能轉換成動能、驅動小車行走、轉向機構控制小車轉向，在行走的過程中自行避開障礙物，實現(xiàn)越障功能。為達到調試方便的目的、以盡可能少的投入生產(chǎn)出和理論設計盡可能相符合的產(chǎn)品，將小車劃分為六個部分進行模塊化設計（車架 、原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構 、微調機構）。圖2.1 益智循跡機械小車的設計方案根據(jù)提出的方案，在滿足性能要求的同時，也要考慮加工、制造成本等各方面因素，權衡利弊。首先小車要保證設計的結構能完成避障行走的性能，行走軌跡差之毫厘謬以千里，所以對方案的要選擇可調的方案，便于對軌跡進行修正。為了是小車在有限的重力勢能的作用下行走最遠，這就要求小車要具有很小的質量。為此，選用較輕的材料作為小車的主題材料。圖2.2 提高益智循跡機械小車的運動性能示意圖圖2.3 提高益智循跡機械小車的工藝性能示意圖2.2車架設計理念由于車子整體較輕，所以車架受力不大，為盡量減輕小車重量，采用鋁合金板材加工。車架是益智循跡機械小車其他零件的定位基準，車架精度的高低直接決定小車性能的好壞。采用鋁合金板材便于機械加工（本設計的底板采用線切割加工）、重量輕。在保證其加工精度的同時也減輕了其重量。2.3動力部分為了將發(fā)條的彈性勢能轉化為小車的驅動力需要能量轉換機構。本設計的方案是用繩子和線輪來完成該功能。能量轉換機構需要滿足一下基本要求：1） 驅動力的大小要合適，不能太大。行走速度不能很高，防止小車轉彎時速度過高傾翻；防止小車在換向的過程中行走路線偏離預定軌跡，導致其繞樁失敗。 2）不同的跑道對輪子的摩擦不一樣，要求車子具有很強的適應場地的能力，所以要能根據(jù)場地來及時調整其驅動力的大小。2.4機械傳動機構益智循跡機械小車機械傳動機構要能將發(fā)條提供的彈性勢能加以改變，把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。為了使小車行駛的更遠及按預定的軌道精確地進行避障行走，傳動機構必需具備傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結構簡單重量輕等特點。本設計的傳動方案是：通過定線輪，直接把拉發(fā)條的線繩拉在動力輸入軸上；動力輸入軸和行走機構之間采用齒輪傳動；轉向機構采用齒輪+凸輪控制轉向。2.5轉向機構的方案分析轉向模塊的設計是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。為了減少能量損失，轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，在完成功能的同時，結構盡量簡單。圖2.4 小車行走軌跡示意圖面對小車如何實現(xiàn)S軌跡目標，轉向部分在于采用什么機構讓小車按一定的周律變向轉身，此處我們在設計中最大的爭議在于采用連桿還是凸輪，在我們工作調研分析、仿真之后，最終考慮制作難度、小車本身狀況、材料、制作能力與工藝等多方面因素考慮，決定采用齒輪+凸輪機構。我們將與凸輪同軸的齒輪與主動軸上的齒輪嚙合，通過主動軸的轉動，從而帶動凸輪的轉動，推動前輪往復擺動，從而實現(xiàn)周律變向轉身。2.6差速機構的設計 汽車在拐彎時車輪的軌線是圓弧，如果汽車向左轉彎，圓弧的中心點在左側，在相同的時間里，右側輪子走的弧線比左側輪子長，為了平衡這個差異，就要左邊輪子慢一點，右邊輪子快一點，用不同的轉速來彌補距離的差異。差速機構的重要性及工作原理如下圖所示。圖2.6差速器作用示意圖本設計采用超越離合器進行差速，在益智循跡機械小車的運動過程中兩個后輪交替為主動輪、從動輪。假設此時小車是向右轉的過程中，由于右輪和軸之間有超越離合器，可以給小車提供向前的力，是主動輪。此時左輪是從動輪。那么在轉向力的作用下小車也不會向后行走一段距離，所以可以按預定的軌跡運行。下半個周期小車將向左轉向，同樣左輪和后輪軸之間也裝有超越離合器，在次情況下可以給小車提供向前的力，是主動輪，右輪是從動輪。在慣性力的作用下，也不會向前滑行一段距離，所以可以按預定的軌跡運行，該方案可行。綜合上面分析我們選擇在兩個后輪和軸之間安裝超越離合器進行差速，保證小車按照預定的軌跡運動。2.7 微調機構 一臺完整的機器包括：原動機、傳動機、執(zhí)行機構、控制部分、輔助設備。微調機構就屬于小車的控制部分。由于在制作、裝配過程中不可避免的存在加工誤差和裝配誤差，裝配后的成車是不可能直接就能按規(guī)定的軌跡和路線行進的，必須予以調試。微調機構的作用就在此，通過微調機構，實現(xiàn)對誤差的修正，進而實現(xiàn)小車行進軌跡（幅值，周期，方向等）的調整，使小車走一條最優(yōu)的軌跡。同時根據(jù)畢業(yè)設計命題的要求，樁距屆時將是變化的，微調機構更顯重要。微調機構需要具有調節(jié)可靠穩(wěn)定、調節(jié)量可控的要求，本設計的方案是：設計一個調節(jié)結構，運用一個調節(jié)螺母，調節(jié)由于加工誤差造成的運動部件間的間隙，以及小車行走軌跡的偏差。微調機構可以采用如下的方案（如下圖） 圖2.7微調 由于加工和裝配誤差的存在，不能保證前輪軸和凸輪軸的中心距離等于凸輪基圓半徑。因此，在回轉的過程中前輪將產(chǎn)生不對稱的左右擺動，這種現(xiàn)象將使小車的S型軌跡的中心線不是一條直線。最終導致小車不能繞過等距直線擺放的障礙物。為了改變這種現(xiàn)象，本設計采用的方法是，在裝配凸輪軸及前輪軸的過程中，有目的的使兩個軸之間的距離略小于凸輪基圓的半徑。這樣便于接下來的修正偏差。在前輪軸和凸輪軸之間的距離稍微小于基圓半徑的情況下，可以通過調節(jié)微調螺母來帶動轉向塊向上或向下運動，這樣凸輪推桿和凸輪之間的接觸點就發(fā)生了變化，顯然其距離是變大的，通過微調螺母可以精確的找到其合適的位置。實現(xiàn)對加工、裝配誤差的修正。第三章 益智循跡機械小車的技術設計3.1 能量耗散分析模型為了對小車進行模塊化設計，首先分析能量損耗在何處，很直觀的會想到小車內部的能量損耗（比如軸承間的滾動摩擦損耗、轉向機構和凸輪之間的滑動摩擦損耗等）。還有一部分能量損耗在和地面之間的滾動摩擦，摩擦力的大小與哪些因素有關，要解決這些問題，就要找到關鍵因素。為了更直觀、準確的解決這些問題，需要借助數(shù)學工具。通過建立數(shù)學模型，得到合理的方案?，F(xiàn)在先不考慮小車內部的能耗原因。設小車內部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。設小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，假如小車的驅動力能使小車在硬質地面上行走。小車的能量耗散可以用下面的表達式表示。 （3-1）式中： 為小車總質量 為第i個輪子對地面的壓力。 為第i個輪子的半徑。 為第i個輪子行走的距離為了更全面的分析各因素對小車行走路程的影響，分別對下面四個方面進行討論。1）輪子與地面的滾動摩阻系數(shù)2）輪子的半徑3）小車的重量4）小車能量轉換效率（1）輪子與地面的滾動摩阻系數(shù)對小車行走路程的影響通過查閱資料知道一般材料的滾動摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。通過對數(shù)學表達式的分析可知滾動摩阻系數(shù)對小車的運動影響非常顯著，因此在設計小車時也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。（2）輪子的半徑對小車行走路程的影響對數(shù)學表達式的分析可見，小車輪子的半徑越大其行走的距離也就越大。所以在不影響裝配等條件的情況下，盡量采用大的車輪半徑。（3）小車的重量對小車行走路程的影響小車越輕其能量利用的效率就越高，主要原因是重量輕減少了小車克服不必要的額外重量做功。因此盡量減少小車的重量。（4）小車能量轉換效率對小車行走路程的影響可以看到小車能量利用的效率越高，小車行走的距離越遠。因此應盡可能減少小車內部的摩擦損耗，簡化機構，充分潤滑。3.2 小車驅動及轉向原理分析小車結構越緊湊，其轉向性能越好。整體重量越輕，在行走的過程中阻力就越小，行走的路程就越遠。設計理念是讓小車結構盡量簡潔、加工方便、結構緊湊。益智循跡機械小車驅動及轉向原理圖如下：i1i2圖3.1 益智循跡機械小車驅動及轉向原理圖（1）對各序號說明1是與凸輪同軸的齒輪，作用是驅動凸輪軸，并帶動凸輪做周期回轉運動。2是凸輪軸3是凸輪，作用是控制轉向。4轉向軸的擺桿，在凸輪的作用下，做周期性的前后往復擺動帶動前輪左右擺 動，控制小車 做周期性的轉身，避障行走。5是主動軸6是主動齒輪7是后輪軸8后輪軸上的齒輪（2）驅動原理說明小車在工作的時候，先把線繩繞在5（主動軸）上，發(fā)條通過線輪輪拉線繩帶動主動軸轉動，通過6（主動齒輪）把旋轉運動傳遞到8（后輪軸上的齒輪）帶動后輪軸旋轉，從而帶動后輪轉動，完成向前行走的動作。與此同時，6（主動齒輪）把旋轉運動傳遞到1（凸輪軸上的齒輪）帶動2（前輪軸）轉動，從而帶動3（凸輪）做周期性的旋轉。3（凸輪）推動4（轉向軸的擺桿）做周期性的前后往復擺動帶動前輪左右擺動，控制小車做周期性的轉身，避障行走。此方案的優(yōu)點在于：能夠極大的簡化機構，使得傳動效率較高，運動傳遞的可靠性及穩(wěn)定性較好。3.3 計算小車的傳動比小車的行走軌跡如下圖3.2所示，小車中心與障礙物中心的中心距設計值為225mm。則該行走軌跡的函數(shù)表達式為在一個周期內，益智循跡機械小車各機構所要完成的任務是：凸輪旋轉一周、小車要行走一個周期的距離、避開兩個障礙物。為了讓小車內部的傳動機構協(xié)調工作，就要求得到精確地數(shù)據(jù)。下面對小車進行設計計算：1）益智循跡機械小車行走一個周期的路程計算 根據(jù)軌跡表達式，借助matlab求該函數(shù)在一個周期內的弧長，求得弧長為LS =2230.274mm。2）對后輪半徑進行計算 小車的行走阻力不僅和地面有關，而且也和輪子的材料、大小等因素有關。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關系為 對于相同的材料為一定值。而滾動摩擦阻力 所以輪子越大小車受到的阻力越小，在行走的過程中能量損失越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。 由于小車是在行走的過程中自動完成避障行走的，這就要求其轉向機構和行走機構之間存在著精確的傳動比。換句話說就是，后輪行走多少圈完成一個周期的軌跡，轉向機構完成一次轉向。為此必須選擇合適的傳動比，下面根據(jù)一個周期軌跡長度對小車后輪半徑進行試計算。 假設后輪轉一周，走一個周期，前輪完成一次轉向，則后輪半徑為355mm 假設后輪轉一周，走兩個周期，前輪完成一次轉向，則后輪半徑為177.569mm 假設后輪轉一周，走一個周期，前輪完成一次轉向，則后輪半徑為118.38mm 假設后輪轉一周，走一個周期，前輪完成一次轉向，則后輪半徑為88.78mm 雖然R越大，其滾動阻力系數(shù)越小。但是半徑過大不僅增加了小車的重量，而且也增加了車子的結構尺寸，使小車在行走的過程中，行走笨拙，避障性能不好。鑒于以上因素，選擇半徑R=88.78mm進行小車的設計計算。這要求后輪轉動4周，轉向機構完成一次周期性的擺動，小車實現(xiàn)一次轉身。這就確定小車后輪和轉向機構之間的傳動比為i2=4 主動軸與后輪軸的傳動比選擇論證，由于小車在行走的過程中受力不大，同時為了保證較高的效率（多級傳動不易保證裝配精度，降低傳動效率），采用一級直齒圓柱齒輪進行傳動。傳動比選擇i1=6進行試計算。3.4 小車行走路程估算設小車內部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。設小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，假如小車的驅動力能使小車在硬質地面上行走。根據(jù)公式（31）有前面章節(jié)的討論知道R=88.7mm初步估算小車的質量m=2kg小車內部傳動效率假設為1根據(jù)畢業(yè)設計的命題，便于設計，假設小車在兩種不同的地面上進行調試，一種是光滑的石板地面，一種是粗糙的水泥地面。情況一：在石板地面上行走，通過查閱資料知道鋁合金和石板之間的滾動摩擦阻力系數(shù)為0.25。通過能量耗散公式初步估計小車的行走路程S = 70 m情況二：在粗糙水泥地面上行走，在網(wǎng)上查得，小車在粗糙水泥地面上行走時和地面之間的滾動摩擦阻力系數(shù)為11.5，取=1.2。通過能量耗散公式初步估計小車的行走路程S = 14.6 m依據(jù)此數(shù)據(jù)進行相關的設計計算。3.5 齒輪的設計與強度校核 3.5.1第一對齒輪的分析設計益智循跡機械小車的驅動及轉向原理圖如圖3.1，已知條件：6，后輪旋轉四周，轉向機構完成一個周期性的擺動，小車實現(xiàn)一次轉身。驅動力為發(fā)條通過拉線繞在主動軸的線輪上帶動主動軸旋轉，通過齒輪的嚙合帶動7（后輪軸）及2（前輪軸）旋轉，從而帶動行走機構與轉向機構的協(xié)調動作實現(xiàn)避障行走。設計要求：按照小車每天工作4h，每年工作300天，工作壽命為15年。根據(jù)以上要求對齒輪進行相關的計算。齒輪的相關計算 1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)1） 按照圖示傳動原理，選擇直齒圓柱齒輪傳動。2） 益智循跡機械小車的運行速度不高，故選用7級精度（GB1009588）。3） 材料選擇。由機械設計教材表101選擇小齒輪材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質）硬度為240HBS，二者材料的硬度差為40HBS4） 選擇小齒輪齒數(shù)Z1 = 20，大齒輪齒數(shù)Z2 = 620 =1202. 按齒面接觸強度設計由機械設計教材設計計算公式（109a）進行試算，即d1t 2.32（1） 確定公式內的各計算數(shù)值1） 試選載荷系數(shù)Kt = 1.32） 計算小齒輪傳遞的扭矩要確定扭矩的大小，就要確定小車在正常運行的過程中所需要驅動線輪的大小，根據(jù)公式T=FR 即可求出力矩。計算步驟如下：根據(jù)小車行走的路程及傳動比計算小車主動軸線輪的半徑，I1=6。小車在一次行走的過程中一共完成了N個周期，則 其中：S是小車行走的路程 Ls是小車完成一個周期所要走過的路程主動軸所要轉動的N1周，根據(jù)后輪軸和主動軸之間的傳動比， 則小車主動軸上線輪的半徑其中：H是發(fā)條最大繞線長度由前面的章節(jié)計算知Smax = 70m、Smin = 14.6m有前面的計算步驟可以算的Rmax = 13mm、Rmin = 5.46mm進而算的 為了保證小車工作性能可靠，采用進行計算3） 由機械設計教材中的表107選取齒寬系數(shù)4） 由機械設計教材中的表106查得材料的彈性影響5） 由機械設計教材中的表1021d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限。6） 由機械設計教材中的表1013計算應力循環(huán)次數(shù)。為了讓小車運行更加平穩(wěn)，設計的過程中讓小車緩慢勻速前進，設計速度V = 0.5ms由此可知小齒輪的轉速 =54 rmin7） 由機械設計教材中的表1019取接觸疲勞壽;8） 計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為1%,安全系數(shù)S = 1，由機械設計教材中的式（1012）得(2) 計算1） 試算小齒輪分度圓直徑，帶入中的較小值。 d1t 2.32 = 2.32 = 6.47mm2） 計算圓周速度V。3） 計算齒寬b。mm4） 計算齒寬與齒高之比。模數(shù) mm齒高 mm齒寬與齒高之比 = 5)計算載荷系數(shù)。 根據(jù)v = 0.034，7級精度，由機械設計教材中的圖108查得動載荷系數(shù)； 直齒輪，； 由機械設計教材中的表102查得使用系數(shù)； 由機械設計教材中的表104用差值法查得7級精度、小齒輪相對支撐非對稱布置時， 由=8.889，由機械設計教材中的圖1013查得 ；故載荷系數(shù) 6)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由機械設計教材中的式（10-10a）得 =6.682 7)計算模數(shù)3按齒根彎曲強度設計 由機械設計教材式（10-5）得彎曲強度的設計公式為 (1)確定公式內的各計算數(shù)值 1）由機械設計教材圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲強度極限； 2）由機械設計教材圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)，； 3）計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由機械設計教材式（10-12）得 4）計算載荷系數(shù)K。 5） 查取齒形系數(shù)。 由機械設計教材表10-5查得 ；。6） 查取應力校正系數(shù)。由機械設計教材表10-5查得 ；。7） 計算大、小齒輪的并加以比較。 大齒輪的數(shù)值大。（2） 設計計算 mm=0.23mm 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)0.23就能滿足強度要求。但從加工、裝配其它零件的尺寸考慮，選取模數(shù)m=0.5mm，齒數(shù)為20。大齒輪齒數(shù) 該對齒輪既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。4.幾何尺寸計算 （1）計算分度圓直徑 （2）計算中心距 （3） 計算齒輪寬度 為了便于加工及裝配的方便，取3.5.2第二對齒輪的分析設計 第二對齒輪算傳遞的力僅僅有凸輪回復力及地面與小車前輪之間的摩擦力產(chǎn)生的，受力遠小于主動軸齒輪和后輪軸齒輪之間所傳遞的扭矩，因此按照上面的受力關系計算出的齒輪模數(shù)能滿足該對齒輪傳遞力的要求。根據(jù)后輪轉四周，轉向機構完成一次周期性的擺動，小車完成一個周期的避障行走的要求?？梢郧蟮眯≤嚨牧硪粋€齒輪的齒數(shù) 幾何尺寸的計算 1）計算分度圓的直徑 mm 2）計算凸輪軸和主動軸之間的中心距 3）齒寬 為了讓兩對齒輪更好的嚙合，選擇=5mm 3.6 凸輪的設計計算圖3.4 轉向機構1. 轉向原理說明 擺桿在凸輪的作用下，做周期性的前后往復擺動帶動前輪左右擺動，控制小車做周期性的轉身，避障行走。2. 益智循跡機械小車的凸輪設計要求 凸輪屬于益智循跡機械小車的轉向機構中的重要零件，控制著小車的行走軌跡，其精度的高低直接影響到小車的避障性能。因此，凸輪的設計要具有可行性，在現(xiàn)有的加工條件下要能滿足小車對控制部分的精度要求。3. 凸輪設計步驟簡介 根據(jù)畢業(yè)設計命題對小車避障性能的要求，建立小車行走軌跡的數(shù)學模型；假設小車前輪支點和小車后輪支點之間的距離無限小，如果要實現(xiàn)小車避障行走的軌跡，則只需任意一個時刻小車前輪平面與x軸夾角等于行走軌跡該點切線與x軸的夾角，因此，要計算出前輪任意一個時刻與x軸之間的夾角；前輪轉向角是由凸輪控制的，因此要建立前輪轉向角和凸輪轉角之間的關系；由于實際上小車前輪支點與后輪支點有一定的距離，因此要根據(jù)兩軸之間的中心距，對小車前輪轉角進行修正。4. 相關的計算 圖3.5 小車行走軌跡1）建立行走軌跡數(shù)學模型 根據(jù)畢業(yè)設計的命題要求，建立小車行走軌跡的數(shù)學模型，綜合考慮考慮小車的避障性能，小車的行走軌跡按照余弦函數(shù)計算。該函數(shù)的表達式為 2）求出(1)式與x軸任意一點處的斜率 yy= 3）切線與x軸任意時刻的夾角 =y 4) 建立前輪轉角和凸輪轉角之間的關系圖3.6 凸輪與前輪轉角示意圖凸輪任意時刻的轉角用凸輪任意時刻的轉角表示小車任意時刻的軌跡x 將代入，建立與的關系 3. 求取凸輪的輪廓曲線 采用擺動從動件凸輪機構圖3.7 擺動從動件凸輪機構 對進行賦值，得出x,y的坐標值得出x、y坐標值，但是得出的x、y坐標值并不是凸輪輪廓曲線上的坐標值。這是因為在建立與之間的關系，實際上是建立的凸輪轉角與行走軌跡線任意時刻與x軸之間的夾角，雖然兩者之間對應的變化規(guī)律符合行走軌跡切線斜率的變化，由于小車前輪支撐點和后輪支撐點的距離并不是無限小的，因此前輪轉角明顯比實際需要的轉角大。要想得到最佳的行走軌跡路線，就要對前輪轉角進行修正。修正方法如下：修正系數(shù)的大小要根據(jù)小車前輪支點和后輪支點之間的垂直距離決定的，因此要首先確定，兩點之間的距離=132mm其中：是主動軸與后輪軸之間的中心距離 是主動軸與凸輪軸之間的距離 是凸輪的基圓半徑大小，試選擇基圓半徑為20mm很容易求出小車行走軌跡線與x軸之間的最大夾角，現(xiàn)在要求出修正比例系數(shù)，就要求出在實際行走過程中小車前輪轉角與小車車身對稱線之間的最大夾角，后者比上前者就是修正系數(shù)。1）計算小車前輪轉角與小車車身對稱線之間的最大夾角小車行走軌跡函數(shù) 小車任意一點處軌跡的斜率y=小車轉角在何處變化最快，就要對y再求導y根據(jù)y可以看出，當x = 1000n時。y取得最大值，此時小車行走軌跡切線與x軸的變化率最大。圖3.8 前輪轉角變化最快處示意圖由前面的計算知道 前輪和x軸之間的轉角公式 將帶入得將帶入得小車前輪轉角與小車車身對稱線之間的最大夾角=-=12.752）計算前輪轉角和x軸之間的最大轉角 令 則 = 由此，可以看出隨著x的增大而增大。很容易看出當時，x取得最大值。將帶入公式算的修正系數(shù) 6.計算凸輪輪廓任意點距離凸輪回轉中心的距離R圖3.9 凸輪輪廓凸輪輪廓任意點處的半徑R修正輪廓曲線x、y坐標值 將擺動從動件凸輪機構作如下的變形完成轉向控制圖3.10 轉向機構示意圖其中：是切線與x軸任意時刻的夾角 取 其中：是前輪轉角修正系數(shù)。凸輪輪廓上的點任意時刻到回轉中心的距離R對進行賦值，求出R值，根據(jù)其對應關系，輸入CAXA線切割軟件，生成加工軌跡及代碼。在加工完成后，采用細砂紙打磨輪廓表面，降低和擺動從動件之間的摩擦力。3.7 軸的強度校核3.7.1 驅動軸的強度校核圖3.11 主動軸已知:由前面的章節(jié)知道，該軸傳遞的最大的力矩，齒輪為直齒圓柱齒輪。軸的材料為45鋼，經(jīng)調質處理。由于傳遞的力矩不大，齒輪、線輪采用緊固螺釘固定，軸和軸承支座之間采用套筒定位。軸的直徑d=6mm。 （1）做出軸的計算簡圖（即力學模型）圖3.12 主動軸力學模型在H平面內對該軸進行受力分析1)在H平面受力簡化成如下圖所示圖3.13 H平面內受力 計算齒輪的切向力 根據(jù)得到計算式 根據(jù)H平面上的合力 得到 聯(lián)立、式得 在H平面上的剪力圖，和彎矩圖如下：圖3.14 H平面內剪力和彎矩圖2）在V平面上受力簡化成如下圖所示圖3.15 V平面內受力圖齒輪的徑向力 對A點的彎矩 在V平面上的合力 有、得， 該軸在1處的彎矩 該軸在1處的彎矩 在V平面上的剪力圖，和彎矩圖如下：圖3.16 v平面內剪力及彎矩圖該主動軸上所受的總彎矩的計算1處的彎矩大小計算2處的彎矩計算該主動軸上的和彎矩圖如下圖3.17 合成彎矩圖該軸所受的扭矩圖如下圖3.18 扭矩圖按彎矩、扭矩合成應力校核該軸的強度進行校核時，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面2處。扭轉切應力為脈動循環(huán)應力，取= 0.6，軸的計算應力故該軸是安全的。3.7.2 后輪軸的強度校核 圖3.19 后輪已知：小車質量為2kg（帶發(fā)條的情況下），g=10kg/s。（1） 做出軸的計算簡圖（即力學模型）圖3.20 后輪軸力學模型在H平面內對該軸進行受力分析1) 在v平面受力簡化成如下圖所示 圖3.21 V平面受力示意圖 在V平面上后輪軸的分析計算 有前面的分析計算可以知道，估計車的質量為2kg，則 小車行走過程中，后輪所受的阻力計算：小車的行走距離與阻力成反比，對小車后輪軸強度校核的過程中采用較大的力進行校核。根據(jù)能量守恒原理，得到如下方程式： 其中：f是小車在行走的過程中所受到的阻力 h是中午下落的高度 由此，可以計算出小車在行走過程中所受到的阻力 F = 0.274N 求解未知力及彎矩 根據(jù)在V平面內所有的合力,得到如下關系式 根據(jù)在V平面內所有的合力矩,得到如下關系式 由、得 該軸在V平面上所受的剪力圖及彎矩圖如下圖3.22 V平面剪力及彎矩圖 2）在H平面內后輪軸的受力分析由于小車要實現(xiàn)轉向的性能，因此小車在行走的過程中后輪要實現(xiàn)差速運動。差速器結構比較大，安裝不反方便，且比較重。益智循跡機械小車的驅動能量有限，盡量減少整車的重量。為此，采取的方法是在后輪中個安裝一個超越離合器，以實現(xiàn)差速運動。超越離合器是單向旋轉，這就說明小車在行走的過程中，后輪是交替作為驅動輪的（即小車向左轉彎時，左輪為驅動輪，右輪為從動輪。小車向右轉動時，右輪為主動輪，左輪為從動輪)。下面分兩種情況，進行分析討論(1) 情況一：小車向左轉彎時，左輪為驅動輪，右輪為從動輪由前面的計算知道小車的行走阻力，小車克服阻力行走，要求后輪軸要克服阻力。此時： 在H平面受力簡化成如下圖所示圖3.23 H平面受力示意圖 求解未知力及彎矩 根據(jù)在H平面內所有的合力,得到如下關系式 根據(jù)在H平面內所有的合力矩,得到如下關系式 由、得 該軸在H平面上所受的剪力圖及彎矩圖如下圖3.24 圖3.24 H平面剪力及彎矩圖（2）情況二：小車向右轉動時，右輪為主動輪，左輪為從動輪 由前面的計算知道小車的行走阻力，小車克服阻力行走，要求后輪軸要克服阻力。此時： 在H平面受力簡化成如下圖所示圖3.25 H平面受力示意圖 求解未知力及彎矩 根據(jù)在H平面內所有的合力,得到如下關系式 根據(jù)在H平面內所有的合力矩,得到如下關系式 由、得 該軸在H平面上所受的剪力圖及彎矩圖如下 圖3.26 H平面剪力及彎矩圖 第一種情況下，該軸所受的總彎矩： 代入相關數(shù)值，計算得 扭矩及彎矩圖如下 圖3.27 扭矩及彎矩圖按彎矩、扭矩合成應力校核該軸的強度進行校核時，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面2處。扭轉切應力為脈動循環(huán)應力，取= 0.6，軸的計算應力故該軸是安全的。第二種情況下，該軸所受的總彎矩： 代入相關數(shù)值，計算得 扭矩及彎矩圖如下 圖3.28 扭矩及彎矩圖按彎矩、扭矩合成應力校核該軸的強度進行校核時，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面2處。扭轉切應力為脈動循環(huán)應力，取= 0.6，軸的計算應力故該軸是安全的。第四章 益智循跡機械小車主要零件的加工4.1 小車的底板設計及加工 小車要求結構簡單輕便，目的是在有限的驅動能量的情況下，行走最遠。為此小車主題結構采用鋁合金材料。益智循跡機械小車底板的大致形狀為長方形，其長度由小車傳動部分及發(fā)條的尺寸決定，寬度不僅要考慮小車避障行走的穩(wěn)定性，還要考慮發(fā)條的尺寸、安裝支架的空間尺寸等。益智循跡機械小車底板的尺寸如下圖：圖4.2 車底板益智循跡機械小車底板的三維效果圖如下：圖4.1 車底板2. 益智循跡機械小車底板的加工方法 因為車底板是其他各零件的載體，其精度的高低將影響益智循跡機械小車的避障性能，可以說具有決定性的作用。益智循跡機械小車上的其他零件都是以底板上的各個孔作為定位的，因此在加工底板的時候不僅要保證各孔的尺寸精度，還要保證其位置精度。所以，材料的選擇及加工方法的選擇顯得很重要。1）機床選擇 根據(jù)本次加工零件尺寸精度和表面質量的要求，并考慮到經(jīng)濟和效率的問題，我們選用快走絲線切割機床對零件進行線切割加工。該設備是蘇州金馬生產(chǎn)的快走絲線切割機床。 2）工件材料的選擇 由于益智循跡機械小車受力較小，在有限的能量下，為了讓車子完成遠路程的避障行走，選擇比重較輕的材料。根據(jù)受力、工作環(huán)境等各方面的因素，經(jīng)過綜合分析確定益智循跡機械小車設計的底板材料選用的是4mm厚的鋁合金板料。 3）電極絲的選擇 電極絲的選擇 我國快走絲機床常用的電極絲是鉬絲，它的價格和質量都較好，所以 我們選用直徑為 0.18mm 的鉬絲。 4）確定加工電參量 根據(jù)快走絲機床的使用說明書，表4-1 提供了切割鋁合金的電參量。 表 4-1 切割鋁合金的電參量 5) 在線切割XP軟件中繪制益智循跡機械小車底板 在保證小車底板性能的前提下，為了減少勞動量、機加工時間、降低成本，對小車加工方案作了如下改進。該方案的優(yōu)點不必要提前打很多穿絲孔，是減少穿絲次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。簡化后的加工方案圖如下圖4.3 車底板加工方案圖6）底板加工軌跡的生成及仿真 生成快走絲機床的加工軌跡 ，軌跡生成是在已經(jīng)構造好輪廓的基礎上，結合線切割加工工藝，給出確定的加工方法和加工條件，由計算機自動計算出加工軌跡的過程。 加工參數(shù)設置 在繪制好的益智循跡機械小車底板的基礎上，單擊主菜單：線切割 軌跡生成，系統(tǒng)彈出【線切割軌跡生成參數(shù)表】對話框,并輸入相應的切割參數(shù)：垂直切入、分四次切割、加工軌跡自動補償、圓弧過度、圓弧擬合。然 后單擊“偏移量/補償值” ，系統(tǒng)彈出偏移量/補償值對話框，并分別輸入對應加工次序的偏移量，這里值得注意的是偏移量和加工次序的對應關系，最后點擊確定。圖4.4加工參數(shù)設置拾取輪廓 完成上一步加工參數(shù)設置后，系統(tǒng)在界面左下角提示拾取輪廓，單擊底板上某一點（切入點） ，這一點可以自己定，但最好定在便于切入的地方，我們現(xiàn)在把這一點定在拐角處的某一確定點，此時在切入點會出現(xiàn)一對反向的箭頭。如下圖所示。圖4.5 拾取輪廓選擇切割及補償方向。 用鼠標左擊箭頭，確定切割方向，切割方向確定后，在輪廓法線方向上出現(xiàn)一對反向的箭頭，要求選擇補償方向，選擇外側輪廓外側的箭頭作為補償方向，輸入穿絲點坐標，按回車。右擊鼠標，使穿絲點與回退點重合，完成益智循跡機械小車底板加工軌跡的生成。 圖4.6選擇切割及補償方向生成完整的加工軌跡 由于要加工內部獨立的型腔，在上面也生成過兩次軌跡，如何把兩次生成的軌跡在幾次裝夾中完成加工呢，這就要用到跳步。單擊主菜單：線切割 軌跡跳步，先點擊型腔的軌跡，后點擊外輪廓軌跡，建立兩次生成的軌跡在機床上的坐標關系。完成軌跡的生成。如下圖圖4.7加工軌跡 生成加工代碼 單擊主菜單：線切割生成3B代碼（B）。完成代碼的生成，傳到機床上，即可完成工件的加工。 3B代碼的校核 單擊主菜單：線切割校核3B代碼（J），校核軌跡如下圖 圖4.8代碼校核圖 軌跡仿真 單擊主菜單：線切割軌跡仿真（S）。如下圖 圖4.9軌跡仿真圖4.2 車輪的設計與加工1. 車輪的三維圖圖4.10 車輪三維圖益智循跡機械小車車輪的尺寸如下圖圖4.11益智循跡機械小車車輪2. 益智循跡機械小車車輪的加工方法 車輪是小車的行走機構中的重要部件，其回轉精度的高低將影響益智循跡機械小車行走的穩(wěn)定性，對小車行走過程中所產(chǎn)生的震動，具有決定性的作用。因此車輪上的各個孔決定其回轉精度的高低，因此在加各孔的時候不僅要保證各孔的尺寸精度，還要保證其位置精度。所以，材料的選擇及加工方法的選擇顯得很重要。1）機床選擇 根據(jù)本次加工零件尺寸精度和位置精度的要求， 并考慮到經(jīng)濟和效率的 問題，我們選用快走絲線切割機床對零件進行線切割加工。該設備是蘇州金馬生產(chǎn)的快走絲線切割機床。 2）工件材料的選擇 由于益智循跡機械小車受力較小，在有限的能量下，為了讓車子完成遠路程的避障行走，選擇比重較輕的材料。根據(jù)受力、工作環(huán)境等各方面的因素，經(jīng)過綜合分析確定益智循跡機械小車設計的車輪材料選用的是4mm厚的鋁合金板料。 3）電極絲的選擇 電極絲的選擇我國快走絲機床常用的電極絲是鉬絲，它的價格和質量都較好，所以我們選用直徑為 0.18mm的鉬絲。 4）確定加工電參量 根據(jù)快走絲機床的使用說明書，表 4-1 提供的切割鋁合金的電參量，進行相關設置。 5) 在線切割XP軟件中繪制益智循跡機械小車車輪 在保證小車底板性能的前提下，為了減少勞動量、機加工時間、降低成本，對小車加工方案作了如下改進。該方案的優(yōu)點不必要提前打很多穿絲孔，是減少穿絲次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。簡化后的加工方案圖如下圖4.12益智循跡機械小車車輪加工方案圖6）車輪加工軌跡的生成及仿真 生成快走絲機床的加工軌跡 ，軌跡生成是在已經(jīng)構造好輪廓的基礎上，結合線切割加工工藝，給出確定的加工方法和加工條件，由計算機自動計算出加工軌跡的過程。 加工參數(shù)設置 在繪制好的益智循跡機械小車底板的基礎上，單擊主菜單：線切割 軌跡生成，系統(tǒng)彈出【線切割軌跡生成參數(shù)表】對話框,并輸入相應的切割參數(shù)：垂直切入、分四次切割、加工軌跡自動補償、圓弧過度、圓弧擬合。然 后單擊“偏移量/補償值” ，系統(tǒng)彈出偏移量/補償值對話框，并分別輸入對應加工次序的偏移量，這里值得注意的是偏移量和加工次序的對應關系，最后點擊確定。圖4.13加工參數(shù)設置拾取輪廓 完成上一步加工參數(shù)設置后，系統(tǒng)在界面左下角提示拾取輪廓，單擊底板上某一點（切入點） ，這一點可以自己定，但最好定在便于切入的地方，我們現(xiàn)在把這一點定在拐角處的某一確定點，此時在切入點會出現(xiàn)一對反向的箭頭。如下圖所示。圖4.14拾取輪廓選擇切割及補償方向。 用鼠標左擊箭頭，確定切割方向，切割方向確定后，在輪廓法線方向上出現(xiàn)一對反向的箭頭，要求選擇補償方向，選擇外側輪廓外側的箭頭作為補償方向，輸入穿絲點坐標，按回車。右擊鼠標，使穿絲點與回退點重合，完成益智循跡機械小車底板加工軌跡的生成。 圖4.15選擇切割及補償方向生成完整的加工軌跡由于要加工內部獨立的型腔，在上面也生成過兩次軌跡，如何把兩次生成的軌跡在幾次裝夾中完成加工呢，這就要用到跳步。單擊主菜單：線切割 軌跡跳步，先點擊型腔的軌跡，后點擊外輪廓軌跡，建立五次生成的軌跡在機床上的坐標關系。完成軌跡的生成。如下圖圖4.16加工軌跡生成加工代碼 單擊主菜單：線切割生成3B代碼（B）。完成代碼的生成，傳到機床上，即可完成工件的加工。 3B代碼的校核 單擊主菜單：線切割校核3B代碼（J），校核軌跡如下圖 圖4.17代碼校核 軌跡仿真 單擊主菜單：線切割軌跡仿真（S）。如下圖 圖4.18 軌跡仿真4.3 軸承支座的設計加工軸承支座的三維圖圖4.19 軸承支座軸承支座精度的高低，直接影響到各傳動軸之間的平行度。為了保證齒輪之間精確的嚙合。就要保證各面之間的位置關系。各孔的尺寸精度及位置精度。加工方法1） 材料選擇，軸承支座承受著齒輪之間的嚙合力及小車的重量。為了保證小車按照預定的軌跡避障行走，就要求軸承支