S型無碳小車的設計【帶SolidWorks三維】【13張CAD圖紙+畢業(yè)論文】
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S型無碳小車裝配圖.DWG
上盤.DWG
前叉1.DWG
后輪右.DWG
大齒輪軸.DWG
小齒輪軸.DWG
底板.DWG
曲柄輪.DWG
滑盤支架.DWG
滑輪軸.DWG
繞線輪1.DWG
轉臂.DWG
連桿.DWG
無碳小車的設計與實現(xiàn)
摘 要
本文圍繞無碳小車的設計，以全國大學生工程訓練綜合能力競賽的競賽命題為核心，系統(tǒng)地說明了符合比賽要求的無碳小車從設計構思到參數(shù)計算以及最后的加工裝配的設計思路和步驟。主要介紹了無碳小車的機械機構構成、技術參數(shù)、零件機械加工工藝、小車零部件的加工方式與加工裝配。
無碳小車主要由車體、驅動機構、傳動機構、轉向機構和微調機構六個機械結構組成，其中轉向機構為無碳小車實現(xiàn)行駛S型軌跡的機構，是無碳小車核心機構。該小車的轉向機構根據正弦機構的原理，在正弦機構的基礎上優(yōu)化和修改而來。而微調機構則是用于調整轉向機構的周期，使小車的行駛軌跡能夠根據實際需要而改變。轉向機構和微調機構的設計是無碳小車設計最為重要的一部分，是實現(xiàn)競賽命題的要求的核心機構。
在小車加工調試完成后，經過驗證小車的設計與制造符合競賽命題的性能要求。通過這次設計，增強了我們的綜合能力，并真正能把所學知識真正用在工作和生活中。
關鍵詞:無碳小車；正弦機構；單輪驅動；機械加工
Design and Implementation of carbon-free Vehicle
Abstract
This paper focuses on design of carbon-free vehicle, contest of the national competition for engineering training college students comprehensive ability as the core system that meets the game requirements, parameter calculation and carbon-free vehicle from design concept to final design idea and steps of processing and assembling. Introduces carbon-free vehicle for mechanical structure, technical parameters and machining of parts, car parts and processing method and processing and Assembly.
Carbon-free vehicle is mainly driven by the body, body, transmission, steering gear, trimmer bodies consists of six mechanical structure, including steering mechanism for carbon-free car bodies to achieve s-bend, that is carbon-neutral core trolley Agency. The car's steering mechanism based on the principle of sine mechanism, in sine mechanism based on optimization and modification. And fine-tuning is used to adjust the steering mechanism of the period, the car of course can change according to the actual need. Steering mechanisms and fine-tuning mechanism is designed to be carbon-free car design is the most important part of is the core institutions meet the contest requirements.
Processing in the car after debugging is complete, proven performance of car design and manufacture meet the contest requirements. Through this design enhances our overall ability and really can really use what they have learned in work and in life.
Key words: carbon-free vehicle; sine mechanism; Single-wheel driving; machining
目 錄
1 緒 論 4
1.1 無碳小車越障競賽命題要求 4
1.2 無碳小車越障競賽環(huán)境 4
1.3 設計和加工思路 5
1.4 本設計的意義 5
2 機械結構設計 7
2.1 車體 7
2.2 原動機構 9
2.3 傳動機構 9
2.4 轉向機構 10
3 技術設計 13
3.1小車齒輪齒數(shù)比的計算 13
3.2運動學模型 14
3.3后輪半徑與繞線輪半徑計算 15
3.4標準件及其材料件列表 15
3.5確定非標準件的零件尺寸 16
3.6小車整體裝配效果圖 17
4小車的加工裝配以及調試 18
4.1需要自行加工的零件及加工方法 18
4.1.1使用亞克力板作為加工原材料的工件 18
4.1.2使用鋁合金作為加工原材料的工件 19
4.1.2使用45號鋼作為加工原材料的工件 19
4.2 小車的裝配 19
4.3 小車的調試 20
5 結果評價分析 22
5.1 小車設計結果 22
5.2 小車設計方案的優(yōu)缺點 22
5.3 改進方向 23
參考文獻 24
附錄 1 小車數(shù)學模型方程 25
1 緒 論
當今社會人類活動對自然的污染越加嚴重，尋求清潔能源的行動勢在必行。無碳車的概念開始應運而生。無碳車是一種十分環(huán)保的短途代步工具，具有節(jié)能、經濟、環(huán)保的特點。無碳車的應用和推廣對保護環(huán)境和人類的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。全國大學生工程訓練綜合能力競賽響應了綠色無碳的社會潮流，提出了無碳小車越障競賽命題要求，而我們通過設計無碳小車模型，希望可以為無碳小車越障競賽命題提供一種將重力勢能轉換為機械能的新思路。
1.1 無碳小車越障競賽命題要求
以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車作為要求，設計一種小車，由給定重力勢能作為能量來源，通過能量轉換驅動其行走及轉向。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一使用質量為1Kg的重塊（R25×65 mm，普通碳鋼）作垂直下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下期間，必須由小車承載并與小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意簡圖。
設計要求：
（1）要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，不可使用任何其他的能量來源。
（2）要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。
（3）要求小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。
1.2 無碳小車越障競賽環(huán)境
競賽場地有兩個，主場地一作為車賽場地，占地2300平米，場地地面為國際室內球類競賽用標準復合木地板；主場地二作為加工制作裝調競賽場地，配有普車、普銑、數(shù)車、數(shù)銑和快速成型等比賽用機床，配有鉗工工作臺和鉆床等設施設備。加工競賽需要的通用工卡量具由參賽隊自帶。
1.3 設計和加工思路
5 結果評價分析
分析無碳小車的設計與實現(xiàn)的成品，將小車的實際性能與理論性能作對比，并以此來尋找在小車的設計和制作過程中的由于設計或加工等問題導致的缺陷和問題，并通過分析小車成品的缺陷和問題，改進小車的設計和制造。
5.1 小車設計結果
在經過對小車的設計優(yōu)化、加工裝配和微調總結后，最終設計并實現(xiàn)能夠實現(xiàn)競賽命題并達到預期性能需求的無碳小車。該無碳小車可以能依靠所給定重力勢能，能夠自動啟動前行，并在行駛的過程中自動行駛出S型軌跡，且在實現(xiàn)平穩(wěn)行駛，可以調節(jié)轉彎半徑和周期。
5.2 小車設計方案的優(yōu)缺點
小車設計方案的優(yōu)點：
（1） 小車的轉向機構與驅動機構結構簡便高效，零件的幾何關系簡潔明了，易于計算和仿真。
（2） 車身使用亞克力板為原理制作，使得小車車身更加輕巧，使用齒輪和帶輪傳動，能量傳遞效率高且能力損失少。
（3） 采用單輪驅動，不需要安裝差速器，減少小車整體的質量和成本，同時具有較大的驅動輪，使小車行駛時效率比較高、能量損失小，能夠在比較粗糙地面行駛并行走更遠的距離。
（4） 微調機構和轉向機構利用了正弦機構的原理，可以減少誤差并能通過調整微調機構參數(shù)，來實現(xiàn)糾正小車的行駛軌跡，并調節(jié)小車的行駛的周期和半徑，有利于小車適應轉彎繞障和避開障礙物。
（5） 通過對機構設計的調整，使小車零件對加工精度要求降低，減少小車的加工成本，并讓小車更加易于修改、加工、安裝及微調。
（6） 由于用于制作小車的原材料價格比較低且小車的加工成本不高，可以讓小車整體造價保持一個比較低的水平，可以在確保小車的性能達到要求的同時控制小車的成本。
小車設計方案的缺點：
（1） 由于在設計時，沒有考慮到理論和實際的區(qū)別，缺少設計經驗，讓小車理論性能和實際性能有出入。
（2） 小車的加工受到成本、時間、加工技術和加工范圍的限制，導致小車的整體加工精度不高，出現(xiàn)了許多不該出現(xiàn)的加工誤差。
（3） 在不同的地面測試時，小車所行駛的距離波動比較大，微調機構微調滑塊位置很難把握準確，難以根據不同類型的地面進行合適的微調，而且微調時比較繁瑣和耗時。
（4） 小車的微調機構和轉向機構的轉動平面垂直于地面，在工作時會受到重力加速度的影響，使得機構工作時精準度收到影響。
（5） 對各種機構認識還不夠全面和透徹，無法根據實際需要設計出性能更好且足夠簡便的機構。
5.3 改進方向
（1） 加工精度和裝配精度是碳小車改進的一個大方向之一。如果能夠找到更加合適的加工工藝可以提高小車零件的加工精度并減少后期的調試工作，也可以讓小車現(xiàn)實得到更好的運動效果，同時控制小車的成本。
（2） 設計性能更加良好的轉向機構和微調機構，用于提高轉向機構的效率和穩(wěn)定性，同時提高微調機構的微調范圍，讓小車可以更大范圍的調節(jié)調節(jié)轉彎半徑和周期，提高小車在各種地面的適應能力。
（3） 修改微調機構和轉向機構，使其的轉動平面平行于地面，減少重力對微調機構和轉向機構工作時的影響。
（4） 在設計階段對小車進行更多的計算和仿真。通過更多的計算和仿真來選擇更好的設計方案和參數(shù)，令小車的理論性能得到提高。
（5） 改進機構的配合的合理性。通過使機構的配合更加合理，使小車更容易裝配并提高小車零件裝配時裝配精度。
參考文獻
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畢業(yè)設計 (論文 ) 無碳小車的設計與實現(xiàn) 教學單位：機電工程學院 專業(yè)名稱：機械設計制造及其自動化 學 號： 學生姓名 : 指導教師 : 指導單位：機電工程學院 完成時間： 2016 年 3 月 20 日 ＸＸＸＸ學院教務處制發(fā) 無碳小車的設計與實現(xiàn) 摘 要 本文圍繞無碳小車的設計，以全國大學生工程訓練綜合能力競賽的競賽命題為核心，系統(tǒng)地說明了符合比賽要求的無碳小車從設計構思到參數(shù)計算以及最后的加工裝配的設計思路和步驟。主要介紹了無碳小車的機械機構構成、技術參數(shù)、零 件機械加工工藝、小車零部件的加工方式與加工裝配。 無碳小車主要由 車體 、驅動機構、 傳動機構 、 轉向機構 和微調機構六個機械結構組成，其中 轉向機構 為無碳小車實現(xiàn)行駛 無碳小車核心機構。該小車的 轉向機構 根據正弦機構的原理，在正弦機構的基礎上優(yōu)化和修改而來。而微調機構則是用于調整轉向機構的周期，使小車的行駛軌跡能夠根據實際需要而改變。 轉向機構 和微調機構的設計是無碳小車設計最為重要的一部分，是實現(xiàn)競賽命題的要求的核心機構。 在小車加工調試完成后，經過驗證小車的設計與制造符合競賽命題的性能要求。通過這次設計，增強了我們的綜合能力，并真正能把所學知識真正用在工作和生活中。 關鍵詞 :無碳小車；正弦機構；單輪驅動；機械加工 of on of of as to of of is by of to is s on of in on is to of of to is to be is of is in is of in in 目 錄 1 緒 論 .................................................................. 4 碳小車越障競賽命題要求 .............................................. 4 碳小車越障競賽環(huán)境 .................................................. 4 計和加工思路 ........................................................ 5 設計的意義 .......................................................... 5 2 機械結構設計 ............................................................. 7 體 .................................................................. 7 動機構 .............................................................. 9 動機構 .............................................................. 9 向 機構 ............................................................. 10 3 技術設計 ................................................................ 13 車 齒輪齒數(shù) 比 的計算 ................................................. 13 動學模型 ........................................................... 14 輪 半徑與 繞線輪半徑計算 ............................................. 15 準件及其材料件列表 ................................................. 16 定非標準件 的 零件尺寸 ............................................... 16 車整體 裝配 效果 圖 ................................................... 17 4 小車的加工裝配以及調試 ................................................... 18 要自行加工的零件及加工方法 ......................................... 18 用亞克力板作為加工原材料的工件 ................................... 18 用鋁合金作為加工原材料的工件 ..................................... 19 用 45 號鋼作為加工原材料的工件 .................................... 19 車的裝配 ........................................................... 19 車的調試 ........................................................... 20 5 結果評價分析 ............................................................ 22 車設計結果 ......................................................... 22 車設計方案的優(yōu)缺點 ................................................. 22 進方向 ............................................................. 23 參考文獻 .................................................................. 24 附錄 1 小車數(shù)學模型 方程 ................................................... 25 1 緒 論 當今社會人類活動對自然的污染越加嚴重，尋求清潔能源的行動勢在必行。無碳車的概念開始應運而生。無碳車是一種十分環(huán)保的短途代步工具 ，具有節(jié)能、經濟、環(huán)保的特點。無碳車的應用和推廣對保護環(huán)境和人類的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。全國大學生工程訓練綜合能力競賽響應了綠色無碳的社會潮流，提出了無碳小車越障競賽命題要求，而我們通過設計無碳小車模型，希望可以為無碳小車越障競賽命題提供一種將重力勢能轉換為機械能的新思路。 碳小車越障競賽命題要求 以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車作為要求，設計一種小車，由給定重力勢能作為能量來源，通過能量轉換驅動其行走及轉向。給定重力勢能為 4焦耳（取g=10m/競賽時統(tǒng)一使用質量為 165 通碳鋼）作垂直下降來獲得，落差 400± 2塊落下期間，必須由小車承載并與小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖 1為小車示意簡圖。 圖 1碳小車示意簡圖 設計要求： （ 1）要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，不可使用任何其他的能量來源。 （ 2）要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。 （ 3）要求小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。 碳小車越障競賽環(huán) 境 競賽場地有兩個，主場地一作為車賽場地，占地 2300平米，場地地面為國際室內球 類競賽用標準復合木地板；主場地二作為加工制作裝調競賽場地，配有普車、普銑、數(shù)車、數(shù)銑和快速成型等比賽用機床，配有鉗工工作臺和鉆床等設施設備。加工競賽需要的通用工卡量具由參賽隊自帶。 計和加工思路 圖 1碳小車設計流程圖 設計的意義 本設計主要的工作有：機械結構設計、數(shù)學模型及參數(shù)確定、軟件仿真，加工工藝的設計，機械加工，裝配調試、實地測試。其中最 為重要的是小車機械結構設計中的轉向機構的設計，轉向機構是無碳小車的核心機構，只有設計好轉向機構，才能讓小車實現(xiàn)利用重力勢能實現(xiàn)轉向控制并可以進行微調， 并可以行使更遠的距離。 設計 開始 分析 競賽命題 明確 小車性能需求 提出 可行方案 確定方案 分析 Y N 初步設計 分析建模 初步確定參數(shù) 評價 選擇 材料 N Y 總體與 零件設計 機加工 裝配調試 改進 總結 Y N 完成 通過進行無碳的小車的設計，我們能夠在進行無碳小車的設計與實現(xiàn)的過程中加強自己的實踐能力、創(chuàng)新意識和合作精神，增加我們對本專業(yè)所學知識的理解和認識，提高我們的對機械設計方面的能力，讓自己更好鞏固和理解大學四年所學的知識，為我們在社會競爭中脫穎而出創(chuàng)造良好的條件。而設計的最終目標不僅 是滿足競賽命題要求 ， 更重要的是：結合我們所學習的知識，發(fā)揮 自己想象力， 設計并制作出一臺僅僅利用重力勢能作為驅動，利用正弦機構現(xiàn)實轉向控制和微調，可以行駛 2 機械結構設計 本部分主要是說明無碳小車的主要機構，以及該機構的設計思路和該機構的優(yōu)缺點。無碳小車的機械結構可以分為車體、 原動機構 、傳動 機構 、轉向機構、和 微調機構 共五個方面。其中，車體是小車全部零件的載體、 原動機構 為小車提供動力、傳動 機構 負責傳遞原動機構 提供的動力、轉向機構實現(xiàn)小車有規(guī)律的轉向、微調機構改變小車行駛軌跡的半徑和周期。 體 對車體結構的設計包括小車底盤，車輪，軸承座 等為小車提供安裝固定的機械結構的設計。車體結構作為為無碳小車的上的所有機構提供安裝固定的部件，需要具有良好的硬度和較好延展性，密度低，輕便，同時還要易于加工，在加工時不容易變形等特點。在對比了各種常見的材料的屬性后，初步選定使用鋁或亞力克作為車體結構的材料。 大多數(shù)常見的鋁合金都比較的輕便，而且加工容易，但是由于鋁合金價格比較高，所以選擇鋁合金作為小車的主體材料。而亞克力硬度較大，具有良好的耐沖擊性，而且易于加工，對加工精度要求沒有鋁高，而且價格便宜。亞克力是脆性比較大的，在較薄的情況下受到沖擊時容易折斷， 所以在設計的時候需要選擇好亞克力的厚度，確保部件不會因為受力過大而折斷。經過考慮，放棄了使用鋁合金作為車體結構的材料，而選擇了亞克力。 小車底盤占小車整體質量比重比較大，而且還承載著大部分的小車零件，需要具備較高的穩(wěn)定性和保持較輕的質量，所以在設計小車底盤的時候，將底盤部分不需要的面積刪減，同時部分鏤空，為轉向機構和微調機構留下活動空間。為提高底盤的抗沖擊能力，底盤前方外圍的角采用了倒圓角處理。 圖 2車底盤三維圖 小車一共有三個車輪，分別為后左輪，后右輪和前輪，三者的設計均不同，前輪為導向 輪，后右輪為從動輪，后左輪為驅動輪。小車的采用單輪驅動，后左輪是驅動輪直接與傳動軸相連安裝，且使用 字型的軸配合，確保不會空轉。后右輪則是從動輪則是需要安裝軸承，來保證始終保持從動，來實現(xiàn)單輪差速。前輪是導向輪，當正弦機構動作時，它使轉向輪按規(guī)定的角度擺動，從而保證小車在一定的周期內行走 圖 2車 正弦機構示意圖 為了減少小車的質量，從動輪和驅動輪都在保證性能的前提下，盡可能的減少體積，做了大面積的鏤空。 圖 2車 車 輪平面圖 動機構 原動機構實際上 是將重塊豎直下落的重力勢能轉化為機械能的機構，它的作用是為無碳小車提供所有的能量來源。同時原動機構需要滿足一些設計要求：（ 1）保持平衡，在重塊下落和小車轉向時，不會因為重物的慣性而失穩(wěn)或翻倒，（ 2）機構設計簡便，由于小車的空間不足，無法使用過于繁雜的機構，所以機構需要簡便牢固，能量轉換效率高。 為了兼顧效率、簡易與經濟，決定采用線輪結構。重塊上系有尼龍線，重塊在下落時，拉動尼龍線， 尼龍線通過 定 滑輪將動力傳遞到 安裝在主動軸上的 繞線軸上， 帶動主動軸旋轉，從而為小車提供動力來源。 圖 2動機構三維圖 在圖 ，原動機構的頂端為以亞克力為材料的圓形定滑輪支撐架，定滑輪支撐架上安裝有定滑輪，用于 傳遞 有重物下落所產生的 動力 。定滑輪支撐架下連接著是三根直徑為 6為 60根碳纖維棒安裝 在底部 支撐架上，用于支撐定滑輪固定架和重物，保證重物下落時，小車的穩(wěn)定，維持車體的平衡。由于原動機構的主要材料為亞克力和碳纖維棒，盡可以減少整個原動機構的質量，同時采用可線輪結構，使得原動機構的結構十分的簡潔，同時保證了原動機構運行時的穩(wěn)定性 。 動機構 傳動機構 的 作用 是 把動能 和運動傳遞到轉向機構和驅動 輪上 ，使 小車精確 地 行駛 在 設計的軌道 且 行走出最遠的軌跡 。所以 傳動機構必需傳動效率高、傳動穩(wěn)定、機構簡單重量輕 等 。 圖 2動機構三維圖 常見的簡單機械傳動方式有：摩擦傳動、鏈條傳動、齒輪傳動、皮帶傳動和蝸桿蝸輪傳動等等。由于摩擦傳動效率低噪聲較大，鏈條傳動與蝸桿蝸輪傳動效率低，所以優(yōu)先考慮齒輪傳動和皮帶傳動。考慮到使用皮帶傳動時由于載荷過大可能會導致空轉的問題，以及幾何空間充分利用和節(jié)省空間的因素，所以我們選定了 1模的齒輪作傳動機構，選用碳鋼齒。 傳動機構主要繞線軸部分、微調機構 連接軸部分和主動軸部分組成。傳動機構工作時，在繞線軸上安裝的繞線輪纏繞連接重物尼龍線。當重物下落時，拖動尼龍線，尼龍線再帶動繞線輪，使得繞線軸轉動。通過齒輪傳動將動力傳動到主動軸和微調機構連接軸上，使主動軸帶動驅動輪轉動，為小車傳遞動力，而微調機構連接軸則是負責將動力傳動到微調機構和轉向機構上，讓微調機構和轉向機構能夠正常工作。 向 機構 轉向機構是整個無碳小車中最為重要的機構，它的作用是通過 將繞線軸轉角變化量通過機構轉化為導向輪的轉角變化量，從而 實現(xiàn)無碳小車的轉向功能，讓小車可以行走 字型路 線。轉向機構需要滿足：（ 1） 盡 可能的 減少能量損失 ；（ 2）易于加工；（ 3）能夠將 傳動系統(tǒng)的轉動 運動轉化為 合乎要求擺動運動 ，帶動前 輪轉 向 。經過考慮 后決定選擇 曲柄搖桿機構作為 小車轉向機構的原型 。 適用于轉向機構的曲柄搖桿機構主要有可以有兩種，其中一種是正弦機構，而另外一種是正切機構。 推桿與導路之間的間隙使推桿晃動，導致 此令正切機構產生誤差，對正弦機構幾乎無影響。 圖 2弦機構構結構示意簡圖 圖 2切機構結構示意簡圖 而在實際使用中，由于搖桿轉角升程 的正切或正弦成比例，所以正弦機 構和正切機構在工作時都會產生誤差，其誤差值為 與。 由于正切機構在誤差方面要大于正弦機構，故在設計轉向機構的時候，決定選擇正弦機構作為轉向機構的基礎，在正弦機構的基礎上進行改善和優(yōu)化。 圖 2向機構三維圖 在 轉向機構的設計中，我 們 將 用于 提高正弦波的 凸輪機構 簡化，并將 機構 中的搖桿和推桿 的 自由度限制 ， 使它們只能在 同 一個 平面 內 運動， 這樣 有利于優(yōu)化機構的 體積和復雜度，并 減少 誤差和計算難度。 轉向機構主要 由兩部分組成，一部分為負責提供正弦波的類 凸輪 部分，而另一部則是將正弦波轉化為小車導向輪 轉角的轉向部分 。如 圖 2示 ， 圖中紅色的零件 為 凸輪推桿滑塊 、藍色 的 零件 為正弦 凸輪柄、橙色 的 工件 為 轉向滑塊固定架、深藍色 的 工件 為 轉向機構轉向滑塊、淺綠色的 工件為 導向輪車橋轉塊和綠色的 工件 為凸輪微調滑塊。 類曲柄機構部分 的 零件有 凸輪推桿 滑塊 、 正弦 凸輪柄、用于 連接 凸輪推桿 滑塊 與 正弦 凸輪柄的連接桿和推桿。轉向 部分 的 零件有 ：轉向滑塊固定架、轉向機構轉向滑塊、導向輪車橋轉塊和導向輪車橋桿。 轉向 機構 工作 時 ，微調機構連接軸帶動 微調機構轉動 。 微調機構 通過凸輪微調滑塊與轉向 機構 中凸輪推桿 滑塊 連接 ，其中 凸輪微調滑塊和凸輪推桿 滑 塊 之間通過 軸 連接 ， 在凸輪微調滑塊上 安裝有軸承， 軸 可以 在凸輪微調滑塊中做出 轉動運動，軸的另一端 鎖死在凸輪推桿 滑塊 ，凸輪推桿 滑塊 可以 做出任意角度的相對 于凸輪微調滑塊的相對 轉動 。 正弦 凸輪柄通過 桿與 凸輪推桿 滑塊 想 連接，正弦 凸輪柄可以在于凸輪推桿滑塊內 作上下滑動， 故當 微調機構轉動時，由于 直線 軸承座的 限 位作用 ， 令正弦 凸輪柄始終 垂直于底面， 同時 由于機構的 約束使其只能 前后 運動 ， 使得 正弦 凸輪柄上 的推桿 只能 作前后往返運動 。當 推桿作前后往返運動 時， 推動 轉向滑塊固定架， 由于推桿 前端 有螺牙 ，所以 在推桿 后退 時， 轉向滑塊固定架依然 與推桿 相連接 。轉向滑塊固定架內部 安裝有 轉向滑塊，兩者之間 可以發(fā)生 任意角度 的相對 轉動。導向輪車橋轉塊與轉向滑塊通過 搖桿連接 ， 搖桿 前端與輪車橋轉塊固定 ， 后端可以在轉向滑塊中作 相對滑動，而 輪車橋轉塊又 與車橋桿通過螺絲鎖死 。 故當 推桿 帶動 轉向滑塊固定架前后運動 時，使搖桿的與繞線軸的夾角 不斷發(fā)生 變化， 通過輪車橋轉塊將 搖桿的與繞線軸的夾角 的 變化量轉化為導向輪的轉角變化量，從而改變小車的施行方向。 另外，在小車轉彎時，還需要解決內輪和外輪差速問題。選擇雙輪驅動方案時，小車兩個后輪都同時作為驅動輪，兩后輪需要同軸，而且還需要設計和 安裝無碳小車專用的差速器，但是由于差速器的加工精度要求太高，而且需要長時間的調試，制造成本過于昂貴。故不在小車 上 使用雙輪 驅動 而 是選擇單輪驅動 。 單輪驅動 即把 其中 一個 后輪 直接安裝 在驅動軸上 跟隨 驅動軸轉動，作為 驅動輪， 另外一個 后輪通過 使用軸承 與 驅動軸連接 或 安裝在另一 條 軸上，不 跟隨 驅動軸一起轉動 ，作為 從動輪， 從動輪 的轉速 由 小車轉彎時的角度 和半徑決定， 因此 能很好 的解決 小車的差速問題 。由于小車采用單輪驅動來解決小車轉向時從動輪 和驅動輪的轉速差 問題，從結果上來看，單輪驅動的結構會比雙輪驅動簡便許多，效率也會比使用差速器的 雙輪驅動高，但是單輪驅動會導致小車行駛不穩(wěn)定的問題。通過對比后，決定使用單輪驅動，來解決小車轉向時內輪和外輪差速問題。 3 技術設計 將無碳小車的機構方案基本設計完成以后 ， 需要根據 實際需要 來確定小車各個機構的尺寸參數(shù) 、建立數(shù)學模型，計算并優(yōu)化小車零件的參數(shù)。使小車可以行駛更遠 的距離 ，更好的滿足競賽命題的要求，并 為小車 提供更好的性能。 車 齒輪齒數(shù) 比 的計算 將無碳小車的機構方案基本設計完成以后， 還需要初步確定小車的部分參數(shù)，并以此為 基礎 ，來推導其他參數(shù)，最后 把 小車的參數(shù) 代 入小車運動學模型中 來 驗算和優(yōu)化 小車的參數(shù)， 用于減少工作量并 提高 效率。 已知 競賽命題中，小車 繞 障 要求如圖 3示 ： （圖中 單位為 圖 3車 繞 障 要求示意圖 如圖 所示 ， 小車 前方每隔一米 就會放一個 障礙物 ， 如果 需要 成功 的 避開障礙物小車的行駛 軌跡 就應該為正弦 曲線 或 余弦曲線 。 當選取 正弦 曲線 為 小車的 行駛 軌跡時 ， 小車的 行駛 軌跡的 周期 不好 確定， 而且隨著 小車行駛距離的 增大 ，小車與 每一次繞過 障礙物 時 兩者相距的距離 會 越來越 短，所以選擇了 余弦 曲線 作為小車的行駛軌跡 ，令 小車的軌跡為 。 由圖 3得 ， 和 k 的值為 0， 余弦 曲線的 周期 T 為 2m，所以。 由于小車 繞過 障礙物時兩者 需要留有一定的 安全 距離，所以 A 一般取 小車的車 寬 的 一半 與安全距離之和 ， 故A=以 小車的軌跡為 。 通過 小車的軌跡曲線公式可以求得小車在一個周期所行走的距離 約 為 小車能夠 在 后輪 轉動四圈 后 能夠行駛完一個周期，所以 可以暫 取小車 后 輪 半徑 為 R=100 小車行駛完一個 周期 后，小車的轉向機構應該也完成一個轉動周期。所以，小車的驅動齒輪和微調機構轉動齒輪齒數(shù) 之比 為 1:4， 但是小車的后輪半徑越大越有利于小車的行駛，故小車 后 輪 半徑取 R=104轉動 后可行駛完一個周期， 因此 驅 動齒輪和微調機構轉動齒輪 也該改為 1:34。同時 為了增加小車行駛的 圈數(shù) ， 在 驅動齒輪和微調機構轉動齒輪之間 并 入 一個齒輪用于連接繞線軸， 取 驅動齒輪和 繞線 齒輪齒數(shù) 之比為 1:3， 故驅動齒輪 、繞線 齒輪齒數(shù) 與 微調機構轉動齒輪 三者 的齒數(shù)比為 1:3:齒數(shù) 帶入小車運動學模型， 可驗證和優(yōu)化 小車 齒輪組的齒數(shù)比。 動學模型 通過以驅動輪 、從動輪和轉向輪三者的軌跡方程 為 依據， 編寫 為 序 ，進行仿真 。在 序中給參數(shù)賦初始值，通過不斷地對各參數(shù)進行調整，最終得出較為合理的軌跡函數(shù)圖像，再與競賽 命題中 要求小車所 行走 的軌跡 兩者 來 對比 ，計算 優(yōu)化 得出 最合理 的參數(shù)， 再 以 最合理 的參數(shù) 為 依據 確定 小車的各零件的參數(shù) 。下圖為圖 3圖中曲線為小車 其中一組參數(shù)下的 小車三輪 的 軌跡函數(shù)圖像即 小車的 運動軌跡圖。 圖 3車軌跡 模擬圖 如圖 3示，從函數(shù)圖像中可以看出，圖曲線曲線光滑連續(xù)，并沒有較大的突變， 周期 和半徑都符合競賽命題要求， 此時的各參數(shù)值可以為理論上的最優(yōu)值。具體值為： 繞線軸齒輪 為齒輪 1 模數(shù)齒數(shù) ， 微調機構連接軸齒輪為 齒輪 2 齒數(shù) ，驅動軸齒輪 為 齒輪 3 齒數(shù)，齒輪傳動比為，帶傳動比為，繞線軸半徑 r 為 3，驅動輪 和從動輪 半徑 =為 104桿為 120桿為 87 87 輪 半徑與 繞線輪半徑計算 已經摩擦力矩與正壓力的關系為 : M= 3 其中 U 為滾動摩擦系數(shù)，其中亞克力與木地板的滾動摩擦系數(shù)為 故 滾動 摩擦力 ： M=5N （ 3 由上式可知當小車輪子半徑越大，小車受到 的滾動摩擦力越小，就能夠行駛的越遠。但是由于材料的加工問題、材料的機械性能不足問題材料、零件的安裝問題與小車零件協(xié)調性問題，故小車后輪的半徑不能取得太大， 需要在合理范圍內。 圖 3車齒輪組 示意圖 如 圖 3示 ， 齒輪 1 為 繞線軸齒輪，齒輪 2 為微調機構連接軸齒輪 ，齒輪 3 為 驅動軸齒輪 ， 三 者 構成了小車的齒輪組系統(tǒng)。 準件及其材料件列表 表 3編號 材料及標準件的種類 毛坯尺寸 毛坯數(shù)量 每臺件數(shù) 1 亞克力板材 200× 200× 3 3 3 2 碳纖棒 Φ 6× 1000 3 3 3 鋁合金板材 12× 20× 200 1 1 4 深溝球軸承 8*14*5 (d*D*B) 18 18 5 深溝球軸承 6*14*5 (d*D*B) 4 4 6 滑輪軸承 6*20*5 (d*D*B) 1 1 7 直齒輪 m=z=14 1 1 8 直齒輪 m=z=42 1 1 9 直齒輪 m=z=46 1 1 10 墊片 0 30 11 螺栓 0 30 12 螺釘 0 30 13 軸套 6*8*2 2 2 14 軸套 8*14*3 2 2 15 45#鋼 Φ 4× 500 1 1 16 45#鋼 Φ 6× 500 1 1 17 45#鋼 Φ 8× 500 1 1 定非標準件 的 零件尺寸 經過理論計算和分析結構的合理性，對機構 參數(shù)進行不斷的優(yōu)化 ，最終確定小車各個機構重要零件的具體尺寸。 推桿長 =120 桿長 =78.5 車整體 裝配 效果 圖 圖 3車整體 裝配效果圖 1 圖 3車整體 裝配效果圖 2 4 小車的加工裝配以及調試 在本章中，主要是介紹小車各個零件的具體加工方法、零件原材料的選擇、加工 中遇到的問題、加工后進行的裝配過程以及在調試中發(fā)現(xiàn)的問題及其改進方法。 要自行加工的零件及加工方法 小車 的 零件 部分可以 中 的 標準件可以根據 設計要求而購買 ， 而 非標準件則需要購買毛坯料進行加工 ，我們所設計的無碳小車需要自行加工零件的原材料主要有亞克力、鋁合金為 45 鋼和碳纖維。 用亞克力板作為加工原材料的工件 亞力克是高分子材料，化學名稱為 聚甲基丙烯酸甲酯 。亞力克板是由亞克力粒料經由擠板機擠出而成。優(yōu)點是具有較強的抗沖擊力性較高的表面硬度和表面光澤，以及較好的高溫性能，同時擁有在通用塑料比較優(yōu)秀的力學性能，穩(wěn)定性好，密度較低。缺點是脆性比較大，無法使用線切割工藝來確保加工精度。使用亞力克板作為小車的大部分工件的加工材料，有利于減輕小車的整體重量，同時具有較好的抗攻擊性，且可以控制成本。 需要以亞力克板為原材料加工的零件主要有小車底盤、驅動輪、從動輪、導向輪、軸承座、正弦凸輪柄、轉向滑塊固定架、定滑輪支架等。 由于加工精 度對于無碳小車而言十分重要，為了保證零件的加工精度，上訴使用亞力克板為原材料加工的零件全部使用激光切割工藝對亞力克板進行切割，由于激光切割工藝的加工精度較高，所以大部分零件切割出來后可以直接使用。其中部分零件由于側面存在孔，無法使用激光切割工藝，故使用銑床加工剩余的部分。 ： 圖 4滑輪固定架 用鋁合金作為加工原材料的工件 鋁合金 是日常生活中應用最廣泛的一類 有色金屬 結構材料，鋁合金密度低，強度比較高，塑性好。但是由于大部分鋁合金的密度比亞克力的密度高，且硬度不如亞克力，所以并選擇鋁合金作為小車的主體材料，僅作為部分連接件或滑塊的材料。由于 鋁合金 具有許多種型號，經過考慮以后，決定使用 6063 鋁合金板材作為加工原料。 需要以 6063 鋁合金板材為原材料加工的零件主要有：導向輪車橋、導向輪車橋轉塊、轉向機構轉向滑塊、凸輪推桿滑塊、凸輪微調滑塊、凸輪微調滑塊固定架。 由于以 6063 鋁合金板材為原材料加工的零件尺寸都非常小而且數(shù)量不多，所以決定自行加工。在加工時，只能先是按照設計的要求，將 6063 鋁合金板材切割開粗，之后使用銑床進行精確加 工，最后再用砂紙打磨去毛刺。 其中，導向輪車橋轉塊、轉向機構轉向滑塊、凸輪推桿滑塊和凸輪微調滑塊都比較容易加工，只需要將 6063 鋁合金板材開粗為余量不小于 米的毛坯，使用銑床銑精確到數(shù)，再按照圖紙的要求進行鉆孔、攻牙、打磨等加工工藝即可。至于導向輪車橋和凸輪微調滑塊固定架則存在一定的加工難點。 導向輪車橋的加工難點是在于其不是用銑床直接 6063 鋁合金板材，而是先使用車床加工出一個毛坯再使用銑床加工。由于 攻很容易受力過大折斷，所以在使用 攻攻牙的時必須非常小心。如圖 4示，先使用車床將 6063 鋁合金材料車出一個臺階圓柱，上臺階高 5 毫米直徑為 10 毫米，下臺階高 50 毫米直徑為 20 毫米。完成后使用銑床在下臺階銑出四個個端面，再按照圖紙要依次進行鉆孔和攻牙，最后銑用于安裝導向輪的槽。 用 45 號鋼作為加工原材料的工件 45 號鋼是常用中碳調質結構鋼，具有較高的強度和較好的切削加工性。在小車中，用作加工各類軸。 需要以 45 號鋼零件主要有：驅動軸、從動軸、繞線軸、定滑輪軸、轉向機構推桿、轉向機構搖桿、導向輪車橋桿。 加工方法為：按照圖紙的要求，使用車床車出合適的直徑和長度，之后再進行攻牙和打磨。 車的裝配 在小車的工件加工完畢后，將開始對小車進行裝配。對小車的裝配可以分為以下四個部分： 車體行駛結構裝配 ： 將各個機構的軸承座按照圖紙的要求安裝在小車底盤上，為了使軸承座和小車底盤連接的更加穩(wěn)固和方便調試，決定通過螺絲鎖緊將軸承座固定。然后將用于將安裝驅動軸和從動軸的軸承安裝在軸承座上，為后面對驅動軸和從動軸進行調試，先不將軸承固定。為 了減少摩擦和提高穩(wěn)定性，每個軸承座上都安裝上一對軸承。之后安裝轉向輪車橋，為了減少車橋軸和小車底座的摩擦，在小車底盤正反兩面安裝一對軸承。在轉向輪車橋上 安裝前輪，使用螺絲固定。將齒輪安裝在驅動軸上，暫時不固定，然后把驅動軸和從動軸穿過軸承，安裝在軸承座，把驅動輪和從動輪分別安裝在驅動軸和從動軸上，使用螺絲固定。 小車原動機構裝配 ： 使用螺絲將原動機構底部支撐架和小車底盤鎖緊，然后將將三根碳纖維管，放入原動機構底部支撐架的三個孔內，之后將定滑輪支撐架安裝在三根碳纖維管上。把定滑輪放入定滑輪軸上的合適位置，將定滑輪固定軸安裝在定滑輪支撐架上，微調原動機構底部支撐架、碳纖維管和定滑輪支撐架至合適，安裝重物。 小車傳動機構、微調機構及轉向機構總裝： 安裝繞線軸軸 承，將齒輪放入繞線軸，之后將繞線軸穿軸承座上軸承，調試到合適的位置。安裝微調機構連接軸，把凸輪微調滑塊安裝在凸輪微調滑塊固定架調試，等凸輪微調滑塊功能可用后，把凸輪微調滑塊固定架安裝到微調機構連接軸，之后將凸輪推桿滑塊安裝在凸輪微調滑塊固定架上，放入正弦凸輪柄，完成微調機構的安裝。微調機構安裝完成后，將推桿無螺紋的一側放入正弦凸輪柄上，在推桿有螺紋一側安裝轉向機構的轉向滑塊固定架和凸輪推桿滑塊，再在轉向滑塊固定架安裝搖桿。將導向輪車橋轉塊安裝在轉向輪車橋軸上并連接搖桿。 小車各機構微調固定： 將小車的各個機 構都安裝完畢后，微調各個機構組件的位置，直至各個機構可以正常并流暢的運作，完成微調后將固定每一個軸承的位置，并鎖緊全部固定螺絲，驗證小車是否能正常行駛，如果沒明顯問題，即完成對小車的裝配工作。 車的調試 軸承裝配問題：在軸承裝配時，軸承需要過盈配合。軸承 座上用于安裝軸承的 孔直徑需要比 軸承的直徑 少 右 ，但是即便是使用激光切割 工藝 加工 ，軸承 座 上 的 軸承孔仍然是會偏大 甚至每個 軸承孔的大小 都 不一， 使得 軸承都無法 使用原本 計劃 中的安裝方法 。 發(fā)現(xiàn)這個問題后，我們可以采取半徑 補償?shù)?方法， 讓軸承可以固 定在 軸承 座 上 ，但是這樣可能會導致 軸承 上的軸 發(fā)生 偏心，影響小車的工作。 最好的方法 是對 軸承 座 重新 加工，并 要求在加工時，對加工 材料 進行加工誤差補償。 推桿 自由度限制問題 ： 小車裝配 完成后， 發(fā)現(xiàn)小車 的正弦機構并沒有 正常的 工作 。在小車測試時，轉向 機構 中 正弦 凸輪柄和 推桿 會 由于重力的作用 在 向前移動的同時會下落 導致 轉向機構不能正常工作 。這個 問題發(fā)生的原因 是如果 需要轉向機構正常的工作需要 限制推桿 左右 方向和豎直方向的自由度 ，而在轉向 機構 中的 設計中 ，轉向滑塊固定架并 不能有限的限制推桿 豎直 方向下的自由度 。解決 這個問題 需要 設 計專門用于限制推桿豎直方向的自由度 的 零件 。 小車的穩(wěn)定性問題：在小車的 調試過程中 ，發(fā)現(xiàn) 小車的 車身穩(wěn)定性并 不怎么理想 。由 于 小車的 車身穩(wěn)定性與小車的整體構造及整個車的重心有 很多的 關系，如果要 要使小車的穩(wěn)定性得到良好的改進，需要 調整小車 的 重心 的位置 ，而這需要 對小車上機構的位置 進行調整，把小車的重心集中在車體中間略微偏后的位置上， 同時 還 需要 令 重物和尼龍線保持垂直。通過 改進后 ，小車的穩(wěn)定性得到良好的改進 。 摩擦對小車 的影響問題 ：在 小車的行駛過程中， 車輪 與地面的 摩擦和 零件之間的摩擦對車的性有 很大的 影響。在 實際 調試中， 小車無法正常啟動行駛，經過 分析后是由于 車輪與地面的摩擦 系數(shù) 過大或繞線輪半徑過少。在計算繞線輪半徑 時， 由于 大部分 可以需要 進行反復運動的 軸和 桿 都在 連接處 安裝 有軸承來盡可能減少摩擦， 因此是 按照理論狀態(tài)下的情況，對小車的對 繞線輪半徑進行 計算 ， 導致 在 實際中 繞線輪半徑過少。 后 通過 加大繞線輪半徑好，小車可以順利啟動并 行使 。 加工 誤差的問題： 在實際中由于存在加工 誤差 的影響，往往會導致設計性能與實際表現(xiàn)之中存在差別，令 小車無法達到最優(yōu)性能。 而解決 這個問題的方法是 利用 小車的微調機構的 對小車進行微調。微調 機構不僅能用于調 整 小車運動 軌跡的周期和半徑， 善用 微調機構還能用于 來改善由于加工 誤差所導致 的問題。 5 結果評價分析 分析無碳小車的設計與實現(xiàn)的成品，將小車 的實際性能與理論性能 作對比，并以此來尋找在小車的設計和制作過程中的由于設計 或加工等問題導致 的缺陷和問題，并通過 分析小車 成品的 缺陷和問題，改進 小車的設計和制造 。 車設計結果 在經過對小車的設計優(yōu)化、加工裝配和微調總結后，最終設計并實現(xiàn)能夠實現(xiàn)競賽命題并達到預期性能需求的無碳小車。該無碳小車可以能依靠所給定重力勢能，能夠自動啟動前行，并在行駛的過程中自動行駛出 S 型 軌跡，且在實現(xiàn)平穩(wěn)行駛，可以調節(jié)轉彎半徑和周期。 車設計方案的優(yōu)缺點 小車設計 方案的優(yōu)點： （ 1） 小車 的轉向機構與驅動 機構 結構簡便高效 ， 零件 的幾何關系 簡潔 明了，易于計算和仿真。 （ 2） 車身 使用 亞克力板為原理制作 ， 使得小車車身更加輕巧， 使用 齒輪和帶輪傳動，能量 傳遞效率 高 且 能力損失少。 （ 3） 采用單輪 驅動 ， 不需要安裝 差速器， 減少 小車整體的質量和成本， 同時具有 較大的驅動輪， 使 小車行駛時效率 比較 高 、 能量 損失 小， 能夠在 比較粗糙地面行駛并行走更遠 的距離。 （ 4） 微調機構 和轉向機構利用了正弦機構的原理，可以減少 誤差并能 通過 調整 微調 機構參數(shù)， 來實現(xiàn) 糾正 小車 的行駛軌跡 ，并 調節(jié)小車的行駛 的 周期和半徑， 有利于 小車適應轉彎繞障 和 避開障礙物。 （ 5） 通過 對 機構 設計的調整，使小車零件對 加工 精度 要求降 低 ，減少 小車的 加工 成本，并讓 小車更加易于 修改、 加工、安裝 及微調 。 （ 6） 由于用于制作 小車的 原材料價格比較低且 小車的 加工成本 不高， 可以讓小車整體造價保持 一個 比較低的 水平 ， 可以 在 確保小車的 性能達到 要求的同時控制 小車 的成本 。 小車設計 方案的缺點： （ 1） 由于在 設計時，沒有考慮到 理論 和實際的區(qū)別 ，缺少 設計經驗，讓小車 理論性能 和實際性能有出入 。 （ 2） 小車的加工受到成本、 時間、加工技術和加工范圍的限制，導致小車的整體加工精度不高，出現(xiàn)了許多不該出現(xiàn)的加工誤差。 （ 3） 在不同的地面測試 時 ，小車所行駛的距離波動比較大，微調機構微調滑塊 位置很難 把握準確， 難以根據不同類型的地面進行合適的微調，而且微調時 比較繁瑣 和 耗時 。 （ 4） 小車的 微調機構和轉向機構 的 轉動平面垂直于地面，在工作時會受到 重力 加速度 的影響，使得 機構 工作時精準 度 收到影響。 （ 5） 對各種 機構 認識還不夠 全面 和 透徹，無法 根據 實際需要 設計 出 性能更好且 足夠簡便的 機構。 進方向 （ 1） 加工精度和裝配精度是碳小車改進的一個大方向之一。如果能 夠 找到更加合適的加工工藝可以提高小車零件的加工精度 并 減少后期的調試工作，也 可以讓小車現(xiàn)實 得到更好的運動效果 ， 同時控制小車的成本。 （ 2） 設計性能更加 良好的轉向機構和微調機構 ， 用于 提高 轉向機構的效率和穩(wěn)定性， 同時提高微調機構的微調范圍，讓小車可以更大范圍的調節(jié)調節(jié)轉彎半徑和周期，提高小車在各種地面的適應能力。 （ 3） 修改微調 機構和轉向機構，使其 的 轉動平面平行于地面，減少重力對 微調 機構和轉向機構 工作時 的影響。 （ 4） 在設計階段對小車進行更多的計算和仿真。通過更多 的 計算和仿真來 選擇更好的設計方案 和 參數(shù)， 令小車的理論性能得到提高。 （ 5） 改進 機構的 配合 的合理性 。 通過 使 機構的 配合更加 合理， 使 小車更容易裝配并提高小車 零件 裝配時 裝配精度。 參考文獻 [1] 顧曉勤 ，譚朝陽 學 [M]. 機械工業(yè)出版社 ,2009. 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