無碳小車設計說明

1、作品設計說明書摘要我們把小車的設計分為三個階段：方案設計、技術設計、制作調(diào)試.通過每 一階段的深入分析、層層把關,是我們的設計盡可能向最優(yōu)設計靠攏.方案設階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機器的構(gòu)成原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、 執(zhí)行機構(gòu)、限制局部、輔助局部把小車分為車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、 轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)五個模塊,進行模塊化設計.分別針對每一個模塊進行多 方案設計,通過綜合比照選擇出最優(yōu)的方案組合.我們的方案為：車架采用三角 底板式、原動機構(gòu)采用了帶輪軸、傳動機構(gòu)采用帶輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用凸輪機構(gòu)、 行走機構(gòu)采用雙輪驅(qū)動.技術設計階段我們先對方案建立數(shù)學模型進行理論分析,借助MATLAB別 進行了能運動學

2、分析和動力學分析,進而得出了小車的具體參數(shù),和運動規(guī)律y 以及確定凸輪的輪廓曲線；接著應用Solidworks軟件進行了小車的實體建模和 局部運動仿真.在實體建模的根底上對每一個零件進行了詳細的設計,綜合考慮 零件材料性能、加工工藝、本錢等.小車大多零件是標準件,可以購置,同時除局部要求加工精度高的局部需要 特殊加工外,大多數(shù)者何以通過手工加工出來.調(diào)試過程會通過微調(diào)等方式改變 小車的參數(shù)進行試驗,在試驗的根底上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的 參數(shù).關鍵字：無碳小車參數(shù)化設計軟件輔助設計目錄作品設計說明書1一緒論4命題主題4小車功能設計要求 5小車整體設計要求 5小車的設計方法 6二方案

3、設計6車架7原動機構(gòu)7傳動機構(gòu)g轉(zhuǎn)向機構(gòu)8行走機構(gòu)g三設計10建滋浮模1 0參確定14零冊設計1 4小車運動仿真分析 19四小車制作調(diào)試及改進 19小車制作流程19小車調(diào)試方法19小車改進方法 20五評價分析20小車優(yōu)缺點20改進方向20一緒論命題主題根據(jù)第四屆全國大學生工程練習綜合水平競賽主題為“無碳小 車越障競賽.命題與高校工程練習教學內(nèi)容相銜接,表達綜合性工 程水平.命題內(nèi)容表達“創(chuàng)新設計水平、制造工藝水平、實際操作能 力和工程治理水平四個方面的要求.小車功能設計要求給定一重力勢能,根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,設計一種可將該重力勢能 轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置.該自行小車在前行時能 夠

4、自動避開賽道上設置的障礙物間隔范圍在700-1300mm放置一個直徑20mm長200mm勺彈性障礙圓棒.以小車前行距離的遠近、 以及避開障礙的多少來綜合評定成績.給定重力勢能為4焦耳取g=10m/s2,競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg 的重塊50X65 mm普通碳鋼制作鉛垂下降來獲得,落差 400 ± 2mm重塊落下后,須被小車承載并同小車一起運動,不允許掉落.要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得,不可使用任何其他的能量形式.小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)1個轉(zhuǎn)向輪,2個驅(qū)動輪,具體結(jié)構(gòu)造 型以及材料選用均由參賽者自主設計完成.小車整體設計要求小車設計過程中需要完成：結(jié)構(gòu)方案設

5、計、工藝方案設計、經(jīng)濟本錢分析 和工程治理方案設計.命題中的工程治理水平項要求綜合考慮材料加工、制造 本錢等各方面因素,提出合理的工程規(guī)劃.設計水平項要求對參賽作品的設計具 有創(chuàng)新性和標準,生命題中的制造工藝水平項以要求綜合運用加工制造工藝知識 的水平為主.小車的設計方法小車的設計一定要做到目標明確通過對命題的分析我們得到了比較清楚開 闊的設計思路.作品的設計需要有系統(tǒng)性標準性和創(chuàng)新性.設計過程中需要綜合考慮材料、加工、制造本錢等給方面因素.明確小車小車功能分建模分析可行性方案確定方案結(jié)束二方案設計 為了方便設計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個局部進行模塊化 設車架、原動機構(gòu)、傳動機

6、構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu).三角形底板原動機構(gòu)骨架式底板彈簧儲能式繩輪式帶輪傳動在選擇方案時應綜合考慮功能、材料 加工、制造本錢等各方面因素,同時盡量 預防直接決策,減少決策時的主觀因素,使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu).車架車架不用承受很大的力,精度要求低.考慮到重境加工本錢等,車架采用塑 料加工制作成三角式底板.勾原動機構(gòu)的作用是將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動動能.能實現(xiàn)這一功 能的方案有多種,就效率和簡潔性來殍南輪最優(yōu).小車對原動機構(gòu)還有其它的具 體要求.1 .驅(qū)動力適中,不至于小車拐彎時速度過大傾翻,或重物晃動厲害影響行走.2 .到達終點前重物豎直方向的速度要盡可能小,預防對小車過大的沖擊.同

7、時使 重物的勢育於可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進的動能,如果重物豎直方向的速度較 大,重物本身還有較多勢育冰釋放,能量利用率不高.3 .機構(gòu)簡單,效率高,便于加工制作.傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上.要使小車行駛 的更遠及按設計的軌道精確地行駛,傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu) 簡等.1 .帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單傳動平穩(wěn)價格低B緩沖吸震等特點但其效率不是很高.2 .齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高,不易加工制 作.因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下可優(yōu)先考慮使用齒輪傳動.轉(zhuǎn)向勾轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設計的關鍵局部,直接決定著小車的功能.轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同

8、樣需要盡可能的減少摩擦耗能,結(jié)構(gòu)簡單,零部件已獲得等根本條件,同時還需 要有特殊的運動特性.能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的往返擺動,帶動轉(zhuǎn)向輪 左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能.能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪搖桿、曲柄連 桿等等.凸輪搖桿：優(yōu)點：只需設示®當?shù)耐馆嗇喞?便可使從動件得到任意的預期運動,而且結(jié)構(gòu) 簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難.曲柄連桿：優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力較小,且面接觸便于潤滑,故磨損減?。粌蓸?gòu)件 之間的接觸是靠本身的幾何封閉來保持接觸.缺點：TS情況下只育區(qū)似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡,且設計較為復雜； 當給定的運動要求較多或較復雜時 需要的構(gòu)

9、件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多,這樣 就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜,工作效率降低,發(fā)生自鎖的可能性增加.綜合上面分析我們選擇凸輪搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方案.行走機構(gòu)行走機構(gòu)即為三個輪子,輪子又厚薄之分,大小之別,材料之不同需要綜合 考慮.由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關系為：M N對于相同的材料 為一定值.M N而滾動摩擦阻力：f R R所以輪子越大小車受到的阻力越小,因此能夠走的更遠.由于小車是沿著曲線前進的,后輪必定會產(chǎn)生差速.對于后輪可以采用雙輪同步 驅(qū)動,雙輪差速驅(qū)動.雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑,使小車運動產(chǎn)生偏差,但由于小車速度 較小時,可以大大減小差速帶來的影響.雙輪差速驅(qū)動可以預防雙輪同

10、步驅(qū)動出現(xiàn)的問題 可以通過差速器或單向軸承來 實現(xiàn)差速.但差速器的構(gòu)造較為復雜,且由于單向軸承存在側(cè)隙,在主動輪從動 輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動不準確.綜上所述行走機構(gòu)的輪子應有恰當可調(diào)的尺寸,經(jīng)過加工和本錢的綜合考慮我們 選用雙輪同步驅(qū)動.三設計技術設計階段的目標是完成詳細設計確定個零部件的的尺4設計的同時綜 合考慮材料加工本錢等各因素.建立數(shù)學模型通過對小車建立數(shù)學模型,可以實現(xiàn)小車的參數(shù)化設計和優(yōu)化設計,提升設 計的效率和得到較優(yōu)的設計方案,充分發(fā)揮計算機在輔助設計中的作用.因此, 我們采用了 Matlab軟件輔助設計.小車后輪直徑計算：function D2 =fD2(LC,n)%D

11、2J、車后輪直徑%LCJ、車行駛一個周期的路程%n小車行駛一個周期,后輪轉(zhuǎn)的圈數(shù).%確定n之后,也就確定了后輪軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為n:1)D2=LC/pi/n;End推桿伸長吊計算：function Delta = fDelta(theta,yT)%丫得向桿長%Delta凸輪的推桿伸長量(假定伸長為正,縮短為負)%theta小車前輪轉(zhuǎn)角(假定左轉(zhuǎn)為正)Delta=yT*sin(theta);end小車路徑上某點的曲率半徑計算：function r = fr(x0,r0,l)%fr求小車路徑h某點的曲率半徑%r0零點處曲線的縱坐標,r0-y/2>10,y為兩后輪間距%l兩個障礙物間距,70

12、01300% fx01,fx02分別為fx0的一階導,二階導fx01=r0*pi*sin(pi*x0/l)/l;fx02=r0*(piA2)*cos(pi*x0/l)/(lA2);r=(1+(fx01八2)八(3/2)/fx02;end小車前輪轉(zhuǎn)角計算：function theta = ftheta(r,x )%theta小車前輪轉(zhuǎn)角(假定左轉(zhuǎn)為正)%r小車路徑上某點的曲率半徑%x%軸與后輪軸間距theta=atan(x/r);end小車行駛一個周期的路程計算：function LC = fLC(r0,l)%!用第一類曲線積分,當被積函數(shù)為1時,即求曲線長度%r0零電處曲線的縱坐標,r0-y/

13、2>10,y為兩后輪間距%l兩個障礙物間距,7001300%LC、車行駛一個周期的路程x0=sym('x0');%r0=sym('r0'); l=sym(T); % 使結(jié)果帶有r0和l這兩符號f=sqrt(1+r0A2*piA2*(sin(pi/l*x0)A2/(lA2);LC=int(f,0,2*l);LC=double(LC); %各結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)值.結(jié)果帶有符號時不能使用 end凸輪輪廓曲線繪圖：l=800;湖個障礙物間距,7001300r0=150; %?點處曲線的縱坐標,r0-y/2>10,y為兩后輪間距x=200;洵輪軸與后輪軸間距yT=3

14、0; %yT1向桿長rj=10;咄輪基圓半徑x1=72;咄輪軸(軸1)與前輪軸水平間距x2=72;嘛1與軸2間距x3=48;嘛2與軸3間距x0=0;r=fr(x0,r0,l);theta=ftheta(r,x);maxDelta=fDelta(theta,yT); %maxDeltai桿最大伸長(或縮短)的量maxDeltaxT=x1-rj-maxDelta;%xT1輪的推不叱度xT i=1;for alpha=0二2*pix0=alpha*l/pi;r=fr(x0,r0,l);theta=ftheta(r,x);Delta=fDelta(theta,yT);TL=rj+maxDelta+De

15、lta;n(i)=alpha;m(i)=TL;i=i+1;%hold on;%polar(alpha,TL); %苗點法畫出凸輪輪廓%plot(x0,Delta); 新看Delta(推桿伸長縮短或)隨乂0變化而變化的情況%plot(x0,theta);%看theta (前輪轉(zhuǎn)角)隨x0變化而變化的情況%hold off;endpolar(n,m);%axis equal;%苗點時,使橫縱坐標單位間距相等參數(shù)確定單位：mm前輪軸與后輪軸間距x=200導向桿長x=30凸輪基圓半彳5R=10凸輪軸(軸1)與前輪軸水平間距x=80軸1與軸2間距x=72軸2與軸3間距x=48零部件設計1 .需加工的零件

16、：a.驅(qū)動軸、傳動軸b.車輪c.軸承座d.底板e.凸輪2 .可購置的標準件：內(nèi)圈10的深溝球軸承、7個不同彈性模量彈簧、M8方形內(nèi)六角螺栓3 .局部加工零件二維圖OO/300 氏2114,00moooOJ口goo譏.刀.2510.00中4QQ尚6mo o g inoQ016,00O8010.00阻.0n oo o 加0,00巧4,004.00_L_J42,695.寸寸寸2&00SSI0外擋 100>00 uO O 白 313,00已欣一grqSL“用0外擋100川.后輪2個小車運動仿真分析為了進一步分析本方案的可行性,我們利用了Solidworks進行了動態(tài)仿真.四小車制作調(diào)試及改進小車制作流程小車調(diào)試方法小車的調(diào)試是個很重要的過程,有了大量的理論依據(jù)支撐,還必須用大量的 實踐去驗證.小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容,如車速的快慢,繞過障礙物, 小車整體的協(xié)調(diào)性等.(1)小車的速度的調(diào)試：通過小車在指定的賽道h行走,測量通過指定電 的時間,得到多組數(shù)據(jù),從而得出小車行駛的速度,通過試驗,發(fā)現(xiàn)小車后 半程速度較快,整體協(xié)調(diào)性能不是太好,于是車小了繞繩驅(qū)動軸,減小過大 的驅(qū)動力同時也增大了小車前進的距離.(2)小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個機構(gòu)相對來說較簡單,但損耗能 量稍多,同時避障也不是很好,可以通過改變搖桿與