S型無碳小車設(shè)計(jì)教學(xué)教材

2整體設(shè)計(jì)思路基于上述考慮，得出無碳小車的結(jié)構(gòu)越簡單重力勢能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能時(shí)損失的能量少效率就高；通過設(shè)計(jì)齒輪的傳動(dòng)比可以改變小車的初始速度，速度越快，小車能走得越遠(yuǎn)；合理的設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠讓小車按近似于“S”型路線行走；微調(diào)機(jī)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)小車的轉(zhuǎn)向角度，讓無碳小車順利避過障礙物；合理的選材減輕整車質(zhì)量，減少摩擦。因此完整的無碳小車應(yīng)當(dāng)包括車架、傳動(dòng)構(gòu)件、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車輪、重錘架。下面簡要考慮車架、傳動(dòng)構(gòu)件、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的選用。2整體設(shè)計(jì)思路車架車架承受的力不大，要求重量輕，加工簡單，考慮到加工成本等，車架采用無機(jī)橡膠加工制作成正方形底板式，尺寸還要進(jìn)一步確定。傳動(dòng)構(gòu)件為了使小車行駛得更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比精確、工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。鏈傳動(dòng)平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確,傳動(dòng)效率高，軸間距離適應(yīng)范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用；但鏈傳動(dòng)一般只能用作平行軸間傳動(dòng)，且其瞬時(shí)傳動(dòng)比波動(dòng)，傳動(dòng)噪聲較大。帶輪傳動(dòng)精確度不高，不適合小車精確傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)由于制作不便，且制作成本高，故只用齒輪傳動(dòng)。2整體設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本無碳小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車能否按“S”的路線行走。一般能按特定規(guī)律運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿、齒帶槽、凹槽輪等。凸輪機(jī)構(gòu)：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓設(shè)計(jì)計(jì)算麻煩，加工比較困難。曲柄搖桿：優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力小，且面接觸方便潤滑，故磨損減小，制造方便，能夠獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往比較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場合。2整體設(shè)計(jì)思路齒帶槽：通過在齒帶背后建立特定軌跡凹槽，凹槽連接搖桿，帶動(dòng)搖桿左右有規(guī)律擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：凹槽軌跡容易獲得，制作方便。缺點(diǎn)：如果小車運(yùn)動(dòng)軌跡長，齒條也要較長，齒輪的增加消耗過多勢能。凹槽輪：在輪子面部制作凹槽，凹槽連接搖桿，帶動(dòng)搖桿左右有規(guī)律擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：凹槽軌跡容易獲得，制作方便，在較小的空間在齒輪面可以圓周規(guī)律循環(huán)，不用考慮長度。缺點(diǎn)：體積較大。參見圖2-1圖2-1凹槽輪3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇軌道的設(shè)計(jì)無碳小車按正弦曲線行走，路線近似于“S”型，在行駛軌跡確定的情況下，小車的行駛路徑不變，對路徑的研究設(shè)計(jì)，可以大概確定小車行走路程，初步斷定車輪的半徑，轉(zhuǎn)向輪的最大角度。無碳小車在寬度為2000mm的賽道上行駛，中間的障礙物相隔100mm，為了不讓無碳小車越出賽道，避免無碳小車與障礙物碰撞，擬定出一下路線圖參見圖3-1：圖3-1小車行走路線示意圖3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇把此路線近似于余弦曲線，振幅為300mm，波長2000mm，軌跡方程近似為：用Mathematica數(shù)學(xué)軟件求解得s=2388.97mm可知無碳小車行駛一個(gè)周期走過的路徑為2388.97mm，無碳小車的車輪也近似走了2388.97mm。3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇車輪尺寸的設(shè)計(jì)由小車行走路線的軌跡及方案的初步計(jì)算可知，車輪半徑越大，小車走得越遠(yuǎn)，無碳小車行走一個(gè)半徑時(shí)，車輪轉(zhuǎn)過的圈速越小越好。這里設(shè)定車輪轉(zhuǎn)過3圈，則可以計(jì)算出無碳小車的車輪半徑為

=126.8mm，為了方便制作取半徑為

=125mm齒輪的確定確定了無碳小車的車輪半徑后，根據(jù)ds=

*d

= (3-5)其中齒輪2于齒輪1的傳動(dòng)比i=3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇選用齒輪1和齒輪2的總齒數(shù)為100。齒輪1齒數(shù)為20，齒輪2齒數(shù)為80。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可計(jì)算出齒輪1、齒輪2的參數(shù)如下：m=2齒輪1：=20，直徑=m=40mm齒頂圓直徑=44mm；齒根圓直徑=35mm；齒頂高=2mm；

齒根高=2.5mm；齒輪2：=80，直徑=m=160mm齒頂圓直徑=164mm；齒根圓直徑=155mm；齒頂高=2mm；齒根高=2.5mm3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇轉(zhuǎn)向撥桿的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向撥桿的端面小球直徑10mm，桿長60mm，桿直徑3mm，桿面有螺紋便于調(diào)節(jié)球面與凹槽輪的長度，引起轉(zhuǎn)向軸的輕微偏轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)把轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)整合在一起，設(shè)計(jì)簡單、機(jī)構(gòu)輕巧、靈活方便。凹槽輪的設(shè)計(jì)凹槽輪的寬度由撥桿小球的球面直徑和前輪轉(zhuǎn)向的最大角度決定。在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)中無碳小車的轉(zhuǎn)向角度,參見圖3-2圖3-2前輪最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為了便于設(shè)計(jì)與實(shí)際制作，凹槽輪的直徑與齒輪3的直徑相同為120mm。3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇轉(zhuǎn)向輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向輪隨著軸向軸的偏轉(zhuǎn)而偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向輪起到調(diào)整小車轉(zhuǎn)彎的作用，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)過大，一般小于后輪的尺寸，設(shè)定轉(zhuǎn)向輪的半徑為25mm。軸承的選用考慮到軸承不易制作，在實(shí)際中可以通過選用購買標(biāo)準(zhǔn)件用于小車的制作。軸承的選用標(biāo)準(zhǔn)參考《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社第133頁滾動(dòng)軸承的國家標(biāo)準(zhǔn)。選用最小的深溝球軸承C6201，最小直徑為12mm，最大外徑為32mm。軸的設(shè)計(jì)在整個(gè)無碳小車的設(shè)計(jì)方案中，包括后車輪軸、繩輪軸、槽輪軸、轉(zhuǎn)向軸4跟軸(參見圖3-4至3-7)。根據(jù)無碳小車的選用的C6201軸承，這4根最大直徑應(yīng)該為12mm，便于裝配。因?yàn)闊o

碳小車的動(dòng)力較小，軸承產(chǎn)生的扭矩較小，不再對軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核。3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇槽輪軸尺寸見圖3-6轉(zhuǎn)向軸尺寸見圖3-7圖3-6槽輪軸尺寸圖3-7轉(zhuǎn)向軸尺寸3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖圖3-8無碳小車的完整裝配圖建模3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖4仿真結(jié)果在完成整體裝配圖的環(huán)境下，單擊左下角的運(yùn)動(dòng)算例，把動(dòng)畫模擬時(shí)間軸拉到20秒的位置。在無碳小車裝配體中，單擊虛擬馬達(dá)，彈出馬達(dá)類型對話窗，選擇旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，然后單擊繩輪面，為繩輪軸添加一個(gè)虛擬馬達(dá)。虛擬馬達(dá)模擬重錘下落時(shí)牽動(dòng)繩子帶動(dòng)繩索轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，設(shè)定虛擬馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為30r/min。然后按下從頭播放動(dòng)畫，觀察小車齒輪、車輪、凹槽輪、撥桿運(yùn)動(dòng)情況。輸出動(dòng)畫結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行分析。對于建立的無碳小車，在沒有考慮其它摩擦力、阻力、能量損失的情況下，加人虛擬馬達(dá)模擬運(yùn)動(dòng)時(shí)，繩輪能帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，引起齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2又帶動(dòng)齒輪1、齒輪3的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)過1.5圈時(shí)，凹槽輪剛好轉(zhuǎn)過0.5圈，說明齒輪1、齒輪2、齒輪3在齒數(shù)設(shè)計(jì)上符合擬定的運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)向要求。對于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，凹槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，撥桿球面與凹槽面相切運(yùn)動(dòng)，隨著凹槽的