机械综合创新设计无碳小车最终版

机械 综合 创新设计 任 务 说 明 书 班级： 组员： 指导老师： _ _ 目 录 1 设计任务 3 碳小车整体动力学分析报告 3 碳小车各构件材料力学性能分析报告 3 碳小车典型零件材料组织分析 3 2 设计过程 3 构设计 3 构简图分析 4 4 5 5 碳小车机构立体图及其结构分析 6 6 7 8 9 10 11 11 数分析模型 12 力学分析模型 12 13 动角、死点分析 14 16 16 部件设计 16 3 设计结果与总结 17 4 参考资料 18 附表 19 1 设计任务 碳小车整体动力学分析报告 含无碳小车各机构运动学分析（运动轨迹计算、机构各构件长度尺寸确定等） 无碳小车动力学分析，各运动副摩擦分析、各构件受力分析。 要求 碳小车各构件材料力学性能分析报告 含各构件强度分析、刚度分析 基于结构安全的无碳小车各构件结构优化方案。 要求 源代码） 碳小车典型零件材料组织分析 取无碳小 车中典型金属材料进行材料组织分析，给出 3种以上材料试样制作方法、组织照片等。 2 设计过程 构设计 构简图分析： 机构由曲柄 1 和连杆 2、滑块 C 组成的曲柄连杆机构（一下简称 R）、连杆 3 和连杆 4组成，共 5个活动构件。 行进动作分解 发条小车 提供动力 动力传输 导轮转向 行走的路线 发条释放的弹性势能提供动力 齿轮机构带动 连杆机构往复运动 前轮按需求有规律地走 按照类正弦函数的路线行走 小车主要由四个机构 组成：发条动力机构、齿轮传动机构、曲柄连杆机构、连杆前轮转向机构。 、转向机构。 动力传输 A B 2 C D E 1 4 3 传动齿轮 方面通过车轴带动驱动后轮前进，另一方面通过曲柄连杆机构带动转向“连杆 4”，从而带动小车有规律地左右摇摆，实现小 车前进过程中自动转弯的效果。 a)自由度分析的必要性： 通过自由度分析可以知道机构的运动受到了多少约束，这样在画简图的时候，就可以知道机构的运动方式了。约束不足或约束多了，机构都不能提供正常的运动。例如死机构等，所以对设计进行自由度的分析是作为制造的前条件。 b)自由度计算 ： 总共有 5个活动构件 ： 曲柄连杆机构 R（曲柄 1、连杆 2、滑块 C）、杆 3、杆 4。 有 7个低副 ：机构中 件 移动副。 有 0个高副 所以 ，自由度 F=3*5-（ 2*7+0） =1 我们的势能小车只 有唯一的原动件齿轮 7， 我们通过计算得出小车的 自由度为 1， 所以能够 保证小车 具有确定的 运动。 碳小车机构立体图及其结构分析： 小车原动机构的要求： 至于小车拐弯时速度过大而翻车，或重块晃动厉害影响行走。 到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，一则速度过大对小车有很大的冲击力，有可能破坏小车；二则，速度过大意味着重物的重力势能利用率不够。 在不同的场地。轮所受的摩擦力不同，障碍之间的距离不同，所需要驱动力的大小也不同，因此还得根据需要来调整小车原动结构提供驱动力的大小。 尽可能 使其匀速，提高其稳定性。 综合考虑装置的简洁性和高效率两方面，我们选择了绳轮结构，并且将轮设计为锥形，以实现对速度的控制和调节。 车架在小车设计中起过度连接、支撑固定作 用。我们采用的是三角形和矩形组合的板式。这样有利于提高小车的稳定性及各方面的配合。 材料：有机塑料 参数确定：据整体尺寸综合考虑 设计理由：由于底板所承载的负荷比较小，选用有机塑料作为材料，减少能量损耗，薄壁面积应小于 400400车的重块在车上重物支撑杆上方开始下落，距离车底板上面约有 600小车为了节省能量及避障性好，车底板一般又不能选的面积太大，两后轮轮距不能太大，限制底板打宽度不能大。另外，也可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整个车的重心，达到良好的动态平衡，为此将小车底板 折弯，满足整车重心降低的需要，在滚筒轴上安装大齿轮的对应部位将小车底板铣出长孔，使得大齿轮转动不至于与底板接触摩擦。 传动机构，采用的是最简单的齿轮传动。 转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构 +摇杆、曲柄连杆 +摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。 其中本小车中采用曲柄连杆 +摇杆机构 优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有 时需利用弹簧等力封闭来保持接触。 缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。 经过大量查阅资料，综合考虑各种机构的利弊，包括加工难度、安装难度、传动效率、转向精度、及是否会发生自锁现 象等，我们选择曲柄连杆 +摇杆作为小车转向机构的方案。 可是通过曲柄摇杆机构不能完成三维空间的运动转换，因此必须采用双球形关节的连杆，可是以我们学校的加工能力，很难加工出高精度的关节轴承，故我们经过思考，用钩子 +孔洞的组合代替了关节轴承。这样的机构摩擦力小，加工简单，而且能很好地取代关节轴承的作用。 微调机构全部采用的是简单方便的螺纹 微调机构是小车的 调节部分，也是小车必不可少的装置。一方面，小车上的曲柄连杆比较灵敏，需要微微调整，对误差进行修正。另一方面，是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹，以适合比赛的需求。 在连杆处我们采用的是双头螺柱和两个内螺纹对连杆的长度进行微调，以适应加工精度引起的误差，同时能够很好地配合摇杆精心组合调节。具体图示及相关尺寸如下： 在摇杆处，我们经过深思熟虑，最后采用了调节精度高且稳定的的螺纹结构。 我们通过以上两种调节机构的配和，对其进行多方向调节，在修正加工引起的误差的同时，更灵活地调整小车 运动轨迹 行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。 有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为： 于相同的材料 为一定值。 而滚动摩擦阻力，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材 料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。 数分析模型 力学分析模型 a、驱动 驱动轮受到的力矩 柄轮受到的扭矩 受到的压力， 提供的动力，有 221 （其中 2 是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数） b、转向 假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为 大小可由赫兹公式求得， )11(1222121 由于 b 比较小，故 241 对于连杆的拉力 1 21 c o s)c o s1(a r c si n2 cc 12 s o s )s 21 cc c、小车行走受力分析 设小车惯量为 I，质心在则此时对于旋转中心 O 的惯量为 I )( 2321 （平行轴定理） )()( 21221 小车的加速度为： 2a、驱动： 当驱动轴 （曲柄） 转过的角度为 2d ，则有 22 则曲柄轴（轴 1）转过的角度 1 小车移动的距离为（以 A 轮为参考） 2 b、转向： 当转向杆与驱动轴间的夹角 为时，曲柄转过的角度为 1 则 与 1 满足以下关： 1221211222 co ss i ns i 解上述方程可得 1 与 的函 数关系式 1 f c、小车行走轨迹 只有 A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度 时，则小车转弯的曲率半径为 1 小车行走 程中，小车整体转过的角度 当小车转过的角度为 时，有 c 上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参数得到了小车运动轨迹 动角、死点分析 急回运动特性：曲柄摇杆机构中，曲柄虽作等速转动，而摇杆摆动是空回行程的平均速度却大于工作行程的平均速度。急回特性是连杆机构重要的运动特性，其急回运动的程度通常用行程速比系数来衡量。 在曲柄连杆滑块机构中，推程传动角 的大小是表示机构传动效率高低、传动性能优劣的一个重要参数。所以，如何在保证运动要求的前提下，获得优良的传动性能，就 是设计的目的。 死点指的是机构的传动角 =0，这时主动件会通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转中心，所以出现了不能使构件 从动件转动的顶死现象，机构的这种位置称为死点。 设 滑块的行程速比系数 K、滑块的冲程 H，曲柄的长度 a 和连杆的长度 b。 根据作图法设计原理可得 ： 极位夹角 =180(K+1) 在 (b+a)2+(-2(b+a)(整理得： )c o )c o b 22 (1) 由上述几何关系可见，在已知 K(已知 )和 H 的情况下，对应曲柄的某一长度 a，机构的其它几何尺寸 b 可确定 。 其中曲柄的转角为 = 180 对应着机构的推程，即为推程运动角。而曲柄的转角= 180 则对应着机构的回程，即回程运动角。极限位置 11 22别为推程的起始位置和终止位置。 如图所示 210 ，所以机构有急回作用，此时行程速度变化系数为K= 180180 当机构以曲柄 原动件时，从动件滑块与 夹的锐角即为传动角，其最小传动角将出现在曲柄 直机架的位置。即 推程最小传动角 必出现推程起始位置 11曲柄滑块路程近垂直位置 当以曲柄 原动件时，因为机构的最小传动角 0，所以机构无死点位置。但当以滑块为主动件时，因为机构从动件曲柄 在两处共线位置，故有两个死点位置。 本机构 原动件，所以无死点位置 A B 2 C D E 1 4 3 小车一旦设计出来在不改变其参数的条件下小车的轨迹就已经确定，但由于 加工误差和装配误差的存在，装配好小车后可能会出现其轨迹与预先设计的轨迹有偏离，需要纠正。其次开始设计的轨迹也许并不是最优的，需要通过调试试验来确定最优路径，着同样需要改变小车的某些参数。为了得到改变不同参数对小车运行轨迹的影响，和指导如何调试这里对小车各个参数进行灵敏度分析。通过 程得到 幅值 周期 方向 i b 柄半径 d 向杆的长 杆长度 参数确定 单位： 向轮与曲柄轴轴心距 b=150; 摇杆长 c=60; 驱动轮直径 D=35; 驱动轮 A 与转向轮横向偏距 0 驱动轮 B 与转向轮横向偏距 0; 驱动轴与转向轮的距 离 d=127; 曲柄长 3 部件设计 需加工的零件： a驱动轴 6061 空心铝合金管 。 外径 6径 3mm b车轮 聚甲醛板（ 材） 。 厚度： 8格尺寸： 600*1200mm c 车架 废木材。规格尺寸： 150*100*4mm d 曲柄 钢板。厚度 2mm e 连杆、摇杆 6061 实心铝管。直径 8 设计结果与总结 小车行走轨迹图 整个小车的设计用到了各种机械结构和机械原 理，经过我们的设计和组合，各个结构相互联系、相互配合，成为一个有机的整体。 安装好小车，放置好重物后，经过一定的试车和微调，小车就可以开始工作了。松开手，重物缓缓下落，通过定滑轮的绳从滚筒上慢慢展开，同时带动滚筒所在的轴以及轴上的齿轮转动，齿轮通过啮合使得后轮所在从轮轴转动，小车向前行驶；在主动轴上曲柄转动，通过曲柄摇杆机构控制前轮周期性转向，从而使小车走出特定的 S 形轨迹。 小车的整体评估： 优点： 整个小车以模块化设计的方法设计组合而成，各机构无论是功能还是加工等都是相对独立的。各机构部件选择合理，效率高 ，结构简单，加工容易，精确度能得到很好地保证。 微调机构均采用螺纹的结构，调节精度高，且加工相对容易。 以钩子 +孔洞的结构代替复杂且加工难度高精度难保证的关节轴承，结构简单效果良好。 采用单轮驱动，方便简单。 缺点： 所有的设想、计算等均只是处于理论的阶段，还需整体实践。 钩子 +孔洞的设想方向不错，但细节部分还需改进。 4 参考资料 朱 理主编 机械原理 张建中、何晓玲主编 机械设计课程设计 徐锦康主编 机械设 计 张美麟 主编 机械创新设计 成大先主编 机械设计 手册 附表 动力学分析程序 n=1000; h=,0.5,n); ; b=R=%驱动轮 a1 %驱动轮 a2 %曲柄半径 r1 %绳轮半径 r2 %驱动轴与转向轮的距离 d d=%转向杆的长 c c=l=b2+)+(1000; %算法 g=h/ii+; C=l2-2*c2.*(.2-(.2; A=2.*c.*(; B=-2*c2; af=./.2+B.2)./A); d)./(; s=; ds=s(2); ( bd= dy=ds* ds* x= y= xb=x-(a1+* yb=y-(a1+* xc=d* yc=d* 动力学分析 %参数输入 %小车 总质量 ; .8*; %小车惯量 I=mc*; +m*(2+); %传动效率 % %前轮半径 %前轮宽度 B=2/1000; %弹性模量 00*1000000000; 50*1000000000; %接触应力 )/(2*1)/; c/; %摩擦因素 %摩擦力矩 c=2/4; %摩阻系数 000; (m*9.8*r2*R; K=m*2; c*2+d2)/c* I././(K+ y,动学分析程序 符号定义 %驱动轴转过角度 驱动轴传动比 转向轮轴心距 b %转向杆的长 c %转向轮转过的角度 驱动轮半径 R %驱动轮 驱动轮 驱动轴与转向轮的距离 d %小车行驶的路程 s %小车 x %小车 y %轨迹曲率半径 曲柄半径 绳轮半径 参数输入 n=1000; h=,0.5,n); ; b=R=%驱动轮 a1 %驱动轮 a2 %曲柄半径 r1 %绳轮半径 r2 %驱动轴与转向轮的距离 d d=%转向杆的长 c c=l=b2+)+(1000; %算法 g=h/ii+; C=l2-2*c2.*(.2-(.2; A=2.*c.*(; B=-2*c2; af=./.2+B.2)./A); d)./(; s=; ds=s(2); ( bd= dy=ds* ds* x= y= xb=x-(a1+* yb=y-(a1+* xc=d* yc=d* x,y,b,xb,b,xc,m); on on i=1:9 t=0:*t)t)+i; xy, on 敏度 分析程序 符号定义 %驱动轴转过角度 驱