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字型 小车 设计

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南湖学院课程设计任务书设计题目：无碳小车走“8”字形越障的设计 目 录摘要- 1 -一设计要求- 3 -二方案设计- 6 -2.1车架- 6 -2.2 原动机构- 6 -2.3传动机构- 7 -2.4转向机构- 8 -2.5行走机构- 10 -2.6微调机构- 10 -三技术设计- 11 -3.1建立数学模型及参数确定- 11 -3.1.1能耗规律模型- 11 -3.1.2运动学分析模型- 13 -3.1.3动力学分析模型- 16 -3.1.4灵敏度分析模型- 17 -3.1.5参数确定- 18 -3.2零部件设计- 18 -3.3整体设计- 19 -3.3.1整体装配图- 19 -四评价分析- 22 -4.1小车优缺点- 22 -4.2自动行走比赛时的圈数估计- 23 -4.3改进方向- 23 -五总结和体会- 23 -六参考文献- 24 -摘 要第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮、转向机构采用凸轮滑块连杆机构、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的部分实体建模。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的电锯切割。因为小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车 凸轮滑块连杆机构 软件辅助设计 微调机构 一设计要求机械设计课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：一、 设计题目无碳小车走“8”字形越障的设计1.设计布置方案图1 无碳小车示意图2.功能设计要求 以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距500mm距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距500mm距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见图2。 图2：竞赛项目所用乒乓球台及障碍设置图给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差4002mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为6020 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。转向轮最大外径应不小于30mm。二.技术要求1、1个转向轮和2个驱动轮的设计2、转向轮控制机构的设计计算；3、轴的设计；4、轴承的选择；5、装配图、零件图的绘制；6、设计计算说明书的编写；三.工作要求1. 学生应当在指导老师指导下完成设计,必须独立完成设计任务,严禁抄袭,一经发现成绩以不及格计,并给予批评教育各严肃处理.2. 课程设计期间要严格遵守学习纪律,在此期间缺勤1/3以上,成绩以不及格计.3. 课程设计报告书一律打印在A4纸上,同时配上封面装订成册.二 方案设计通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。我们在互联网上搜索和参考了大量的资料和文献2.1车架：车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝条焊接加工制作成三角底板式2.2 原动机构：原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。我们设想使用飞轮作为储能机构，小车对原动机构应有这些要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。所以我们选用了锥形的绕线轮原动机构，这样可以调整驱动力。绕线轮两端半径不同，绕线位置的粗细可以调整驱动力的大小、2.3传动机构:传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。2.4转向机构: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：棘形轮机构，曲轴连杆+摇杆机构，凸轮机构+滑块连杆机构等等。1：棘形轮机构优点是通过棘形轮的间歇性运动，使得小车在描红部分时，棘轮的带齿部分未与齿轮啮合，前轮的转动角度不变，当小车到达黑线轨迹部分时，棘轮的带齿部分与齿轮啮合，小车前轮转向发生变化，进入下一个圆中运动，一次类推，小车不断地重复“8”字，进行运动。轨迹可以最大程度优化，是最理想的转动机构缺点是装配精度高，造价高，不太适合低速运动2：曲轴连杆+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。3：凸轮机构+滑块连杆机构凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难2.5行走机构:由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案，如果规则允许可以采用单轮驱动。2.6微调机构：一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用凸轮机构+滑块连杆机构方案，由于凸轮机构+滑块连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二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。微调机构可以采用下面两种方式微调螺母式、滑块式如下图通过比较微调螺母更为理想2.7缓冲机构：另外，我们还在车底盘上设置了一个弹簧装置，可以让重物下降到底部的时候有缓冲，这样可以减少对车体的冲击。重物下落至小车上与弹簧相碰，避免碰撞时速度变化大，避免损失更多能量。三 技术设计技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。3.1建立数学模型及参数确定通过对小车建立数学模型，可以实现小车的参数化设计和优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。3.1.1能耗规律模型为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为，即小车能量的传递效率为。小车轮与地面的摩阻系数为，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有为第i个轮子对地面的压力。为第i个轮子的半径。为第i个轮子行走的距离为小车总质量为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.小车能量转换效率。四方面考虑。 通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。下图为当车轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图有上下图可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。下图为当摩阻系数为0.5mm，车轮半径依次增加10mm时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图由下图可知当小车的半径每增加1cm小车便可多前进1m到2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。3.1.2运动学分析模型符号说明：驱动轮半径齿轮传动比驱动轮A与转向轮横向偏距驱动轮B与转向轮横向偏距驱动轴（轴2）与转向轮中心距离凸轮轴（轴1）与转向轮中心距离凸轮的旋转半径摇杆长连杆长轴的绳轮半径a、驱动：当重物下降时，驱动轴（轴2）转过的角度为，则有则凸轮轴（轴1）转过的角度小车移动的距离为（以A轮为参考）b、转向：当转向杆与驱动轴间的夹角为时，曲柄转过的角度为则与满足以下关：解上述方程可得与的函数关系式c、小车行走轨迹只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，如图：则小车转弯的曲率半径为小车行走过程中，小车整体转过的角度当小车转过的角度为时，有d、小车其他轮的轨迹以轮A为参考，则在小车的运动坐标系中，B的坐标C的坐标在地面坐标系中，有整理上述表达式有：3.1.3动力学分析模型a、驱动如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为，有产生的扭矩，（其中是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。）驱动轮受到的力矩，曲柄轮受到的扭矩，为驱动轮A受到的压力，为驱动轮A提供的动力，有（其中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，其大小可由赫兹公式求得，由于b比较小，故对于连杆的拉力，有c、小车行走受力分析设小车惯量为，质心在则此时对于旋转中心的惯量为（平行轴定理）小车的加速度为：整理上述表达式得：3.1.4灵敏度分析模型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MATLAB编程得到幅值周期方向i-0.0117-0.09158528.135b176.5727-35.3795578.82R-0.316316.39132528.1437a11.465469-0.27592528.5547d0.040819-117.738528.1465转向杆的长-1.637693.525236527.5711连杆长度-176.955-196.268477.35613.1.5参数确定单位：m摇杆长c=0.06;驱动轮直径D=0.355;驱动轮A与转向轮横向偏距a1=0.08驱动轮B与转向轮横向偏距a2=0.08;驱动轴与转向轮的距离d=0.18;绳轮半径r2=0.0063.2零部件设计需加工的零件：a驱动轴6061空心铝合金管。外径6mm 内径3mmb车轮聚甲醛板（POM板材）。厚度：8mm，规格尺寸：600*1200mm2.2可购买的标准件：a单向离合器轴承2个型號Bearing Number外型尺寸(mm)FC系列dDFC-6K(2)610d圆柱直齿轮1对小齿轮：模数=1，齿数=15，外径=17mm，内孔=3mm，厚度：6.5mm大齿轮：模数=1，齿数=45，外径=47mm，内径=10mm，厚度=10mm材质：夹布塑料3.3整体设计3.3.1整体装配图零件图顶针设计滚子采用与弹簧配合的直动顶针，避免摆动顶针压力大及摆动耗能等缺点。顶针与凸轮连接的一端，采用滚子滑动，减少摩擦损耗。驱动轮直径1=355mm 厚度 d=10mm转向轮直径2=140mm 厚度 d3=10mm加工原材料均为聚甲醛板凸轮设计形状：椭圆状凸轮，曲线缓和，适合低速机械运动。路线与凸轮的配合A路线设计1m根据实际情况，设定小车绕过障碍物时，距其0.1m，则设路线方程为y=sinax+0.1。并将点（1,0.1）代入方程，得到路线方程为y=sin0.1x+0.1。对一个周期内的路线积分得S1=。B凸轮轮廓设计50mm50mm根据实际路线，凸轮基圆半径设计为50mm，最大落差为150mm。对凸轮轮廓积分得轮廓总长s2。C要求s1与s2成整数比关系。D进行实地试验，对凸轮与路线的配合进行优化转向机构设计四评价分析4.1小车优缺点优点：（1）小车机构紧凑，单级齿轮传动，损耗能量少，（2）多处采用微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物，（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，（4）采用磁阻尼，小车稳定性提高，不致使车速过快，缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，避障稳定行差。4.2自动行走比赛时的圈数估计通过理论计算，小车行走圈数约为17圈。4.3改进方向小车最大的缺点是精度要求比较高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。五总结和体会通过这次无碳小车的课程设计，在准备过程和方案设计过中我们都学到和感受到了很多东西。创新是最重要的，通过看以前比赛的作品，其实无碳小车很多东西都是一样的，所以我们就在小处创新，发挥想象。通过无碳小车的设计我们更加了解了机械原理，工程实践的意义，更深刻地体会到书本学习与实际操作的不同与联系，也让我们明白了将理论学习与实践相结合的重要性。并且，在这次课程设计中，了解并熟悉了对一项方案从头到尾的设计流程，增强了自己在创新设计方面的能力。同时也提高了自己的综合实践创新以及实际操作动手能力。六参考文献【1】哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学高等教育出版社【2】孙恒陈作模葛文杰机械原理高等教育出版社【3】纪名刚濮良贵机械设计高等教育出版社【4】第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛无碳小车设计说明书目 录摘要- 1 -一设计要求- 3 -二方案设计- 6 -2.1车架- 6 -2.2 原动机构- 6 -2.3传动机构- 7 -2.4转向机构- 8 -2.5行走机构- 10 -2.6微调机构- 10 -三技术设计- 11 -3.1建立数学模型及参数确定- 11 -3.1.1能耗规律模型- 11 -3.1.2运动学分析模型- 13 -3.1.3动力学分析模型- 16 -3.1.4灵敏度分析模型- 17 -3.1.5参数确定- 18 -3.2零部件设计- 18 -3.3整体设计- 19 -3.3.1整体装配图- 19 -四评价分析- 22 -4.1小车优缺点- 22 -4.2自动行走比赛时的圈数估计- 23 -4.3改进方向- 23 -五总结和体会- 23 -六参考文献- 24 -摘 要第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮、转向机构采用凸轮滑块连杆机构、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的部分实体建模。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的电锯切割。因为小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车 凸轮滑块连杆机构 软件辅助设计 微调机构 一设计要求机械设计课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：一、 设计题目无碳小车走“8”字形越障的设计1.设计布置方案图1 无碳小车示意图2.功能设计要求 以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距390mm距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距500mm距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见图2。 图2：竞赛项目所用乒乓球台及障碍设置图给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差4002mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为6020 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。转向轮最大外径应不小于30mm。二.技术要求1、1个转向轮和2个驱动轮的设计2、转向轮控制机构的设计计算；3、轴的设计；4、轴承的选择；5、装配图、零件图的绘制；6、设计计算说明书的编写；三.工作要求1. 学生应当在指导老师指导下完成设计,必须独立完成设计任务,严禁抄袭,一经发现成绩以不及格计,并给予批评教育各严肃处理.2. 课程设计期间要严格遵守学习纪律,在此期间缺勤1/3以上,成绩以不及格计.3. 课程设计报告书一律打印在A4纸上,同时配上封面装订成册.二 方案设计通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。我们在互联网上搜索和参考了大量的资料和文献2.1车架：车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝条焊接加工制作成三角底板式2.2 原动机构：原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。我们设想使用飞轮作为储能机构，小车对原动机构应有这些要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。所以我们选用了锥形的绕线轮原动机构，这样可以调整驱动力。绕线轮两端半径不同，绕线位置的粗细可以调整驱动力的大小、2.3传动机构:传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。2.4转向机构: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：棘形轮机构，曲轴连杆+摇杆机构，凸轮机构+滑块连杆机构等等。1：棘形轮机构优点是通过棘形轮的间歇性运动，使得小车在描红部分时，棘轮的带齿部分未与齿轮啮合，前轮的转动角度不变，当小车到达黑线轨迹部分时，棘轮的带齿部分与齿轮啮合，小车前轮转向发生变化，进入下一个圆中运动，一次类推，小车不断地重复“8”字，进行运动。轨迹可以最大程度优化，是最理想的转动机构缺点是装配精度高，造价高，不太适合低速运动2：曲轴连杆+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。3：凸轮机构+滑块连杆机构凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难2.5行走机构:由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案，如果规则允许可以采用单轮驱动。2.6微调机构：一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用凸轮机构+滑块连杆机构方案，由于凸轮机构+滑块连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二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。微调机构可以采用下面两种方式微调螺母式、滑块式如下图通过比较微调螺母更为理想2.7缓冲机构：另外，我们还在车底盘上设置了一个弹簧装置，可以让重物下降到底部的时候有缓冲，这样可以减少对车体的冲击。重物下落至小车上与弹簧相碰，避免碰撞时速度变化大，避免损失更多能量。三 技术设计技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。3.1建立数学模型及参数确定通过对小车建立数学模型，可以实现小车的参数化设计和优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。3.1.1能耗规律模型为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为，即小车能量的传递效率为。小车轮与地面的摩阻系数为，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有为第i个轮子对地面的压力。为第i个轮子的半径。为第i个轮子行走的距离为小车总质量为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.小车能量转换效率。四方面考虑。 通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。下图为当车轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图有上下图可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。下图为当摩阻系数为0.5mm，车轮半径依次增加10mm时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图由下图可知当小车的半径每增加1cm小车便可多前进1m到2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。3.1.2运动学分析模型符号说明：驱动轮半径齿轮传动比驱动轮A与转向轮横向偏距驱动轮B与转向轮横向偏距驱动轴（轴2）与转向轮中心距离凸轮轴（轴1）与转向轮中心距离凸轮的旋转半径摇杆长连杆长轴的绳轮半径a、驱动：当重物下降时，驱动轴（轴2）转过的角度为，则有则凸轮轴（轴1）转过的角度小车移动的距离为（以A轮为参考）b、转向：当转向杆与驱动轴间的夹角为时，曲柄转过的角度为则与满足以下关：解上述方程可得与的函数关系式c、小车行走轨迹只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，如图：则小车转弯的曲率半径为小车行走过程中，小车整体转过的角度当小车转过的角度为时，有d、小车其他轮的轨迹以轮A为参考，则在小车的运动坐标系中，B的坐标C的坐标在地面坐标系中，有整理上述表达式有：3.1.3动力学分析模型a、驱动如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为，有产生的扭矩，（其中是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。）驱动轮受到的力矩，曲柄轮受到的扭矩，为驱动轮A受到的压力，为驱动轮A提供的动力，有（其中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，其大小可由赫兹公式求得，由于b比较小，故对于连杆的拉力，有c、小车行走受力分析设小车惯量为，质心在则此时对于旋转中心的惯量为（平行轴定理）小车的加速度为：整理上述表达式得：3.1.4灵敏度分析模型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MATLAB编程得到幅值周期方向i-0.0117-0.09158528.135b176.5727-35.3795578.82R-0.316316.39132528.1437a11.465469-0.27592528.5547d0.040819-117.738528.1465转向杆的长-1.637693.525236527.5711连杆长度-176.955-196.268477.35613.1.5参数确定单位：m摇杆长c=0.06;驱动轮直径D=0.355;驱动轮A与转向轮横向偏距a1=0.08驱动轮B与转向轮横向偏距a2=0.08;驱动轴与转向轮的距离d=0.18;绳轮半径r2=0.0063.2零部件设计需加工的零件：a驱动轴6061空心铝合金管。外径6mm 内径3mmb车轮聚甲醛板（POM板材）。厚度：8mm，规格尺寸：600*1200mm2.2可购买的标准件：a单向离合器轴承2个型號Bearing Number外型尺寸(mm)FC系列dDFC-6K(2)610d圆柱直齿轮1对小齿轮：模数=1，齿数=15，外径=17mm，内孔=3mm，厚度：6.5mm大齿轮：模数=1，齿数=45，外径=47mm，内径=10mm，厚度=10mm材质：夹布塑料3.3整体设计3.3.1整体装配图零件图顶针设计滚子采用与弹簧配合的直动顶针，避免摆动顶针压力大及摆动耗能等缺点。顶针与凸轮连接的一端，采用滚子滑动，减少摩擦损耗。驱动轮直径1=355mm 厚度 d=10mm转向轮直径2=140mm 厚度 d3=10mm加工原材料均为聚甲醛板凸轮设计形状：椭圆状凸轮，曲线缓和，适合低速机械运动。路线与凸轮的配合A路线设计1m根据实际情况，设定小车绕过障碍物时，距其0.1m，则设路线方程为y=sinax+0.1。并将点（1,0.1）代入方程，得到路线方程为y=sin0.1x+0.1。对一个周期内的路线积分得S1=。B凸轮轮廓设计50mm50mm根据实际路线，凸轮基圆半径设计为50mm，最大落差为150mm。对凸轮轮廓积分得轮廓总长s2。C要求s1与s2成整数比关系。D进行实地试验，对凸轮与路线的配合进行优化转向机构设计四评价分析4.1小车优缺点优点：（1）小车机构紧凑，单级齿轮传动，损耗能量少，（2）多处采用微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物，（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，（4）采用磁阻尼，小车稳定性提高，不致使车速过快，缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，避障稳定行差。4.2自动行走比赛时的圈数估计通过理论计算，小车行走圈数约为17圈。4.3改进方向小车最大的缺点是精度要求比较高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。五总结和体会通过这次无碳小车的课程设计，在准备过程和方案设计过中我们都学到和感受到了很多东西。创新是最重要的，通过看以前比赛的作品，其实无碳小车很多东西都是一样的，所以我们就在小处创新，发挥想象。通过无碳小车的设计我们更加了解了机械原理，工程实践的意义，更深刻地体会到书本学习与实际操作的不同与联系，也让我们明白了将理论学习与实践相结合的重要性。并且，在这次课程设计中，了解并熟悉了对一项方案从头到尾的设计流程，增强了自己在创新设计方面的能力。同时也提高了自己的综合实践创新以及实际操作动手能力。六参考文献【1】哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学高等教育出版社【2】孙恒陈作模葛文杰机械原理高等教育出版社【3】纪名刚濮良贵机械设计高等教育出版社【4】第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛无碳小车设计说明书机械设计课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：一、 设计题目无碳小车走“8”字形越障的设计1.设计布置方案图1 无碳小车示意图2.功能设计要求 以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距390mm距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距500mm距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见图2。 图2：竞赛项目所用乒乓球台及障碍设置图给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差4002mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为6020 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。转向轮最大外径应不小于30mm。二.技术要求1、1个转向轮和2个驱动轮的设计2、转向轮控制机构的设计计算；3、轴的设计；4、轴承的选择；5、装配图、零件图的绘制；6、设计计算说明书的编写；三.工作要求1. 学生应当在指导老师指导下完成设计,必须独立完成设计任务,严禁抄袭,一经发现成绩以不及格计,并给予批评教育各严肃处理.2. 课程设计期间要严格遵守学习纪律,在此期间缺勤1/3以上,成绩以不及格计.3. 课程设计报告书一律打印在A4纸上,同时配上封面装订成册.摘要在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的部分实体建模。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。 关键字：无碳小车 凸轮滑块 连杆机构 实体建模 微调机构 目录摘要I第1章 前言1第2章 系统分析42.1能耗规律分析42.2受力系统分析62.3稳定性分析72.4轨迹分析8第3章 结构设计103.1原动机构103.2传动机构113.3转向机构123.3.1转向部分123.3.2间歇部分133.3.3调节部分133.4驱动机构143.5底板和支撑架153.6整车设计16第4章 三维建模及运动仿真274.1三维建模274.1.1机构尺寸确定274.1.2基于Proe的三维建模284.2运动仿真284.2.1齿轮连接的定义294.2.2电机的定义304.2.3测量分析30结论32参考文献34IV第1章 前言1.1研究背景及意义如今，环境污染和能源问题相当严重,人类逐渐的思考着自己长期的发展方式,节能减排的观念慢慢的被人们所认可,以节能减排为主题的活动也在全球范围内展开。在这种国际大背景下,各个国家也努力的采取措施,全面的推动节能减排工作的进行,在一定程度上是取得了一些不错的效果和有用的经验。早在一九九二年，JR东集团就举办了一系列与保护环境相关的活动，并因此提倡了“两中心组范围内的运输和环境保护工作”的做法。1996年开发行动方针，在2001年制定定性指标。近年来，我国经济虽然取得了很大的发展，但也承受着资源紧缺、能源匮乏、环境污染等的巨大压力，为此，国家采取了很多相关治理和解救的措施，也制定了许多相关的政策。我国早在2006年3月16日就下达了单位GDP能耗必须下降20%的目标。并于在2009年在哥本哈根气候大会上，设置了到2020年单位GDP的CO2排放量比2005年的减少百分之四十左右的目标。据调查，在2013年30.49十亿吨全球碳排放量，中国排名第一，占22.3，人均碳排放量已超过世界平均水平。同时，今年4月在京召开了2015第七届国际节能减排展览会，本次节能减排展览了近300多个品牌。我国最近在研究无碳技术，已经有了一定的成果，在日常生活和工业生产等领域也有了相关设计产品，例如节能（包括节电、节油、节煤、节水等）产品的销售等，这些新技术的发明给人类信心在于改善环境方面。最近,国际原油价格浮动比较大、汽车尾气排放继续增多、全球变暖等问题日益严峻,这些情况都让汽车生产商重新规划自己的发展。太阳能、氢燃料电池、电混合电力汽车等顺势而来，但是这些都成本太高、性能不是很好，因此，新型能源的开发研究和使用变得尤为重要。环境的污染、能源的紧缺等问题越来越严重，可持续发展的道路势在必行，也将变成当今时代的最新潮流。很多国家把无碳技术用到工农业和日常生活的每个地方，“低碳生活”已成为全球发展趋向。就在国内外大兴节能减排时，这种纯机械的机构理所应当的存在很大的市场和发展前景，该课题也就具有了比较大的研究价值。同时，该命题对科学技术和工程有很大的实际应用价值和理论意义。11.2研究状况 自2010年第二届大学生工程训练竞赛主题定为“无碳小车”，以后的第三、四届也继续沿用此主题。该命题与高校教学中的工程训练密切相关，意在锻炼学生的“创新设计、制造工艺、实际操作和工程管理”四个方面的综合能力，比较系统和完整地考察学生的综合素质和学习能力。刚开始，没有对小车的轨迹要求，只是要求能绕障。后来，2012年第三届开始要求小车的轨迹，分为S形和8字型。每届竞赛也都呈现出了很多优秀的设计和实物的展现，各种机构层出不穷，各有所长。并以竞赛项目相关的设计、工艺、成本分析和工程管理四大部分来评比，其中，现场演示的成绩相当重要，再加上8字型轨迹的特征，需要实现转向、间歇和调节功能，这就对小车的转向机构要求较高。据调查，无碳小车相关的图书和期刊等，有对8字型小车的结构设计、轨迹分析等，相关的专利已查阅到28篇，其中与8字型直接相关的有4篇。大多是对轨迹分析、能耗分析、机构的设计等得讨论和分析居多。也可能因为小车性能决定的原因，转向部分相当重要，所以分析得较多的是转向机构的设计。有采用过共轭凸轮滚子直动推杆、凹槽凸轮推杆、不完全齿轮和曲柄滑块组合、曲柄摇杆、万向节连杆、空间曲柄摇杆和不完全齿轮的组合、曲柄连杆等机构。传动上的设计也有所不同，有选用带轮、齿轮、皮带和链传动等，驱动上主要因为是三轮结构，所以也就单轮驱动的设计较多。1.3技术要求以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置见图1-1,。小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距390mm距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距500mm距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见图1-2。图1-1 无碳小车示意图图2-2竞赛项目所用乒乓球台及障碍设置图第2章 系统分析 为了使小车能够更稳更远地行走，除了结构设计合理外，还需对小车系统的建模分析，以确定更加合适的结构尺寸。然而，影响小车行走轨迹的因素有很多，本章就最主要的能耗、受力、稳定性三个方面做系统的分析。2.1能耗规律分析 假设，重块下降的势能全用于小车前进（即在理想条件下），由系统能量守恒，可得： （2-1） （2-2）注：Ni第i个轮子对地面的压力； Ri第i个轮子的半径； Si第i个轮子行走的距离； 轮子与地面的摩擦系数； 能量的传递效率；m总小车总质量。由此，可以看出小车行走的距离S与能量的传递效率、摩擦系数、轮子半径R都有很大的联系。小车在尽可能消耗少的能量走得更远，即是小车能耗少，性能好的体现，下面就主要以、R分析。日常一般材料的是在0.1到0.8，通过调查，随着的递增，车子所走距离与能量转换效率之间的关系，如图2-1所示。由图分析可见，随着的增大，距离在减小，即小车可能更早的停下。由于，地面材料的不确定性，只有在选择小车轮子时考虑与地面的摩擦和内部能耗的因素，慎重选择材料。图2-1 行走距离摩阻系数图图2-2是当摩擦系数0.5m m时，小车行走距离与小车内部转换效率的坐标图。由图2-2可知，当小车的半径递增lcm时距离则相应的增多12m。因此，在结构设计上，在能保证完成八字型绕行和结构安装的同时，可以适量地增大轮子半径，从而使小车行走得更远。图2-2 距离轮子半径图（0.5mm）图2-3是当小车后轮直径与摩擦系数都定下来之后，随着小车重量的递增，小车的前进距离与内部转换的效率的关系图。由图2-3可知，小车质量越重，行走的距离相应也就越近，能量消耗地也就更多，更容易较早地停车。因此在设计小车时应尽量减少机构，材质的密度也要尽可能小，以减轻小车质量。图2-3 距离重量图2.2受力系统分析 以小车为整体研究，系统的受力如图2-4分析所示，其中Pl、P2、P3是重块下降的重力的等效作用力，即主动力；FA、FB、FC为地面对小车的支撑力，即约束力，这六个力相互作用构成空间三维上的一个平衡力系。图2-4 小车受力系统分析示意图如上图所示，在Oxyz中，由力的平衡，可以得到方程： （2-3） （2-4） （2-5）Pl=P2=P3=8N，FA=6.8N，FB=6.8N，Fc=10.4N，又木质地板与铝合金之间的摩擦系数大概在0.180.22，这里暂时以u=0.20为例计算，由，所以，可解得三个轮子与地面的滚动摩擦分别为：，. 这里对小车稳定时的系统的动力分析，可得出轮子与地面间的滚动摩擦力的大小，但由于场地的不确定性，因此，摩擦力也不确定。但通过此分析，可以得出摩擦力的大小与小车的质量有很大关系，因此，后期设计和选材方面，应该尽量减重。2.3稳定性分析 根据8字型轨迹的走法，一定存在转向。有转弯就有可能侧翻，所以有必要找到不翻倒的条件，这里就以小车右倾倒为例做系统的稳定性分析，图2-5是右倒的受力分析图，图2-5 小车侧翻时的受力示意图以小车为研究对象，Fmax为小车转弯时重块所受的离心力，其余力与图2-4相同，由受力分析可得, （2-6）, （2-7）, （2-8） （2-9） （2-10） （2-11）若小车出现右侧翻，则FB=0，可得FA=13.6N，FB=0N，Fc=10.4N，Fmax=2.72N,其中,Rmin为小车转弯时的最小半径,则。由上述的分析可知，小车在行走时的最大速度可以通过改变绳子绕锥形轮的位置改变，最大速度时不超过锥形轮的最大端，随后慢慢减小，以此达到控制转弯时速度过大而侧翻。2.4轨迹设计 1m根据实际情况，设定小车绕过障碍物时，距其0.1m，则设路线方程为y=sinax+0.1。并将点（1,0.1）代入方程，得到路线方程为y=sin0.1x+0.1。对一个周期内的路线积分得S1=。第3章 结构设计 根据小车的技术和功能要求，可大致将小车分为五个模块设计，包括：原动部分、传动部分、转向部分、驱动部分及车架部分。本章就小车结构设计方面讨论和分析，并得出较为完整的结构设计方案。3.1原动机构原动机构的功能是把重块的重力势能转化为到小车前进的动力上。于是，小车原动部分的设计须考虑以下条件：适当大的起动力矩，适当的牵引力，才能使小车足以起动、行驶平稳，拐弯的时候不会因为速度太大而出现晃动或者侧翻；重块在即将落到底板时，竖直方向上的速度应该尽可能地小，以免较大地冲击小车，以至于停车；由于每种材料的摩擦力不同，场地的不确定性，小车转化的动力也不同，因此需要考虑牵引力可调；小车的机构设计应该尽量简化，减轻小车整体的质量，减少消耗；综合以上方面的考虑，选择采用以前设计中出现的输出动力可调的绳轮机构，材料选用铝合金。为减少能量损失，采用高强度的尼龙线。开始时，起动力矩克服车轮的阻力矩向前滚动，起动小车，重物下降的过程就是重力势能向小车动能的转换。由于重块下降过程中不是匀速运动，实际下落的运动规律是：由静止开始加速，然后匀速下落，最后进入减速阶段，以接近速度为零落至底板。因此，开始时需要较大的起动力矩，才足以将小车牵动。所以需要对滚筒的直径进行设计，这里通过资料的查阅，决定采用锥形圆柱体和滑轮组合结构，能够更好地满足以上的运动规律，使小车能够比较平稳地起动和行走得更长。这样既减小了能量的损失，也充分地运用了重块下降所做的功。此外，需要注意的是变径线轮和驱动轮轴之间为过盈配合。小车原动部分机构设计的组合方案，如图3-1所示，1-锥形圆柱体（绕线），2-滑轮机构（悬挂重块）图3-1 小车原动机构图3.2传动机构传动机构主要是将转化来的动力传到小车的驱动轮上。要使小车按照理想的轨迹行走，并且收到比较满意的结果，传动部分的设计须要保证传递效率高、传动稳定、结构简单、质量轻等优点。常见的传动机构及分析如下：带轮传动：结构相对简单、传动平稳、抗震性能较好、成本低等，但其效率和传动精度不高，不适合本小车设计，固舍弃。齿轮传动：结构紧凑、工作可靠、传动比稳定、传动效率高，可达到95%。同步带传动：虽然传动效率很高，但是无碳小车中两传动轴的中心距小，不容易保证包角，所以舍弃。皮带传动：易打滑，不够平稳，传动性不好，摩擦较大，能耗损失太大。链条传动：传动比较准确，且质量轻，但瞬时转速和瞬时传动比无法固定，传动的平稳性较差。综上分析，可以采用线切割铝合金制造齿轮，以保证传动的精确性与质量较轻，固选齿轮传动。由于小车的动力源全部由重块提供，则驱动轮和转向机构都是通过传动机构来运作的。驱动轮旋转时，绕线筒在重块的牵引力下产生扭矩使得驱动轮轴转动。 此外，还以一定的传动比将驱动轮上的旋转运动传递给摇杆，带动转向机构旋转。为了行走到接近重合的8字，传动部分的作用很大，则齿轮的传动比i的取值就显得非常重要。它不仅传递转向机构的动力输入，同时保证了在驱动轮完成一个周期的路程时，转向机构完成一个周期的动作。这里通过计算，以300mm直径的轨迹为例，后轮直径为200mm，则周长为200mm。一个八字，轨迹长度相当于直径为300mm的两个圆，即600mm。则小车每走完一个八字，后轮就转动三圈，转向两次，如此循环。由于不完全齿轮与小齿轮是同轴输出的，则暂选传动机构中的齿轮传动比1:3最为合适，所以初步确定小齿轮z=29，大齿轮z=89，不完全齿轮与转向小齿轮的齿数比为1:2。须注意的是，齿轮的设计和材料的选择，以及加工精度的保证。以尽量减少受载时轴弯曲变形，因此各传动轴应有较高的刚度，位置上也有考虑轴的两端支承跨距尽可能小，轴伸尺寸尽可能短，齿轮尽可能靠近支承处以提高运动的精度。3.3转向机构要实现8字型轨迹周期性的绕行，必须满足轨迹封闭且曲率不能突变，这就要求转向机构必须具有转向和间歇的功能，又因为障碍物的距离是可调动的，则要求转向机构根据间距做一定的调整，所以还必须设计调节机构。当然，在同样能满足基本功能的时候，要考虑怎样才能使小车更精确地转向、更远更稳地行驶。3.3.1转向部分通过查阅大量书籍和文献，能够实现将竖直平面的转动转化为水平面运动的转向功能机构的主要有以下几种：锥齿轮、凸轮摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等。考虑到结构的复杂和安装精度等当面，不考虑前两者，后面两者的比较分析如下：差速转弯：通过运用两个驱动轮的角速度不同，而导致转动的半径不同，从而使产生不同的速度，形成差速。但是加工精度要求高，较难实现预期的运动17。 曲柄摇杆：曲柄做圆周运动转化为平面的往复运动，结构简单，加工方便17。 最终选择，决定使用曲柄摇杆。但是，由于曲柄摇杆无间歇的运动特性，单纯地采用曲柄摇杆机构可以实现的8字轨迹非常“瘦长”，这样小车轨迹的重复性不是很好，而且因其所需要的前轮最大摆角非常大，容易使小车转弯时发生倾覆，所以在这里还应添加补充设计间歇机构。此外，曲柄摇杆机构是将竖直平面内将旋转运动转化为周期性的往返运动，却无法将竖直平面的运动转向为水平面的运动，也无法控制前轮的转向，所以添加球头，将竖直平面的运动转化为水平面的运动，已达到小车转向的目的。3.3.2间歇部分间歇机构的主要功能是将主动件中的连续运动转化为从动件有停歇的周期或非周期性的运动。使用比较多的机构有：凸轮、不完全齿轮、棘轮和槽轮机构，下面就这几种比较和分析。 凸轮：摆角设计上有其优势，通过调整凸轮轮廓便于实现复杂的轨迹样式。不完全齿轮：配合完全齿轮使用。当不完全齿轮上的轮齿与从动齿轮的相啮合时，从动轮运动；当啮合分开时，从动轮静止，停歇比可控性较高，设计较灵活。但在啮合时，随着从动轮角速度的变化，机构将产生刚性冲击，且脱离啮合时，也会产生刚性冲击。棘轮：具有单向间歇特性，多用于进给、制动、超越和转位分度等机构、且摩擦大，不适用于周期性的往复运动。槽轮：转位较快，效率较高。但不能保证转弯时的稳定性，且槽轮的转角大小不能调节，制造和装配的精度要求较高，难以保证。考虑到小车实际运转速度慢、轻载和重复性要求高的特点，不完全齿轮有着更为明显的优势，所以，选择不完全齿轮机构能够更好地实现小车转向过程中的间歇运动。3.3.3调节部分由于障碍物的间距不确定、随机的，所以小车的最大转向角需可调，而小车的转角又与曲柄、连杆、摇杆的长度有关。曲柄和摇杆的长度对小车精确地完成重复轨迹至关重要，考虑到加工和装配精度的限制，必须增设微调机构。针对曲柄摇杆机构可采用两种微调方式，一种是螺母式，另一种是滑块式。为了更方便的调节摇杆连杆的长度，选用螺母式。连杆的长短主要通过粗调和细调两种方式来实现，即在连杆的一端设置不同位置的定位孔与曲柄连接实现粗调，而在连杆的另一端通过螺纹与摇杆连接实现细调，通过螺纹转动的角度来改变连杆、摇杆的长度。此外，两端的螺纹需要反向，当向某一侧旋转旋套，两侧的螺杆同时旋入或旋出，从而减小或增大连杆的长度。这里采用的是M5公制细牙螺纹，牙距为0.5mm。微调时，当旋转旋套10，连杆长度变化值为：0.520.0278mm。可见，微调机构可以实现小距离的调整，在一定范围内满足调整要求。结构如图3-4所示，1和3球头，2和4微调螺杆图3-4 双球头螺杆3.4驱动机构根据小车的运动原理和技术要求，初步确定可行的驱动方案有双轮驱动、差速驱动、单轮驱动，三种方案的对比和分析如下：双轮同步驱动：小车前进中会有轮子与地面打滑从而产生滑动摩擦，能量利用率因此而降低，行走时也会受到更多的约束，导致行走的轨迹误差变大；双轮差速驱动：虽然可以通过差速器能相应的减少摩擦，但单向轴承存在间隙，在主动轮和从动轮的切换过程中会出现误差导致运动轨迹有偏差，精确度较低。最终，考虑到加工过程中的可操作性和加工成本等一些列问题，选择单轮驱动作为小车的驱动机构。在确定单轮驱动作为驱动方案后，就直接把驱动轮作简化为参考点，并进行轨迹分析。通过前面一章轨迹的分析可以得到理想的轨迹路线应该是一个对称的且圆滑的八字形。考虑到单轮驱动向左转弯和向右转弯时，在主动轮在内侧和外侧，会产生不同的回转半径R。假设右边的后轮为主动轮，向右转时R=，向左转时R=（其中，a为障碍物间距，b为小车的车宽，为前轮摆角），因此，最终形成的轨迹是一个葫芦型的八字。3.5底板和支撑架为了防止重块下降过程中摆动，影响小车行走，设计了三根立柱的约束导轨，提高了小车的稳定性。车架要尽可能的轻便、牢固，刚度要适当，弹性小，在重物的压力下要求变形尽可能小。综合质量、成本、加工难易、装配等因素的考虑，车架选择铝合金制作成支撑架。如图3-5所示，图3-5 三导轨支撑架底板是小车最主要的承载体，连接重要机构，固结构设计一定要合理。考虑到小车载重不是很大，将底板设计成框式结构。为了避免底板因发生振动而造成大量能量损失，将边框横截面设计成T字型，边框的宽度为10mm，厚度为4mm，这样就可以保证了小车的刚度，在不变形的情况下又能承受住载荷，理想的底板结构如图3-6所示。 图3-6 底板理想结构示意图然而，底板的宽度决定了两个后轮之间的轴距，由于小车连续不断地作曲线运动，因此两个后轮行走时存在着速差。轴距会影响小车的平稳性，并且对后轮的差速性能也有很大的影响。轴距太小则会降低小车行走过程中的平稳性，轴距太大又会加大小车的转向难度。在把每个零件装配上去后，取底板能够达到的最小值，将底板的宽度设计为105mm，长度根据齿轮啮合的长度以及转向部分和行走部分所占长度设计为220mm，厚度为3mm，既可以保证形变量很小，也可以最大化的减轻重量，最终小车底板实际结构如图3-7所示，图3-7 底板实际俯视图3.6整车设计整车的轴承统一选择：内径确定为6毫米，外径确定为10毫米，宽度确定3毫米的微型深沟球轴承。根据往届工程能力竞赛的要求设计前轮直径为30mm，厚度为10mm,以便于放下两个轴承。转向部分的球头为网上购买，设计尺寸为内径3mm，外径5mm；微调螺母为双向螺纹，为了适应球头设计外径为3毫米，长度为55毫米；转向支撑架根据已确定的零件尺寸来设计；与前轮支撑架连接到螺杆为全螺纹，设计长度为56mm，便于大幅度的调节长度，改变前轮的最大转角。传动机构的不完全齿轮设计为68个齿，模数为1，隔90把齿切掉，与不完全齿轮连接的小齿轮设计为33个齿，模数为1，传动比约为1:2；而有前面的说明可知原动轴上的齿轮与传动轴上的齿轮齿数分别为19和99，模数为1；绕线轮设计为锥形，最大直径和最小直径分别为18