无碳小车走“8”字形越障的设计

南湖学院课程设计报告主题：无碳小车跨越“8”字型障碍的设计本科：机电一体化专业：机械设计制造与自动化类别：姓名：学位：2012年01月4日目录一绪论11.1课程设计担当书主题11.2小车功能设计要求11.3购物车整体设计要求11.4购物车的设计方法2两个方案设计22.1帧42.2发动机机构52.3传动机构52.4转向机构52.5行走机构62.6微调机构7三技术设计83.1建立数学模型和参数确定83.1.1能源规则模型83.1.2运动学分析模型103.1.3动力学分析模型133.1.4灵敏度分析模型153.1.5参数决定163.2零件设计163.3总体设计183.3.1整体组装图183.3.2小车运动仿真分析19四台车的制作调整和改良194.1购物车制作流程194.2小车的调整方法194.3推车的改良方法195评价分析195.1小车的优缺点195.2自动行驶比赛时行驶距离推定205.3改善方向20第一页共二十页一绪论1.1课程设计担当书的主题课程设计任务的主题是“无碳运输车行走“8”字形”。 内容体现了“创新设计能力、制造技术能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。1.2小车的功能设计要求自行车具有由重力电位驱动的方向控制功能。 设计了一种装置，该装置给出重力电势，根据能量转换原理，将该重力电势转换为机械能，驱动小车行驶。 小车在标准乒乓球台的一半(长1525mm，宽1370mm )上，绕过500mm距离的两个障碍物，绕过时不要碰到障碍物，不要掉球台。 障碍物为直径20mm、长度200mm的2根圆棒，以500mm的距离放置在标准乒乓球台的中线，用推车达到8个字的循环次数，综合评价成绩。 参照图。图：竞赛项目中使用的乒乓球台和障碍物安装图给予的重力势为4焦耳(取g=10m/s2)，竞技时质量1Kg的重块(2卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡653在课程的设计中，汽车前进过程中完成的所有动作所需的能量都是通过该能量转换得到的，不能使用其他能量形式。 小车要求采用三轮结构(一个转向轮，两个驱动轮)，具体结构造型和材料选择均由参加者自主设计。 满足要求：在小车上搭载外形尺寸为6020 mm的实心圆筒型钢制质量块作为负荷，在重量必须在400克以上的小车行走时，请勿使负荷下降。 转向轮的最大外径请控制在30mm以上1.3小车整体的设计要求一、一个转向轮和两个驱动轮的设计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 .组装图、零部件图的制作6 .设计计算书的编制1.4小车的设计方法推车的设计必须明确目标，通过对命题的分析，我们得到了比较明确宽广的设计思路。 作品的设计需要系统的规范性和创新性。 在设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等。汽车的设计是提高汽车性能的关键。 在设计方法上，我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发明理论方法。 采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。二方案设计通过分析推车的功能，推车完成了重力势的转换，需要自己行走，自动避开障碍物。 为了便于设计，此处根据小车的完成功能，将小车分为五个部分进行模块化设计(车架、原动机机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构)。 为了得到满意的方案，采用扩展性思维设计了各模块，寻求很多可行的方案和构想。在选择计划时，要综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各要素，并尽量避免直接决策，减少决策时的主观要素，使选择的计划得到综合优化。2.1帧车架不必承受很大的力，精度很低。 考虑到重量加工成本等，车架通过木材加工制作成三角底板式。 通过回收废木材得到并加工了。2.2发动机机构发动机机构的作用是将重块的重力势能转换成小车的驱动力。 有几个方案可以实现这一功能，在效率和简单性方面绳轮是最佳的。 小车对发动机机构还有其他具体要求。 1 .驱动力适中，车转弯时速度不会大幅度倾斜，重块也不会摇晃。 2 .到达终点前应尽量减小重块的垂直速度，以免给车带来过大冲击。 同时，尽量使重块的动能变为驱动车前进，重块的垂直方向的速度大的话，重块自身不会释放出很多动能，能利用率不高。 3 .因为不同场所对车轮的摩擦有可能不同，所以不同场所车辆所需的动力也不同。 我不知道调试时驱动力有多好。 因此，发动机机构必须能够根据需要调整驱动力。 4 .机构简单，效率高。基于以上分析，提出了输出驱动力可调的绳轮式发动机机构。 下一个图12 .图1如上图所示，通过改变绳索缠绕在绳轮上的位置，可以改变其输出的动力。2.3传动机构传动机构的功能是将动力和运动传递给转向机构和驱动轮。 小车行走的距离和设计轨道要准确行走，传动机构必须传动效率高、传动稳定、结构简单、重量轻。1 .不用其他多馀的传动装置，用动力轴直接驱动车轮和转向机构的方式效率最高，结构最简单。 这是不考虑其他条件时的最佳方法。2 .皮带轮结构简单，传动平稳，价格低廉，具有缓冲冲击等特点，但其效率和传动精度不高。 我不适合这个推车的设计。3 .齿轮效率高，结构紧凑，工作可靠，齿轮比稳定，但价格高。 因此，当在第一方式中不能满足要求时，优先使用齿轮传动。2.4转向机构转向机构是本车设计的重要部分，直接决定了车的功能。 转向机构也同样需要尽量减少摩擦能量，结构简单，零件得到等基本条件，同时需要特殊的运动特性。 能够将旋转运动转换为满足要求的往复摆动，使方向盘左右旋转，实现避免弯曲功能。 能够实现该功能的机构是凸轮机构杆、曲柄连杆、曲柄杆、差动转角等。凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，在运动时，可以通过高副接触使从动件连续或不连续地进行任意往复运动。优点：只要设计合适的凸轮轮廓，就能给从动件带来任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便的缺点：凸轮轮廓加工困难。在本小车的设计中，凸轮的轮廓加工困难，尺寸无法可逆地变化，精度也难以保证，重量大，效率低的能量损失大(折动摩擦)，因此不采用曲柄连杆优点：运动副单位面积的压力小，表面接触容易润滑，磨损小，制造方便，精度高的两个部件之间的接触通过自身的几何封闭来维持，不需要像凸轮机构那样用弹簧等力封闭来维持接触。缺点：一般来说，只能近似地实现给定的运动规律和运动轨迹，在设计复杂、给定的运动要求多或复杂的情况下，由于需要的部件数和运动副数多，机构结构复杂，作业效率降低，发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律的制造、 在增加安装误差敏感性的机构中，平面复杂运动和往复运动构件的不老惯性力难以平衡，引起高速大的振动和动载荷，因此连杆机构常用于速度低的情况。在这种小车设计中，由于小车的转向频率和传递力很小，所以可以很轻地构成机构，可以忽略惯性力，机构并不复杂。 应用MATLAB的参数化设计并不困难。 通过增加连杆，利用轴承可大幅度降低摩擦损失，提高效率。 关于安装误差的敏感性，可追加微调机制解决。曲柄摇杆结构简单，但与凸轮一样有滑动摩擦副，效率低。 其急转弯特性，难以设计出良好的机构。差动角差动转角利用2个偏心轮作为驱动轮，由于两车轮的角速度相同，旋转半径不同，因此两车轮的速度不同，产生差动。 汽车通过差动实现弯道故障。差速转弯是理论上汽车能走的最远设计方案。 与凸轮一样，要求车轮的加工精度，加工后也不能根据需要调整车轮的尺寸。 (因加工和组装误差不可避免)综上分析，选择曲柄连杆作为小车的转向机构。2.5行走机构步行机构为三个车轮，车轮厚度差异、大小差异、材料差异需要综合考虑。根据摩擦理论，摩擦力矩与正压的关系对于相同的材料是一定的值。因为滚动摩擦阻力，车轮的大小越大，车受到的阻力就越小，所以可以走路的距离就越长。 但是，由于加工问题材料的问题，安装问题等具体尺寸还需要进一步分析和确定。推车沿曲线前进，所以后轮一定会产生差速。 后轮可采用两轮同步驱动、两轮差速驱动、单轮驱动。两轮同步驱动必定会有车轮与地面滑动，在滑动摩擦失去远大于摩擦大会的能量的同时，车的前进受到过度约束，无法确定其轨迹，无法有效避免遇到障碍。两轮差动驱动能够避免两轮同步驱动的问题，能够通过差动器或单向离合器实现差动。 差速器与最小能耗的原理相关，可以很好地减少摩擦损失，同时实现令人满意的运动。 单向轴承实现差速的原理是，一个车轮的速度大时成为从动轮，速度慢的车轮成为主动轮，交替变化。 但是，由于单向轴承有间隙，在主动轮的从动轮的切换过程中出现误差，运动不正确，但是有必要进一步分析影响很多大会对推车的功能没有影响。单轮驱动是指，只将一个车轮用作驱动轮，一个是导向轮，另一个是从动轮。 就像一辆自行车和一个车轮。 从动轮与驱动轮的差速由与地面的运动约束决定。 其效率高于利用差动器，但前进速度不比差动器稳定，传动精度高于利用单向离合器。以上行走机构的车轮必须适当大小，有条件可通过实验确定实现差速的机构方案，有规则可采用单轮驱动。2.6微调机构一台完整的机器包括原动机、传动机、驱动器、控制部、辅助设备。 微调机构是小车的控制部分。 先前确定的转向是曲柄连杆方式，曲柄连杆机构对加工误差和组装误差敏感，必须加以微调机构修正误差。 这是采用微调机构的理由之一，其二是为了调整推车的轨迹(振幅、周期、方向等)，使推车在最佳轨迹上行走。微调机构可通过以下2种方式微调螺母式、滑动式图2由于理论分析和实际情况存在差异，理论分析只能得到优良的方案，不能得到最佳的方案。 因此，我们设计了一种简单的机构小车，用小部分的变更改造其他方案，可以在实验中得到比较合适的小车。三技术设计技术设计阶段的目标是完成详细的设计以确定各个零件的尺寸。 在设计的同时综合考虑材料加工成本等诸因素。3.1建立数学模型和参数确定运输车建立了数学模型，实现了运输车的参数化设计和优化设计，提高了设计效率，得到了良好的设计方案。 充分发挥计算机在辅助设计中的作用。3.1.1能源规模为了简化分析，首先不考虑购物车内部的能源消耗机制。 设车内部的能耗系数为，车的能量传递效率为。 小车轮与地面的摩擦阻力系数，理想情况下重块的重力势均被认为是用于车辆克服阻力前进。 有的第I个车轮对地面的压力。第I个轮子的半径。为第I个车轮行走的距离购物车的总质量为了更全面地理解推车各参数的变化以及推车前进距离的变化，分别从1 .车轮和地面的滚动阻力系数，2 .车轮的半径，3 .推车的重量，4 .推车的能量转换效率。 从四方面考虑。研究资料表明，一般材料的滚动阻力系数在0.1-0.8之间。 下图是车轮半径分别为(222mm、70mm )的摩擦阻力系数分别为0.3、0.4、0.5、 mm时的车辆行驶距离和车内部的转换效率的图表(图3 )。从上述图3可知，滚动阻力系数对小车的运动非常显着，因此在设计小车时也考虑车轮的材料，车轮的刚性尽可能大，与地面的阻力系数尽可能小。同时，汽车向车轮提供能量的效率增加了2倍，汽车前进的距离也增加了2倍。 因此，必须尽量减少小车内部的摩擦损失，简化机构，充分润滑。图4是摩擦阻力系数为0.5mm、车轮半径每次增加10mm时小车的行驶距离和小车内部的转换效率的曲线图图3图4由图可知，车的半径每增加1cm就可以从1m多行进2m。 因此，设计时应考虑尽可能增大车轮半径。3.1.2运动学分析模型符号说明：驱动轮半径齿轮比驱动轮a与转向轮横向偏移驱动轮b与转向轮横向偏移驱动轴(轴2 )与转向轮中心距离曲轴(轴1 )与转向轮中心距离曲柄旋转半径杠杆长链路长度轴的滑轮半径a、驱动程序：当重物下降时，驱动轴(轴2 )旋转角度曲轴(轴1 )旋转的角度推车移动的距离(请参阅a轮)b、转向：将转向杆与驱动轴之间的角度设为，曲柄旋转的角度为这些关系包括：通过求解上述方程式得到的函数关系公式c .推车的行驶轨迹只有a轮是驱动轮，改变旋转角，如下所示汽车弯曲的曲率半径汽车行走时，整个汽车旋转的角度汽车旋