无碳小车走“8”字形越障的设计论文

1、无碳小车走“8字形越障的设计论文 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 -21车架- 6 -22 原动机构- 6 -23传动机构- 7 -24转向机构- 8 -25行走机构- 10 -26微调机构- 10 -三技术设计- 11 -31建立数学模型及参数确定- 11 -com律模型- 11 -com分析模型- 13 -com分析模型- 16 -com分析模型- 17 -com定- 18 -32零部件设计- 18 -33整体设计- 19 -com配图- 19 -四评价分析- 22 -41小车优缺点- 22 -42自动行走

2、比赛时的圈数估计- 23 -43改良方向- 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标准性和创新性设计过程中综合考虑材料 加工 制造本钱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局部辅助局部把小车分为车架 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

3、化设计分别针对每一个模块进行多方案设计通过综合比照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软件进行了小车的局部实体建模在实体建模的根底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本钱等小车大多是零件是标准件可以购置同时除局部要求加工精度高的局部需要特殊加工外大多数都可以通过手

4、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根底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

5、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竞赛工程所用乒乓球台及障碍设置图给定重力势能为4焦耳取g 10ms2竞赛时统一用质量为1Kg的重块50×65 mm普通碳钢铅垂下降来获得落差400±2mm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

6、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60×20 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11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13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

7、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局部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21车架车架不用承受很大的力精度要求低考虑到重量加工本钱等车架采用铝条焊接加工制作成三角底板式22 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

8、尽可能小防止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23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

9、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24转向机构转向机构是本小车设计的关键局部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根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

10、是通过棘形轮的间歇性运动使得小车在描红局部时棘轮的带齿局部未与齿轮啮合前轮的转动角度不变当小车到达黑线轨迹局部时棘轮的带齿局部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拟多这样就

11、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拟困难25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

12、能够有效防止碰到障碍双轮差速驱动可以防止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

13、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那么允许可以采用单轮驱动26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局部辅助设备微调机构就属于小车的控制局部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列图通过比拟微调螺母更为理想27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

14、至小车上与弹簧相碰防止碰撞时速度变化大防止损失更多能量三 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本钱等各因素31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com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那么有为第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

15、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01-08间下列图为当车轮半径分别为222mm70mm摩阻系数分别为030405mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图有上下列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列图为当摩阻系数为05mm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

16、率的坐标图由下列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com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转过的角度为那么有那么凸轮轴轴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那么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那么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

17、角度为时有d小车其他轮的轨迹以轮A为参考那么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com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比拟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那么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com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

18、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-00117-com1765727-com-comcom69-comd0040819-com转向杆的长-com365275711连杆长度-176955-comcom定单位m摇杆长c 006驱动轮直径D 0355驱动轮A与转向轮横向偏距a1 008驱动轮B与转向轮横向偏距a2 008驱动轴

19、与转向轮的距离d 018绳轮半径r2 com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6001200mm22可购置的标准件a单向离合器轴承2个型号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65mm大齿轮模数 1齿数 45外径 47mm内径 10mm厚度 10mm材质夹com1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防止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01m那么设路线方程为y sinax01并将点101代入方程得到路线方程为y sin01x01对一个周期