1、無碳小車走“8字形越障的設計論文 南湖學院課程設計任務書設計題目無碳小車走8字形越障的設計 目 錄摘要- 1 -一設計要求- 3 -二方案設計- 6 -21車架- 6 -22 原動機構- 6 -23傳動機構- 7 -24轉向機構- 8 -25行走機構- 10 -26微調機構- 10 -三技術設計- 11 -31建立數學模型及參數確定- 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 -32零部件設計- 18 -33整體設計- 19 -com配圖- 19 -四評價分析- 22 -41小車優缺點- 22 -42自動行走

2、比賽時的圈數估計- 23 -43改良方向- 23 -五總結和體會- 23 -六參考文獻- 24 -摘 要第二屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題主題為無碳小車在設計小車過程中特別注重設計的方法力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設計思路作品的設計做到有系統性標準性和創新性設計過程中綜合考慮材料 加工 制造本錢等給方面因素我們把小車的設計分為三個階段方案設計技術設計制作調試通過每一階段的深入分析層層把關是我們的設計盡可能向最優設計靠攏方案設計階段根據小車功能要求我們根據機器的構成原動機構傳動機構執行機構控制局部輔助局部把小車分為車架 原動機構 傳動機構 轉向機構 行走機構 微調機構六個模塊進行模塊

3、化設計分別針對每一個模塊進行多方案設計通過綜合比照選擇出最優的方案組合我們的方案為車架采用三角底板式原動機構采用了錐形軸傳動機構采用齒輪轉向機構采用凸輪滑塊連桿機構行走機構采用單輪驅動實現差速微調機構采用微調螺母螺釘其中轉向機構利用了調心軸承關節軸承技術設計階段我們先對方案建立數學模型進行理論分析分別進行了能耗規律分析運動學分析動力學分析靈敏度分析進而得出了小車的具體參數和運動規律接著應用PROE軟件進行了小車的局部實體建模在實體建模的根底上對每一個零件進行了詳細的設計綜合考慮零件材料性能加工工藝本錢等小車大多是零件是標準件可以購置同時除局部要求加工精度高的局部需要特殊加工外大多數都可以通過手

4、工加工出來對于塑料會采用自制的電鋸切割因為小車受力都不大因此大量采用膠接簡化零件及零件裝配調試過程會通過微調等方式改變小車的參數進行試驗在試驗的根底上驗證小車的運動規律同時確定小車最優的參數 關鍵字無碳小車 凸輪滑塊連桿機構 軟件輔助設計 微調機構 一設計要求機械設計課程設計任務書1課程設計的內容和要求包括原始數據技術要求工作要求等設計題目無碳小車走8字形越障的設計1設計布置方案圖1 無碳小車示意圖2功能設計要求 以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車給定一重力勢能根據能量轉換原理設計一種可將該重力勢能轉換為機械能并可用來驅動小車行走的裝置小車在半張標準乒乓球臺長1525mm寬1370mm

5、上繞相距500mm距離的兩個障礙沿8字形軌跡繞行繞行時不可以撞倒障礙物不可以掉下球臺障礙物為直徑20mm長200mm的2個圓棒相距500mm距離放置在半張標準乒乓球臺的中線上以小車完成8字繞行圈數的多少來綜合評定成績見圖2 圖2競賽工程所用乒乓球臺及障礙設置圖給定重力勢能為4焦耳取g 10ms2競賽時統一用質量為1Kg的重塊50×65 mm普通碳鋼鉛垂下降來獲得落差400±2mm重塊落下后須被小車承載并同小車一起運動不允許掉落要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉換獲得不可使用任何其他的能量形式小車要求采用三輪結構1個轉向輪2個驅動輪具體結構造型以及材料選用

6、均由參賽者自主設計完成要求滿足小車上面要裝載一件外形尺寸為60×20 mm的實心圓柱型鋼制質量塊作為載荷其質量應不小于400克在小車行走過程中載荷不允許掉落轉向輪最大外徑應不小于30mm二技術要求11個轉向輪和2個驅動輪的設計2轉向輪控制機構的設計計算3軸的設計4軸承的選擇5裝配圖零件圖的繪制6設計計算說明書的編寫三工作要求1 學生應當在指導老師指導下完成設計必須獨立完成設計任務嚴禁抄襲一經發現成績以不及格計并給予批評教育各嚴肅處理2 課程設計期間要嚴格遵守學習紀律在此期間缺勤13以上成績以不及格計3 課程設計報告書一律打印在A4紙上同時配上封面裝訂成冊二 方案設計通過對小車的功能分

7、析小車需要完成重力勢能的轉換驅動自身行走自動避開障礙物為了方便設計這里根據小車所要完成的功能將小車劃分為五個局部進行模塊化設計車架 原動機構 傳動機構 轉向機構 行走機構 微調機構為了得到令人滿意方案采用擴展性思維設計每一個模塊尋求多種可行的方案和構思我們在互聯網上搜索和參考了大量的資料和文獻21車架車架不用承受很大的力精度要求低考慮到重量加工本錢等車架采用鋁條焊接加工制作成三角底板式22 原動機構原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力我們設想使用飛輪作為儲能機構小車對原動機構應有這些要求1驅動力適中不至于小車拐彎時速度過大傾翻或重塊晃動厲害影響行走2到達終點前重塊豎直方向的速度要

8、盡可能小防止對小車過大的沖擊同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上如果重塊豎直方向的速度較大重塊本身還有較多動能未釋放能量利用率不高3由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣在不同的場地小車是需要的動力也不一樣在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力4機構簡單效率高所以我們選用了錐形的繞線輪原動機構這樣可以調整驅動力繞線輪兩端半徑不同繞線位置的粗細可以調整驅動力的大小23傳動機構傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛傳動機構必需傳遞效率高傳動穩定結構簡單重量輕等1不用其它額外的傳動裝置直接由

9、動力軸驅動輪子和轉向機構此種方式效率最高結構最簡單在不考慮其它條件時這是最優的方式2帶輪具有結構簡單傳動平穩價格低廉緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高不適合本小車設計3齒輪具有效率高結構緊湊工作可靠傳動比穩定但價格較高因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優先考慮使用齒輪傳動24轉向機構轉向機構是本小車設計的關鍵局部直接決定著小車的功能轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能結構簡單零部件已獲得等根本條件同時還需要有特殊的運動特性能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障的功能能實現該功能的機構有棘形輪機構曲軸連桿搖桿機構凸輪機構滑塊連桿機構等等1棘形輪機構優點

10、是通過棘形輪的間歇性運動使得小車在描紅局部時棘輪的帶齒局部未與齒輪嚙合前輪的轉動角度不變當小車到達黑線軌跡局部時棘輪的帶齒局部與齒輪嚙合小車前輪轉向發生變化進入下一個圓中運動一次類推小車不斷地重復8字進行運動軌跡可以最大程度優化是最理想的轉動機構缺點是裝配精度高造價高不太適合低速運動2曲軸連桿搖桿機構優點運動副單位面積所受壓力較小且面接觸便于潤滑故磨損減小制造方便已獲得較高精度兩構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構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸缺點一般情況下只能近似實現給定的運動規律或運動軌跡且設計較為復雜當給定的運動要求較多或較復雜時需要的構件數和運動副數往往比擬多這樣就

11、使機構結構復雜工作效率降低不僅發生自鎖的可能性增加而且機構運動規律對制造安裝誤差的敏感性增加機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣性力難以平衡3凸輪機構滑塊連桿機構凸輪凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件它運動時通過高副接觸可以使從動件獲得連續或不連續的任意預期往復運動優點只需設計適當的凸輪輪廓便可使從動件得到任意的預期運動而且結構簡單緊湊設計方便缺點凸輪輪廓加工比擬困難25行走機構由于小車是沿著曲線前進的后輪必定會產生差速對于后輪可以采用雙輪同步驅動雙輪差速驅動單輪驅動雙輪同步驅動必定有輪子會與地面打滑由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量同時小車前進受到過多的約束無法確定其軌跡不

12、能夠有效防止碰到障礙雙輪差速驅動可以防止雙輪同步驅動出現的問題可以通過差速器或單向軸承來實現差速差速器涉及到最小能耗原理能較好的減少摩擦損耗同時能夠實現滿足要運動單向軸承實現差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪速度較慢的輪子成為主動輪這樣交替變換著但由于單向軸承存在側隙在主動輪從動輪切換過程中出現誤差導致運動不準確但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析單輪驅動即只利用一個輪子作為驅動輪一個為導向輪另一個為從動輪就如一輛自行車外加一個車輪一樣從動輪與驅動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的其效率比利用差速器高但前進速度不如差速器穩定傳動精度比利用單向軸承高綜上所述行走機構的輪

13、子應有恰當的尺寸可以如果有條件可以通過實驗來確定實現差速的機構方案如果規那么允許可以采用單輪驅動26微調機構一臺完整的機器包括原動機傳動機執行機構控制局部輔助設備微調機構就屬于小車的控制局部由于前面確定了轉向采用凸輪機構滑塊連桿機構方案由于凸輪機構滑塊連桿機構對于加工誤差和裝配誤差很敏感因此就必須加上微調機構對誤差進行修正這是采用微調機構的原因之一其二是為了調整小車的軌跡幅值周期方向等使小車走一條最優的軌跡微調機構可以采用下面兩種方式微調螺母式滑塊式如下列圖通過比擬微調螺母更為理想27緩沖機構另外我們還在車底盤上設置了一個彈簧裝置可以讓重物下降到底部的時候有緩沖這樣可以減少對車體的沖擊重物下落

14、至小車上與彈簧相碰防止碰撞時速度變化大防止損失更多能量三 技術設計技術設計階段的目標是完成詳細設計確定個零部件的的尺寸設計的同時綜合考慮材料加工本錢等各因素31建立數學模型及參數確定通過對小車建立數學模型可以實現小車的參數化設計和優化設計提高設計的效率和得到較優的設計方案充分發揮計算機在輔助設計中的作用com律模型為了簡化分析先不考慮小車內部的能耗機理設小車內部的能耗系數為即小車能量的傳遞效率為小車輪與地面的摩阻系數為理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上那么有為第i個輪子對地面的壓力為第i個輪子的半徑為第i個輪子行走的距離為小車總質量為了更全面的理解小車的各個參數變化對小車前進

15、距離的變化下面分別從1輪子與地面的滾動摩阻系數2輪子的半徑3小車的重量4小車能量轉換效率四方面考慮 通過查閱資料知道一般材料的滾動摩阻系數為01-08間下列圖為當車輪半徑分別為222mm70mm摩阻系數分別為030405mm時小車行走的距離與小車內部轉換效率的坐標圖有上下列圖可知滾動摩阻系數對小車的運動影響非常顯著因此在設計小車時也特別注意考慮輪子的材料輪子的剛度盡可能大與地面的摩阻系數盡可能小同時可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進的距離也提高一倍因此應盡可能減少小車內部的摩擦損耗簡化機構充分潤滑下列圖為當摩阻系數為05mm車輪半徑依次增加10mm時的小車行走的距離與小車內部轉換效

16、率的坐標圖由下列圖可知當小車的半徑每增加1cm小車便可多前進1m到2m因此在設計時應考慮盡可能增大輪子的半徑com分析模型符號說明驅動輪半徑齒輪傳動比驅動輪A與轉向輪橫向偏距驅動輪B與轉向輪橫向偏距驅動軸軸2與轉向輪中心距離凸輪軸軸1與轉向輪中心距離凸輪的旋轉半徑搖桿長連桿長軸的繩輪半徑a驅動當重物下降時驅動軸軸2轉過的角度為那么有那么凸輪軸軸1轉過的角度小車移動的距離為以A輪為參考b轉向當轉向桿與驅動軸間的夾角為時曲柄轉過的角度為那么與滿足以下關解上述方程可得與的函數關系式c小車行走軌跡只有A輪為驅動輪當轉向輪轉過角度時如圖那么小車轉彎的曲率半徑為小車行走過程中小車整體轉過的角度當小車轉過的

17、角度為時有d小車其他輪的軌跡以輪A為參考那么在小車的運動坐標系中B的坐標C的坐標在地面坐標系中有整理上述表達式有com分析模型a驅動如圖重物以加速度向下加速運動繩子拉力為有產生的扭矩其中是考慮到摩擦產生的影響而設置的系數驅動輪受到的力矩曲柄輪受到的扭矩為驅動輪A受到的壓力為驅動輪A提供的動力有其中是考慮到摩擦產生的影響而設置的系數b轉向假設小車在轉向過程中轉向輪受到的阻力矩恒為其大小可由赫茲公式求得由于b比擬小故對于連桿的拉力有c小車行走受力分析設小車慣量為質心在那么此時對于旋轉中心的慣量為平行軸定理小車的加速度為整理上述表達式得com分析模型小車一旦設計出來在不改變其參數的條件下小車的軌跡就

18、已經確定但由于加工誤差和裝配誤差的存在裝配好小車后可能會出現其軌跡與預先設計的軌跡有偏離需要糾正其次開始設計的軌跡也許并不是最優的需要通過調試試驗來確定最優路徑著同樣需要改變小車的某些參數為了得到改變不同參數對小車運行軌跡的影響和指導如何調試這里對小車各個參數進行靈敏度分析通過MATLAB編程得到幅值周期方向i-00117-com1765727-com-comcom69-comd0040819-com轉向桿的長-com365275711連桿長度-176955-comcom定單位m搖桿長c 006驅動輪直徑D 0355驅動輪A與轉向輪橫向偏距a1 008驅動輪B與轉向輪橫向偏距a2 008驅動軸

19、與轉向輪的距離d 018繩輪半徑r2 com設計需加工的零件a驅動軸6061空心鋁合金管外徑6mm 內徑3mmb車輪聚甲醛板POM板材厚度8mm規格尺寸6001200mm22可購置的標準件a單向離合器軸承2個型號Bearing Number外型尺寸 mm FC系列dDFC-6K 2 610d圓柱直齒輪1對小齒輪模數 1齒數 15外徑 17mm內孔 3mm厚度65mm大齒輪模數 1齒數 45外徑 47mm內徑 10mm厚度 10mm材質夾com1整體裝配圖零件圖頂針設計滾子采用與彈簧配合的直動頂針防止擺動頂針壓力大及擺動耗能等缺點頂針與凸輪連接的一端采用滾子滑動減少摩擦損耗驅動輪直徑1 355mm 厚度 d 10mm轉向輪直徑2 140mm 厚度 d3 10mm加工原材料均為聚甲醛板凸輪設計形狀橢圓狀凸輪曲線緩和適合低速機械運動路線與凸輪的配合A路線設計1m根據實際情況設定小車繞過障礙物時距其01m那么設路線方程為y sinax01并將點101代入方程得到路線方程為y sin01x01對一個周期