無碳小車設(shè)計說明.doc

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1、 作品設(shè)計說明書 摘要 我們把小車的設(shè)計分為三個階段：方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、制作調(diào)試。通過每一階段的深入分析、層層把關(guān)，是我們的設(shè)計盡可能向最優(yōu)設(shè)計靠攏。 方案設(shè)計階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機器的構(gòu)成（原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) 五個模塊，進行模塊化設(shè)計。分別針對每一個模塊進行多方案設(shè)計，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動機構(gòu)采用了帶輪軸、傳動機構(gòu)采用帶輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用凸輪機

2、構(gòu)、行走機構(gòu)采用雙輪驅(qū)動。 技術(shù)設(shè)計階段我們先對方案建立數(shù)學模型進行理論分析，借助MATLAB分別進行了能運動學分析和動力學分析，進而得出了小車的具體參數(shù)，和運動規(guī)律y以及確定凸輪的輪廓曲線；接著應(yīng)用Solidworks軟件進行了小車的實體建模和部分運動仿真。在實體建模的基礎(chǔ)上對每一個零件進行了詳細的設(shè)計，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等。 小車大多零件是標準件，可以購買，同時除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過手工加工出來。調(diào)試過程會通過微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進行試驗，在試驗的基礎(chǔ)上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。 關(guān)鍵字： 無碳小

3、車 參數(shù)化設(shè)計 軟件輔助設(shè)計 目錄 摘要 2 一 緒論 4 1.1命題主題 4 1.2小車功能設(shè)計要求 4 1.3小車整體設(shè)計要求 5 1.4小車的設(shè)計方法 6 二 方案設(shè)計 7 2.1車架 8 2.2原動機構(gòu) 8 2.3傳動機構(gòu) 8 2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu) 9 2.5行走機構(gòu) 10 三 技術(shù)設(shè)計 10 3.1建立數(shù)學模型 11 3.2參數(shù)確定 14 3.3零部件設(shè)計 15 3.4小車運動仿真分析 18 四 小車制作調(diào)試及改進 20 4.1小車制作流程 20 4.2小車調(diào)試方法 20 4.3小車改進方法 20 五 評價分析 2

4、1 5.1小車優(yōu)缺點 21 5.2小車改進方向 21 六 參考文獻 22 一 緒論 1.1命題主題 根據(jù)第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽主題為“無碳小車越障競賽”。命題與高校工程訓練教學內(nèi)容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計能力、制造工藝能力、實際操作能力和工程管理能力”四個方面的要求。 1.2小車功能設(shè)計要求 給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的

5、障礙物（間隔范圍在700-1300mm，放置一個直徑20mm、長200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。 給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（5065 mm，普通碳鋼制作）鉛垂下降來獲得，落差4002mm，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計完成。 1.3小車整體設(shè)計要求 小車設(shè)計過程中需要完成：結(jié)構(gòu)

6、方案設(shè)計、工藝方案設(shè)計、經(jīng)濟成本分析和工程管理方案設(shè)計。命題中的工程管理能力項要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)劃。設(shè)計能力項要求對參賽作品的設(shè)計具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項以要求綜合運用加工制造工藝知識的能力為主。 1.4小車的設(shè)計方法 小車的設(shè)計一定要做到目標明確，通過對命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設(shè)計思路。作品的設(shè)計需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計過程中需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。 明確小車任務(wù)要求 小車功能分析 可行性方案 確定方案 分析評價 建模分析 初定參數(shù) 參數(shù)優(yōu)化 零部件設(shè)計 選擇

7、材料 確定尺寸 分析評價 總體設(shè)計 加工制作 調(diào)試 改進 分析評價 結(jié)束 二 方案設(shè)計 為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設(shè)（車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) ）。 行走機構(gòu) 傳動機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 三角形底板 直齒傳動 帶輪傳動 彈簧儲能式 繩輪式 骨架式底板 雙輪同步 曲柄連桿 凸輪搖桿 雙輪差速 無碳小車 車架 原動機構(gòu)

8、 在選擇方案時應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。 2.1車架 車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用塑料加工制作成三角式底板。 2.2原動機構(gòu) 原動機構(gòu)的作用是將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動動能。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機構(gòu)還有其它的具體要求。 1. 驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重物晃動厲害影響行走。 2. 到達終點前重物豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重

9、物的勢能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進的動能，如果重物豎直方向的速度較大，重物本身還有較多勢能未釋放，能量利用率不高。 3.機構(gòu)簡單，效率高，便于加工制作。 2.3傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。 1.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率不是很高。 2.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高，不易加工制作。 因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下可優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。 2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)

10、鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪搖桿、曲柄連桿等等。 凸輪搖桿： 優(yōu)點：只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預(yù)期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便； 缺點：凸輪輪廓加工比較困難。 曲柄連桿： 優(yōu)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?。粌蓸?gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來保持接觸。 缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設(shè)計較為復(fù)

11、雜；當給定的運動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，發(fā)生自鎖的可能性增加。 綜合上面分析我們選擇凸輪搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方案。 2.5行走機構(gòu) 行走機構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。 由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為： 對于相同的材料為一定值。 而滾動摩擦阻力 ： 所以輪子越大小車受到的阻力越

12、小，因此能夠走的更遠。 由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動。 雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，使小車運動產(chǎn)生偏差，但由于小車速度較小時，可以大大減小差速帶來的影響。 雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。但差速器的構(gòu)造較為復(fù)雜，且由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動不準確。 綜上所述行走機構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當可調(diào)的尺寸，經(jīng)過加工和成本的綜合考慮我們選用雙輪同步驅(qū)動。 三 技術(shù)設(shè)計 技術(shù)設(shè)計階段的目標是完成詳細設(shè)計確定個零部件的的尺寸。設(shè)計的同時綜合考慮材料加工

13、成本等各因素。 3.1建立數(shù)學模型 通過對小車建立數(shù)學模型，可以實現(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計方案，充分發(fā)揮計算機在輔助設(shè)計中的作用。因此，我們采用了Matlab軟件輔助設(shè)計。 小車后輪直徑計算： function [D2] =fD2(LC,n) %D2 小車后輪直徑 %LC 小車行駛一個周期的路程 %n 小車行駛一個周期，后輪轉(zhuǎn)的圈數(shù). %(確定n之后，也就確定了后輪軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為n:1) D2=LC/pi/n; End 推桿伸長量計算： function [Delta] = fDelta(theta,yT) %yT

14、 導向桿長 %Delta 凸輪的推桿伸長量（假定伸長為正，縮短為負） %theta 小車前輪轉(zhuǎn)角（假定左轉(zhuǎn)為正） Delta=yT*sin(theta); end 小車路徑上某點的曲率半徑計算： function [r] = fr(x0,r0,l) %fr 求小車路徑上某點的曲率半徑 %r0 零點處曲線的縱坐標，r0-y/2>10,y為兩后輪間距 %l 兩個障礙物間距，700~1300 % fx01,fx02 分別為fx0的一階導，二階導 fx01=r0*pi*sin(pi*x0/l)/l; fx02=r0*(pi^2)*cos(pi*x0/l)/(l^2)

15、; r=(1+(fx01^2))^(3/2)/fx02; end 小車前輪轉(zhuǎn)角計算: function [theta] = ftheta(r,x ) %theta 小車前輪轉(zhuǎn)角（假定左轉(zhuǎn)為正） %r 小車路徑上某點的曲率半徑 %x 前輪軸與后輪軸間距 theta=atan(x/r); end 小車行駛一個周期的路程計算： function [ LC ] = fLC(r0,l) %運用第一類曲線積分，當被積函數(shù)為1時，即求曲線長度 %r0 零點處曲線的縱坐標，r0-y/2>10,y為兩后輪間距 %l 兩個障礙物間距，700~1300 %LC小車行駛一個周期的

16、路程 x0=sym(x0); %r0=sym(r0); l=sym(l); %使結(jié)果帶有r0和l這兩符號 f=sqrt(1+r0^2*pi^2*(sin(pi/l*x0))^2/(l^2)); LC=int(f,0,2*l); LC=double(LC); %將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)值。結(jié)果帶有符號時不能使用 end 凸輪輪廓曲線繪圖: l=800; %兩個障礙物間距，700~1300 r0=150; %零點處曲線的縱坐標，r0-y/2>10,y為兩后輪間距 x=200; %前輪軸與后輪軸間距 yT=30; %yT 導向桿長 rj=10; %凸輪基圓半徑 x1=7

17、2; %凸輪軸(軸1)與前輪軸水平間距 x2=72; %軸1與軸2間距 x3=48; %軸2與軸3間距 x0=0; r=fr(x0,r0,l); theta=ftheta(r,x); maxDelta=fDelta(theta,yT); %maxDelta 推桿最大伸長（或縮短）的量 maxDelta xT=x1-rj-maxDelta; %xT凸輪的推桿長度 xT i=1; for alpha=0:0.0001:2*pi x0=alpha*l/pi; r=fr(x0,r0,l); theta=ftheta(r,x); Delta=fDelt

18、a(theta,yT); TL=rj+maxDelta+Delta; n(i)=alpha; m(i)=TL; i=i+1; %hold on; %polar(alpha,TL); %描點法畫出凸輪輪廓 %plot(x0,Delta); %查看Delta(推桿伸長縮短量)隨x0變化而變化的情況%plot(x0,theta); %查看theta（前輪轉(zhuǎn)角）隨x0變化而變化的情況 %hold off; end polar(n,m); %axis equal; %描點時，使橫縱坐標單位間距相等 3.2參數(shù)確定 單位：mm 前輪軸與后輪軸間距x=200

19、導向桿長x=30 凸輪基圓半徑R=10 凸輪軸(軸1)與前輪軸水平間距x=80 軸1與軸2間距x=72 軸2與軸3間距x=48 3.3零部件設(shè)計 1.需加工的零件： a．驅(qū)動軸、傳動軸 b．車輪 c.軸承座 d.底板 e.凸輪 2.可購買的標準件： 內(nèi)圈Φ10的深溝球軸承、7個不同彈性模量彈簧、M8方形內(nèi)六角螺栓 3. 部分加工零件二維圖 3.4小車運動仿真分析 為了進一步分析本方案的可行性，我們利用了Solidworks進行了動態(tài)仿真。 四 小車制作調(diào)試及改進 4.1小車制作流程 4.2小車調(diào)

20、試方法 小車的調(diào)試是個很重要的過程，有了大量的理論依據(jù)支撐，還必須用大量的實踐去驗證。小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容，如車速的快慢，繞過障礙物，小車整體的協(xié)調(diào)性等。 （1）小車的速度的調(diào)試：通過小車在指定的賽道上行走，測量通過指定點的時間，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗，發(fā)現(xiàn)小車后半程速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動軸，減小過大的驅(qū)動力同時也增大了小車前進的距離。 （2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個機構(gòu)相對來說較簡單，但損耗能量稍多，同時避障也不是很好，可以通過改變搖桿與凸輪的接觸實現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。 4.3小車改進方法 1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化：為了提高能量的利用效率，在不影響使用條件的情況下，可以削減不必要的部分。 2.機構(gòu)優(yōu)化：為了提高能量的轉(zhuǎn)換效率，在稍微增加成本的情況下，可以考慮使用齒輪傳動。 五 評價分析 5.1小車優(yōu)缺點 優(yōu)點： （1）小車機構(gòu)簡單，加工制作方便； （2）采用塑料材質(zhì)，質(zhì)量較輕，有利于行駛較遠的距離。 缺點： 小車精度要求高，使得加工零件成本高，由于差速的存在影響小車的繞彎以及能量的有效利用率。 5.2改進方向 小車主要的缺點是精度要求非常高和存在差速問題，相信改進小車的精度和差速問題，，小車便能達到很好的行走效果。