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世界最新機(jī)械設(shè)計(jì)理念
來(lái)源:中國(guó)科技期刊
摘要:根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的主要思維特點(diǎn)，將產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識(shí)和智能。這幾種方法的特點(diǎn)及其相互間的有機(jī)聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的努力方向。
關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)方法發(fā)展趨勢(shì)
設(shè)計(jì)文件是將語(yǔ)義設(shè)計(jì)網(wǎng)作為設(shè)計(jì)工具，在其開發(fā)的活性語(yǔ)義設(shè)計(jì)網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點(diǎn)和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計(jì)，結(jié)點(diǎn)表示元件化的單元(如設(shè)計(jì)任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點(diǎn)間不同的語(yǔ)義關(guān)系，由此為設(shè)計(jì)過程中的所有活動(dòng)和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計(jì)要求的定義到每一個(gè)結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法
系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想于70年代由德國(guó)學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計(jì)的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計(jì)工作應(yīng)具備條理性。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)在這一設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機(jī)體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程劃分成功能需求層次、實(shí)現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)層次。同時(shí)采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3. 將機(jī)械設(shè)計(jì)中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個(gè)基本問題：一是把要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程看成一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計(jì)中各個(gè)方面的工作和各個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段。
由于每個(gè)設(shè)計(jì)者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點(diǎn)不同，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。
4. 設(shè)計(jì)元素法
用五個(gè)設(shè)計(jì)元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認(rèn)為一個(gè)產(chǎn)品的五個(gè)設(shè)計(jì)元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國(guó)亦有設(shè)計(jì)學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設(shè)計(jì)分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。
將設(shè)計(jì)劃分成輔助方法和信息交換兩個(gè)方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號(hào)、具有內(nèi)容豐富的語(yǔ)義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實(shí)現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)方法解與信息技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。
6. “構(gòu)思”—“設(shè)計(jì)”法
將產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)分成“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”兩個(gè)階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計(jì)”階段的工作則是具體實(shí)現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。
將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實(shí)現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)。方案的“設(shè)計(jì)”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計(jì)單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動(dòng)參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡(jiǎn)圖，把設(shè)計(jì)專家憑直覺設(shè)計(jì)的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識(shí)的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個(gè)設(shè)計(jì)方案的方法。
提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個(gè)或幾個(gè)模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個(gè)系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟(jì)化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國(guó)結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計(jì)與組合設(shè)計(jì)相結(jié)合，根據(jù)分級(jí)模塊化原理，將加工中心機(jī)床由大到小分為產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)和元件級(jí)，并利用專家知識(shí)和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設(shè)計(jì)為目錄作為選擇變異機(jī)械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計(jì)的解元素進(jìn)行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計(jì)目錄。并在解集設(shè)計(jì)目錄中列出評(píng)論每一個(gè)解的附加信息，非常有利于設(shè)計(jì)工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計(jì)與制造，以及從用戶對(duì)產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計(jì)→加工→裝配→成品這一并行工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件愈來(lái)愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中初露鋒芒。目前，德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運(yùn)用文中四種類型設(shè)計(jì)方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計(jì)算機(jī)軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識(shí)，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)必須努力的方向。國(guó)外在這方面的研究已初見成效，我國(guó)設(shè)計(jì)學(xué)者也已意識(shí)到CAD技術(shù)與國(guó)際交流合作的重要性，及其應(yīng)當(dāng)采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識(shí)設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)，再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知識(shí)和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。
機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推量和決策，完成機(jī)構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實(shí)現(xiàn)這一階段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，必須研究知識(shí)的自動(dòng)獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
目錄
摘要 3
Abstact 4
1. 緒論 5
引言： 5
1.1小車功能設(shè)計(jì)要求 5
1.2小車整體設(shè)計(jì)要求 5
1.3基本原理 6
1.4設(shè)計(jì)亮點(diǎn) 6
2.方案設(shè)計(jì) 6
2.1車架 6
2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu) 6
2.3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)： 7
2.4. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)： 7
2.5.行走機(jī)構(gòu)： 8
3.計(jì)算 8
4.結(jié)論 10
5.參考文獻(xiàn) 10
摘要
這次設(shè)計(jì)主題為“無(wú)碳小車”。在設(shè)計(jì)小車過程中特別注重設(shè)計(jì)的方法，力求通過對(duì)命題的分析得到清晰開闊的設(shè)計(jì)思路；作品的設(shè)計(jì)做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計(jì)過程中綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。設(shè)計(jì)中給定一重力勢(shì)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)了一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該小車在自行前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上每60CM一個(gè)的障礙物，此設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為齒輪的傳動(dòng)，進(jìn)而根據(jù)齒輪的嚙合帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪按照既定的路線完成任務(wù)。
本方案根據(jù)小車功能要求把小車分為車架，原動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。車架為三角底板式，傳動(dòng)主要采用齒輪傳動(dòng)，轉(zhuǎn)向使用凸輪，行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速。本文將對(duì)無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)過程，結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)等進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
關(guān)鍵詞：無(wú)碳小車 齒輪嚙合 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 單輪驅(qū)動(dòng)
Abstact
The?design?theme?of?"carbon-free?car.?Special?emphasis?on?the?design?of?the?car?in?the?design,?and?strive?to?be?clear?and?open?design?ideas?through?the?analysis?of?the?proposition;?a?systematic?normative?and?innovative?design?of?the?work?to?do;?materials,?processing,?manufacturing?costs?are?taken?into?account?in?the?design?process?to?the?factors.?Design?given?gravitational?potential?energy,?according?to?the?principle?of?energy?conversion,?designed?the?gravitational?potential?energy?into?mechanical?energy?and?used?to?drive?the?device?of?trolley?travel.?Own?row,?the?car?can?automatically?avoid?60CM?an?obstacle?on?the?track,?the?most?important?feature?of?this?design?is?the?gravitational?potential?energy?into?gear?transmission,?which?according?to?the?meshing?of?the?gears?to?drive?the?drive?wheels?and?steering?wheel?in?accordance?with?the?established?route?complete?the?task.
The?program?required?under?the?car?features?the?car?into?the?frame,?mechanism,?transmission,?steering?and?implementing?agencies.?Frame?triangle?bottom?type,?the?main?drive?gear?transmission,?steering?cam,?single?wheel?drive?running?gear?differential.?This?article?will?carbon-car?design?process,?structural?features?detailed?introduction
Keywords:?carbon-free?car?gear?engagement?steering?the?establishments?wheel?drive
1. 緒論
引言：“環(huán)保在身邊之‘無(wú)碳生活’”一帖在東楚網(wǎng)黃石新聞網(wǎng)發(fā)出之后，眾多的網(wǎng)游紛紛跟帖支招，各顯申通，通過生活中的小細(xì)節(jié)讓人們有意識(shí)的減少碳排放。多數(shù)網(wǎng)友認(rèn)為，對(duì)社會(huì)整體而言，完全“無(wú)碳”難以做到，但是有意識(shí)的減少碳排放卻是隨地可做的事，勿因善小而不為，勿因惡小而為之。
隨著社會(huì)科技的發(fā)展，人們的生活水平的提高以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，無(wú)碳對(duì)于人們來(lái)說(shuō)顯得越來(lái)越重要，建設(shè)無(wú)碳社會(huì)，使得生活更加的環(huán)保，沒有任何污染。這個(gè)需要我們一起去努力的實(shí)現(xiàn)，而無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)和發(fā)明，使得這個(gè)問題被擺在了桌面上供大家研究。
無(wú)碳車是比較環(huán)保的短途代步工具，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、方便、環(huán)保。因此，在人均擁有汽車比例很高的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，無(wú)一例外的自覺提倡推廣低碳車。許多的人認(rèn)為，確保無(wú)碳車的便利通達(dá)，既是現(xiàn)實(shí)的選擇也是大勢(shì)所趨。在當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家，無(wú)碳技術(shù)被運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，例如交通，家庭用具等等，這也是我國(guó)當(dāng)今所要求以及努力的方向。
針對(duì)目前的這么一個(gè)狀況，我設(shè)計(jì)了無(wú)碳小車的模型，利用重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，提供了一條新思路，一邊更好的解決以上問題
1.1小車功能設(shè)計(jì)要求
給定一重力勢(shì)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該自行小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔60cm，放置一個(gè)障礙物）。
給定重力勢(shì)能為4焦耳（取g=10m/s2），使用質(zhì)量為1Kg的重塊鉛垂下降來(lái)獲得，落差400mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。且能量有限，小車的機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡量的減少，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)越復(fù)雜，越復(fù)雜，機(jī)構(gòu)越多，小車的效率就會(huì)越低，越簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)越能將重力勢(shì)能高效率的應(yīng)用。
要求小車前行過程中完成的所有動(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪）。 小車前進(jìn)的路線具有一定的周期性；考慮到小車轉(zhuǎn)向時(shí)候速度有所損失，小車前進(jìn)的路線是設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解
1.2小車整體設(shè)計(jì)要求
小車設(shè)計(jì)過程中需要完成：機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)成本分析和工程管理方案設(shè)計(jì)。命題中的工程管理能力項(xiàng)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(jì)能力項(xiàng)要求對(duì)作品的設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項(xiàng)以要求綜合運(yùn)用加工制造工藝知識(shí)的能力為主
1.3基本原理
該方案由物塊從0.4米高空處垂直下落，通過棉線，滑輪，齒輪系來(lái)帶動(dòng)小車先加速再勻速最后減速行駛，再由齒輪，凸輪，連桿從起步開始轉(zhuǎn)向走出正弦曲線，完成小車轉(zhuǎn)向目的。
1.4設(shè)計(jì)亮點(diǎn)
1，階梯原動(dòng)輪：由階梯形原動(dòng)輪的半徑變化使小車實(shí)現(xiàn)先加速后勻速再減速的速度變化，這樣有利于小車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向增長(zhǎng)小車的前進(jìn)距離，同時(shí)避免了物塊下落時(shí)對(duì)小車造成的沖擊，損耗能量，提高了能量的利用率。2，凸輪：凸輪轉(zhuǎn)向使得轉(zhuǎn)向穩(wěn)定且對(duì)能量的消耗較小。3，后輪：后輪直徑較大，有利于減少摩擦力進(jìn)而增大了前進(jìn)的距離，同時(shí)較大的后輪使得小車的穩(wěn)定性得到提高。
2.方案設(shè)計(jì)
通過對(duì)小車的功能分析，小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，最重要的便是傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在這兩個(gè)設(shè)計(jì)中，我們要認(rèn)真比對(duì)各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及對(duì)方案可行性分析。在各項(xiàng)設(shè)計(jì)中要注意盡量減少中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的級(jí)數(shù)，并且使用能量傳遞效率高的傳動(dòng)方案。同時(shí)地面對(duì)小車車輪的摩擦力為小車的主要耗能形式，所以要盡量減少車輪與地面的摩阻系數(shù)，選用最合適的車輪材料。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪時(shí)要保證小車加速—?jiǎng)蛩佟獪p速的行駛狀態(tài)，使得小車的行駛環(huán)境最優(yōu)。
2.1車架
對(duì)于車架有兩種方案(1)骨架式、(2)三角板式。由于需要定位且固定的零件比較多，且車架不用承受很大的力，精度要求比較高，這里采用三角板式車架，這樣有利于零件良好的固定在車架上，使得小車的精度提升，并且減小車身震動(dòng)
2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)
對(duì)于原動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要有(1)鏈輪式(2)皮帶輪式(3)彈簧式(4)繩輪式這四種方案。對(duì)于原動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體要求有：1.驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎的時(shí)候由于速度過大而侵犯，或者物塊搖晃厲害影響行走。2.到達(dá)終點(diǎn)前物塊的速度要盡可能的小，避免對(duì)小車造成沖擊，同時(shí)使物塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到小車的驅(qū)動(dòng)前進(jìn)上，如果物塊豎直方向上的速度比較大，物塊本身還有較多動(dòng)能未釋放能量，那些能量將浪費(fèi)。3.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。就效率和簡(jiǎn)潔性上來(lái)看，這里選擇繩輪最優(yōu)。要實(shí)現(xiàn)小車的最優(yōu)行駛環(huán)境，應(yīng)該從繩輪的直徑下手。利用力矩平衡的原理，充分使用物塊的重力勢(shì)能。繩輪的設(shè)計(jì)采用階梯型，在最開始繩輪的半徑略微大點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)矩大于外力矩，實(shí)現(xiàn)小車的加速。中間部位利用力矩平衡，使小車勻速行駛。在物塊快要到達(dá)底端時(shí)，使繩輪的直徑變小，使得產(chǎn)生的力矩小于外力矩總和，以達(dá)到減速的目的。同時(shí)可以通過控制棉線繞的圈數(shù)來(lái)控制小車的加速時(shí)間以及加速度以及減速時(shí)間。可以通過實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)纏繞方案
2.3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求是：傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。所以有以下方案供參考：1.不用其它額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。2.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但是其效率及傳動(dòng)精度并不高，所以不適合本小車設(shè)計(jì)。3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高。因此在這里優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。
2.4. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等基本條件，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的預(yù)定軌道運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。供選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿等等。
(1)凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，是通過高副接觸可以使從動(dòng)件獲得任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難，價(jià)格貴。
(2)曲柄連桿+搖桿: 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；如果給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)目往往會(huì)比較多，這樣就使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性大大增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。
(3)曲柄搖桿:結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但是其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)構(gòu)。
綜上所述，選擇凸輪具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，導(dǎo)向精確的優(yōu)點(diǎn)。所以這里選擇凸輪作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
2.5.行走機(jī)構(gòu)：
行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子有厚薄、大小、材料各不相同，需要綜合考慮。
有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為
對(duì)于相同的材料為一定值。
而滾動(dòng)摩擦阻力，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。
由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。
雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過多的約束，無(wú)法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。而雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。差速器能較好的減少摩擦損耗，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的運(yùn)動(dòng)，但是環(huán)節(jié)較多，效率相對(duì)較低。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，但影響有多大會(huì)不會(huì)影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。
單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪，就如三輪車一樣。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速是依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束確定的。這種驅(qū)動(dòng)的效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動(dòng)精度比利用單向軸承高。
綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，?qū)動(dòng)采用單輪驅(qū)動(dòng)。
3.計(jì)算
理想情況下認(rèn)為重塊的重力勢(shì)能都用在小車克服阻力前進(jìn)上，為了簡(jiǎn)化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機(jī)理。設(shè)小車能量的傳遞效率為，則有：
，
其中為第i個(gè)輪子對(duì)地面的壓力，為第i個(gè)輪子的半徑，為第i個(gè)輪子行走的距離，M為小車的總質(zhì)量。
通過查閱資料可以知道摩阻系數(shù)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)影響非常顯著，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意輪子的材料，讓輪子的剛度盡可能的大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。
傳動(dòng)比的確定：首先估算小車的總質(zhì)量為M，則有小車受到的總摩擦力為，則小車的最大行駛距離為:*mgh=*S即S=。計(jì)算小車驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)一圈走的距離為L(zhǎng)=2pi*R,一個(gè)周期為1.2的正弦曲線的長(zhǎng)度為X，則驅(qū)動(dòng)輪與凸輪之間的傳動(dòng)比為i=S/L= 。
重物以加速度向下加速運(yùn)動(dòng)，繩子拉力為，有：
產(chǎn)生的扭矩M=T*r，驅(qū)動(dòng)輪收到的力矩,凸輪收到的扭矩為，為驅(qū)動(dòng)輪1受到的壓力，為驅(qū)動(dòng)輪1提供的動(dòng)力，則有：
（其中是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)）
（R為驅(qū)動(dòng)輪半徑）
轉(zhuǎn)向時(shí)導(dǎo)向輪的摩擦力為,所以凸輪受到的轉(zhuǎn)矩為。由于凸輪-錐齒輪和錐齒輪的半徑一樣大，所以錐齒輪受到的轉(zhuǎn)矩也為，原動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)矩為,由此可以得出小車的原動(dòng)繩輪受到的轉(zhuǎn)矩為（其中和為相應(yīng)齒輪的傳動(dòng)比）。由mgh*=可以求出原動(dòng)繩輪的半徑。
綜合上述公式，可以得出:
=1:6，；=1:2.4:R=8mm。
對(duì)于軸來(lái)說(shuō)，要確定軸的直徑先選定材料，由于在這個(gè)設(shè)計(jì)中，軸承受的載荷相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很大，但是由于傳動(dòng)精度要求較高，并且要求各個(gè)環(huán)節(jié)損耗的摩擦以及受到彎曲應(yīng)力導(dǎo)致軸線彎曲形成的震動(dòng)等不必要的能量損失盡量降低，所以對(duì)于軸的材料要求需要一定的剛度，在這個(gè)設(shè)計(jì)中我選擇了45號(hào)鋼。軸上受到的力大致有傳遞的轉(zhuǎn)矩、齒輪的圓周力，徑向力，齒輪的軸向力以及車輪受到的摩擦轉(zhuǎn)矩。
45號(hào)鋼的機(jī)械性能由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得=650MPa、=360MPa、 =300MPa、=155MPa和=60MPa。選取C=110，則=C
算出來(lái)的軸徑由于考慮到要在軸上開鍵槽，將其軸徑增加4%—5%。再圓整得到各個(gè)軸的直徑.
對(duì)于齒輪來(lái)說(shuō)，一般選用壓力角為20°的齒輪。由于傳動(dòng)比已經(jīng)確定，需要根據(jù)合理規(guī)劃軸心矩，從而確定模數(shù)，而后根據(jù)兩齒輪的傳動(dòng)比確定各個(gè)齒輪的分度圓直徑，后查表和根據(jù)，c=0.25計(jì)算齒輪的各項(xiàng)參數(shù)。如：齒頂高，齒根高
參數(shù)確定：?jiǎn)挝籱m
轉(zhuǎn)向輪與從動(dòng)件的中心距為10mm；驅(qū)動(dòng)輪直徑D=60；導(dǎo)向輪直徑d=15；繩輪半徑R=8；底板寬度為156長(zhǎng)度為155。
零部件工藝設(shè)計(jì)：1.軸由#45鋼機(jī)加工而成。2.車輪由高密度聚乙烯澆筑而成，再進(jìn)行機(jī)加工提高表面的精度使其表面光滑，降低摩擦阻。3圓柱直尺齒輪兩對(duì)，壓力角為20°。一對(duì)為m=0.5,小齒輪：齒數(shù)Z=20，齒厚為6;大齒輪：齒數(shù)Z=120,齒厚為6。另一對(duì)為m=1.25小齒輪齒數(shù)Z=20,大齒輪齒數(shù)Z=48。4.一對(duì)錐齒輪，兩齒數(shù)都是48，m=1.25。齒厚為b=4.25。5.深溝球軸承和軸套以及螺栓等都是標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接購(gòu)買6.物塊支架以及軸承支座選用高硬度鋁合金
4.結(jié)論
此無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)大致合理，由于沒有實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，條件也有限，設(shè)計(jì)出來(lái)的無(wú)碳小車還需要在進(jìn)行實(shí)物測(cè)試之后進(jìn)行修改，使得小車的設(shè)計(jì)最優(yōu)化。在設(shè)計(jì)中有過許多種方案的選擇，通過查找各種資料，我得出了選擇范圍的最優(yōu)方案。同時(shí)在這里，首先我要感謝我的指導(dǎo)老師為了我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的無(wú)私的關(guān)懷以及辛苦的付出。通過做這次的無(wú)碳小車的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多。首先，我從無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)理念得到了深深的啟發(fā)，讓我對(duì)新能源的關(guān)注意愿提升了很多，讓我對(duì)無(wú)碳生活更加的了解。其次，通過做這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我深深的認(rèn)識(shí)了自己的不足，以前學(xué)的知識(shí)不成系統(tǒng)，很多東西只知其然不知其所以然導(dǎo)致做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候總是感覺這也不懂那也不清楚，平白的犯下很多錯(cuò)誤，在許多問題的處理上只是想當(dāng)然，時(shí)候才發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，然后進(jìn)行補(bǔ)救的時(shí)候又要重新計(jì)算，有時(shí)候碰到一個(gè)問題的時(shí)候總是糾結(jié)于此，結(jié)果浪費(fèi)了一大把的時(shí)間，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的效率低下，且設(shè)計(jì)結(jié)果質(zhì)量也比較低下。對(duì)于一些很久沒摸的書，其中的內(nèi)容早已忘了大半，又要開始向看新書一樣的開始學(xué)習(xí)。這都是基礎(chǔ)不扎實(shí)導(dǎo)致的后果。通過這次的設(shè)計(jì)，把貫穿了大學(xué)的基礎(chǔ)以及專業(yè)課程基本都過了一遍，讓我對(duì)知識(shí)的印象加深了，同時(shí)通過大量的翻閱一些課外書籍，也學(xué)到了一些以前沒有接觸到的東西，也讓我明白了做設(shè)計(jì)不是那么簡(jiǎn)單的事情，同時(shí)也增強(qiáng)了我對(duì)所學(xué)專業(yè)的樂趣和信心。通過這次設(shè)計(jì)我認(rèn)識(shí)到了了一名設(shè)計(jì)工程師的前進(jìn)方向，堅(jiān)定了我的意志，讓我明白通過自己的努力設(shè)計(jì)出成果時(shí)的那一絲滿足是多么的讓人愉快。在期間，林老師對(duì)我的設(shè)計(jì)做出了多次的指導(dǎo)，幫助我改正許多錯(cuò)誤，讓我少走了很多的彎路，這讓我充分的認(rèn)識(shí)到經(jīng)驗(yàn)不足的我應(yīng)該要學(xué)習(xí)的東西。我將更努力的學(xué)習(xí)，進(jìn)步，早日成為一位能頂“一片天”的設(shè)計(jì)師，讓今天的我以母校驕傲，以后的母校以我為榮。
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