第一篇：機(jī)械設(shè)計無碳小車課程設(shè)計說明書

目錄

一、設(shè)計任務(wù)書

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二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ??????????????????1

三、總傳動比的設(shè)計與分配 ??????????????2

四、轉(zhuǎn)向輪軸運動參數(shù)的計算 ?????????????3

五、對軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 ?????????????3

六、軸承的選擇與壽命計算 ??????????????3

七、潤滑劑的選擇 ??????????????????3

八、工藝設(shè)計方案 ??????????????????4

九、成本分析方案 ??????????????????5(1)生產(chǎn)成本概述 ?????????????????5(2)單件小批量生產(chǎn)類型的成本分析 ?????????5

十、工程管理方案 ??????????????????8(1)概述 ?????????????????????8(2)生產(chǎn)過程組織 ?????????????????8

十一、徽標(biāo)設(shè)計 ???????????????????11

十二、參考文獻(xiàn) ???????????????????12

十三、心得體會 ???????????????????13

十四、附件 ?????????????????????15

一、設(shè)計任務(wù)書

命題：以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車 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(jī)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)置的障礙物（每間隔1米，放置一個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±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(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。要求滿足：①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(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于400克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于￠30mm。

二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)本屆大賽命題要求，我們首先確定如下設(shè)計思路： 1．驅(qū)動機(jī)構(gòu)

根據(jù)能量守恒定律，要盡可能多的利用重物的重力勢能，就必須簡化結(jié)構(gòu)，因此該系統(tǒng)不設(shè)儲能裝置，直接由重物通過細(xì)繩拉動后軸驅(qū)動。

2．轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

控制轉(zhuǎn)向是該小車的核心問題之一，普通凸輪只能控制轉(zhuǎn)向輪規(guī)則擺動，在不需要轉(zhuǎn)向的時候小車仍會轉(zhuǎn)向，因此我們在此處將凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，通過引入“太空豆”控制轉(zhuǎn)向信號，使得前輪在我們需要的時候轉(zhuǎn)向,并以此實現(xiàn)小車的預(yù)編程功能。

3．驅(qū)動過程

在起始時原動輪的轉(zhuǎn)動半徑較大，起動轉(zhuǎn)矩大，有利起動。起動后，原動輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。在重塊行程末端，原動輪的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動輪勻速轉(zhuǎn)動，但是由于物塊的慣性，仍會減速下降，原動輪的半徑變小，總轉(zhuǎn)速比提高，小車緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車。

三、總傳動比的設(shè)計與分配

后輪半徑：r= 68.5mm;繞線輪半徑：r1=3 mm;前輪半徑：r2=15.1mm 后輪與繞線輪傳動比：i=137:6 前輪與后輪傳動比：i’=137:30.2

四、轉(zhuǎn)向輪軸運動參數(shù)的計算 前輪最大擺角21.15°

五、對軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 1．示意圖

六、軸承的選擇與壽命計算 1．軸承型號：角接觸球軸承,內(nèi)徑Φ4 2．示意圖：

3．計算軸承徑向力

小車總重量M（小車自重800g、重物1kg、徽標(biāo)400g、）;M=2.2kg;軸承數(shù)量n=3;軸承徑向力Ｆ=7.19Ｎ;

七、潤滑劑的選擇

選用機(jī)油進(jìn)行潤滑（SH0386-1992）

八、工藝設(shè)計方案 1.確定生產(chǎn)綱領(lǐng)

根據(jù)大賽命題要求，轉(zhuǎn)向輪部分實行單件小批量生產(chǎn)。2.對零件進(jìn)行工藝分析

由于轉(zhuǎn)向輪和輪軸均為圓柱件，故采用車削加工方式 輪軸：車削加工、鉗工、車削加工。轉(zhuǎn)向輪：車削加工、快速成型、鉗工。3.選擇毛坯

根據(jù)大賽對前輪的要求D>30mm，故選擇外徑Φ30.7的尼龍棒、根據(jù)設(shè)計要求前輪軸選Φ12的45鋼毛坯。4.擬訂工藝路線

輪軸：下料---車Φ4的軸---在Φ4的軸上攻絲---車削多余部分 轉(zhuǎn)向輪：下料---鉆Φ4孔---加工外徑Φ30的轉(zhuǎn)向輪---去除邊上的毛刺

5.確定各工序加工余量

前輪的外輪廓要大于Φ30以滿足題目要求。6.確定各工序所使用的設(shè)備、刀具和量具 車床、快速成型機(jī)、游標(biāo)卡尺、各種車床刀具 7.確定各加工工序的技術(shù)要求及檢驗方法

1.車圓弧面要求比較光滑，目測。2．輪與輪軸使用過盈配合。

九、成本分析方案(1)生產(chǎn)成本概述

在制造企業(yè)中，產(chǎn)品的總成本通常包括生產(chǎn)成本、管理成本、財務(wù)成本和銷售成本等。在本次競賽中，由于只涉及零件的加工過程，為了簡化分析，在進(jìn)行成本分析方案設(shè)計時，只考慮零件的生產(chǎn)成本。

生產(chǎn)成本，又稱制造成本，它包括圍繞生產(chǎn)過程以及為此所提供的勞務(wù)所發(fā)生的各項直接費用、分?jǐn)偟母黜楅g接費用，其組成如下所示：

直接材料費：生產(chǎn)過程中直接消耗于產(chǎn)品生產(chǎn)的各種物資 直接人工費：生產(chǎn)過程中直接從事產(chǎn)品生產(chǎn)的人員工資 制造費用

：發(fā)生在生產(chǎn)單位的制造費用

產(chǎn)品的生產(chǎn)類型不同，其工藝差別很大，成本分析方法也不同。下面以單件小批量生產(chǎn)類型對小車轉(zhuǎn)向輪及其輪軸進(jìn)行說明。(2)單件小批量生產(chǎn)類型的成本分析

單件小批量生產(chǎn)的成本分析應(yīng)根據(jù)該類型生產(chǎn)的工藝及管理特征來進(jìn)行。單件小批量生產(chǎn)的組織形式一般采用通用機(jī)床，并按機(jī)群式布置；毛坯可考慮采用型材，在市場上直接購得。其零件的加工過程一般采用工序集中原則，工藝過程相對較短。成本分析從直接材料費、直接人工費和制造費用考慮。

1、直接材料費用F零件

根據(jù)零件材料的種類，可通過市場詢價確定材料的市場價格，再計算零件毛坯體積，利用式（3-1）計算零件的直接材料費用F零件。

F零件=p*m=p*(V*§)元（3-1）

其中，p為材料單價、m為零件毛坯重量、V為毛坯體積，§為材料比重。

所以，F(xiàn)輪軸=0.0042元/克*89.3克=0.37506元 所以，F(xiàn)輪

=0.025元/克*74克=1.85元

2、直接人工費S 對于單件小批量生產(chǎn)，直接操作機(jī)床的人工工資可按計件工資發(fā)放，可以根據(jù)不同設(shè)備操作工人的市場價格，利用式（3-2），得到單件小批量生產(chǎn)的直接人工費。

n S=∑Pi*Si（3-2）

I=1

其中，Pi為第i種設(shè)備的操作工人數(shù)；Si為第i種設(shè)備的操作工人工資。

所以，S輪軸= P車*S車+ P鉗*S鉗

=20元/小時*0.5小時+20元/小時*0.1小時 =12元

S輪

= P快速成型*S快速成型+ P鉗*S鉗

=20元/小時*0.5小時+20元/小時*0.2小時 =14元

3、制造費用M

制造費用是設(shè)備與廠房折舊費用、間接管理人員工資、能源、水等消耗所產(chǎn)生的費用，以及其它間接費用以分?jǐn)傂问接嬋氘a(chǎn)品中。在單件小批量生產(chǎn)條件下，上述成本項目無法按成本發(fā)生法計算，通常簡化為機(jī)床的小時費率來計算制造費用。因此，可根據(jù)零件工藝過程各工序的時間定額和所用機(jī)床的小時費率來計算。零件的制造費用M可用式（3-3）計算。

M=T1*Q1+T2*Q2+?+Tn*Qn

（3-3）

其中，T1、T2?Tn為設(shè)備1，設(shè)備2.，?，設(shè)備n的加工時間，Q1，Q2，?Qn為設(shè)備1，設(shè)備2，?設(shè)備n的機(jī)床小時費率。所以，M車=T車*Q車=0.5小時*10元/小時=5元

M快速成型=T快速成型*Q快速成型=0.5小時*20元/小時=10元

4、生產(chǎn)成本C 單件小批量生產(chǎn)成本即為以上三者相加，即： C=F+S+M

所以，C= F輪軸+ F輪+S輪軸+S輪+M車+M快速成型

=0.37506元+1.85元+12元+14元+5元+10元

元

=43.2

3十、工程管理方案 1.概述

為實現(xiàn)安全、文明生產(chǎn)，包裝按期供貨，降低總成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，需進(jìn)行工程管理的設(shè)計。工程管理設(shè)計放啊的主要內(nèi)容包括：生產(chǎn)過程組織形式、人力資源配置、進(jìn)度計劃與控制、質(zhì)量管理、現(xiàn)場管理、成本管理等幾個方面。成本費用以在前一部分計算，在此不再累述。2.生產(chǎn)過程組織

生產(chǎn)過程空間組織設(shè)計：該設(shè)計主要是按專業(yè)化分工原則把工作組織起來，使產(chǎn)品生產(chǎn)過程能有效運行。專業(yè)化分工包括三種形式：工藝專業(yè)化，產(chǎn)品對象專業(yè)化，成組生產(chǎn)?？臻g組織設(shè)計的重點是設(shè)施布置，與專業(yè)化分工湘對應(yīng)，由于我們的作品屬于單件小批量生產(chǎn)，因此我們將按工藝原則來布置生產(chǎn)，當(dāng)需要用到某種機(jī)床，即選擇相應(yīng)機(jī)床進(jìn)行加工。

生產(chǎn)過程時間組織設(shè)計：該設(shè)計方式可采用順序移動方式、平行移動方式、平行順序移動方式，移動方式的選取主要由生產(chǎn)空間組織形式來決定。由于我們的作品生產(chǎn)周期短，不連續(xù)加工，所以我們將選用平行移動方式。3.人力資源配置

當(dāng)接到通知后，我們馬上查閱資料進(jìn)行構(gòu)思，尋找出一個符合命題要求的制做方案。當(dāng)我們的方案通過學(xué)校審核后，我們便開始組建團(tuán)隊，在團(tuán)隊組建過程中我們充分考慮人員特長組合以及課余時間 4.生產(chǎn)進(jìn)度計劃與控制

生產(chǎn)周期：按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝特點，主要考慮產(chǎn)品零件中的主要件和關(guān)鍵件在工藝上的邏輯關(guān)系，我們將生產(chǎn)周期設(shè)定為3小時。5.質(zhì)量管理

質(zhì)量管理一般以全面質(zhì)量管理思想為核心，以ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，強(qiáng)調(diào)全員全過程質(zhì)量管理；確保質(zhì)量管理中的管理職責(zé)、質(zhì)量體系和過程控制；在此基礎(chǔ)上形成質(zhì)量體系文件。

按照工序控制設(shè)置原則：要注意先車削外圓和攻絲，最后再切斷軸端，這樣不會夾傷工件。要保證前輪的表面粗糙度小于等于R3.2 車削加工輪軸時，另外，要保證軸中的粗糙度小于等于R1.6，使得前輪與軸盡量減小摩擦。6.現(xiàn)場管理

現(xiàn)場管理是對現(xiàn)場中的生產(chǎn)要素和管理目標(biāo)要素進(jìn)行設(shè)計綜合治理，主要包括：“5S”管理、目視管理、看板管理、定置管理。

“5S”管理：以整理、整頓、清掃、清潔和素養(yǎng)為內(nèi)容的活動。通過規(guī)范現(xiàn)場、現(xiàn)物，營造一目了然的工作環(huán)境，培養(yǎng)員工良好的工作習(xí)慣，是一種獨特的管理方法，其最終目的是提升人的品質(zhì)。

目視管理：利用形象直觀而又色彩適宜的各種視覺感知信息來組織現(xiàn)場生產(chǎn)活動，達(dá)到提高勞動生產(chǎn)率的一種管理手段，也是一種利用視覺來進(jìn)行管理的科學(xué)方法。所以目視管理是一種以公開化和視覺顯示為特征的管理方式。

看板管理：準(zhǔn)時生產(chǎn)方式的看板旨在傳達(dá)信息：“何物，何時，生產(chǎn)多少數(shù)量，以何方式生產(chǎn)、搬運”?？窗宓男畔ǎ毫慵柎a、品名、制造編號、容器形式、容器容量、發(fā)出看板編號、移往地點、零件外觀等。及時生產(chǎn)方式的看板在生產(chǎn)線上分為兩類：領(lǐng)取看板和生產(chǎn)看板。

定置管理：是其他各項專業(yè)管理在生產(chǎn)現(xiàn)場的綜合運用和補充企業(yè)在生產(chǎn)活動中，研究人、物、場所三者關(guān)系的一門科學(xué)。它是通過整理，把生產(chǎn)過程中不需要的東西清除掉，不斷改善生產(chǎn)現(xiàn)場條件，科學(xué)地利用場所，向空間要效益；通過整頓，促進(jìn)人與物的有效結(jié)合，使生產(chǎn)中需要的東西隨手可得，向時間要效益，從而實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場管理規(guī)范化與科學(xué)化。

十一、徽標(biāo)設(shè)計

★時代背景：隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們物質(zhì)需求的日益增長，環(huán)境污染也日益嚴(yán)重，許多國家都出臺了相關(guān)政策促進(jìn)節(jié)能減排?！盁o碳環(huán)保”成了當(dāng)今世界不變的主題。

★創(chuàng)意：該徽標(biāo)造型既是對本次大賽主題的直觀反映，亦是我們團(tuán)隊對祖國未來的美好愿景：120度的箭頭是象形的“C”，也就是化學(xué)元素中的碳。徽標(biāo)外形既是循環(huán)使用標(biāo)志的變形也有降低碳含量的意義。然而能量是守恒的，如果要減少含碳能源的使用，我們就必須依靠一雙勤勞的雙手。就像本次大賽的重物的能量需要我們用手舉高來獲取一樣，我們倡導(dǎo)大家伸出雙手來支持環(huán)保，讓偉大祖國真正走上可持續(xù)發(fā)展的道路！★材料：45鋼

★制作說明：先采用雕刻機(jī)雕刻成型，再使用鉗工加工修飾。

+

十二、參考文獻(xiàn)

=

朱

理主編

《機(jī)械原理》 張建中、何曉玲主編

《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》 徐錦康主編

《機(jī)械設(shè)計》

陳軼鳴主編

《新編機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計圖冊》 王昆、何小柏、汪信遠(yuǎn)主編《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》 機(jī)械設(shè)計手冊編委會編寫的《機(jī)械設(shè)計手冊》 朱

理主編

《車工工藝學(xué)》 王忠宗主編 《成本分析與費用控制技巧》 希爾頓主編 《成本管理》 劉建長、程堅、施卓晨主編 《成本會計》 王文勝主編 《高效成本管理》 周鑫、張磊光主編 《機(jī)械加工技術(shù)》 賀月光、高成發(fā) 主編

《工程測量技術(shù)》 劉鐘瑩 主編的《工程估價》 馬楠 主編的《工程估價》 左用泰司 主編的的《工程管理》

十三、心得體會

經(jīng)過了一個多月的努力，我們的小車終于完成了她的處女航。從最初的零件設(shè)計和小車定位計算到繪制零件圖，點點滴滴雖然包含心酸和汗水，但是當(dāng)我們體會到學(xué)以致用的樂趣時，這些都不算什么了。通過這一階段的自主學(xué)習(xí)，我們明白了動手實踐的重要性。理論和實踐有時候很有很大差距的，比如小車的轉(zhuǎn)向問題，我們在理論上計算了小車的軌跡，但事實上小車的運行路線遠(yuǎn)不像我們想象的那樣簡單，還有很多無法避免的影響因素；包括加工工藝、小車的起始角度、方向，這些因素都是無法達(dá)到我們要求的那樣精確。

通過對“無碳小車”的自主設(shè)計加工，以及對各零部件的加工工藝分析，讓我們知道加工工藝的好壞直接影響工件的成型和后續(xù)加工的連貫。

制定一個良好的加工工藝是保證零件達(dá)到要求性能的前提，也需要我們真正的開動腦筋。例如：我們使用的普通車床，所有的操作都是人為的控制，要想做出比較滿意的零件，首先要有一個科學(xué)合理的工序安排。我們拿到一個需要加工零件的零件圖時，不要急于下料加工，分析工序很重要，我們必須先制定好合理的加工工序，使待加工零件達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和性能指標(biāo)。同時還可以提升自己的邏輯思維能力，提高生產(chǎn)效率。

工程管理方案的撰寫過程讓我們還體會到了查找資料的樂趣，學(xué)會了怎樣找到自己需要的參考書籍以及參考示例。團(tuán)隊成員的密切配合使得我們的工作效率得到了極大的提高。當(dāng)然，在整個項目進(jìn)程中，大家也避免不了分歧，大家都有自己的想法，也提出了自己認(rèn)為可行的方案。經(jīng)歷了數(shù)十次失敗后我們最終尋找到一套符合需要的方案。使得項目組成員在綜合分析能力、實踐動手能力、以及創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面取得了長足的進(jìn)步。

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在今后的日子里，我們會更加注意把理論與實踐相結(jié)合，努力學(xué)習(xí)好科學(xué)文化知識，為工程實際的應(yīng)用夯實基礎(chǔ)。

第二篇：機(jī)械設(shè)計大賽 無碳小車 設(shè)計說明書

目錄

前言

第1章、緒論…………………………………………………………...4

1.1 參賽主題………………………………………………...4

1.2 功能分析………………………………………………...4

1.3 設(shè)計方法………………………………………………...4

第2章、軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型與計算………………………………6

2.1

軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型………………………………….6

2.2

軌跡參數(shù)計算………………………………………….7

第3章、控制機(jī)構(gòu)選型與計算………………………….………….10

3.1

控制機(jī)構(gòu)選型………………………………………...10

3.2

放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計…………………...…………………12

3.3

凸輪的設(shè)計………………………………………...…13

第4章、傳動機(jī)構(gòu)選型與計算……………………………………16

4.1

傳動機(jī)構(gòu)選型………………..……………………….16

4.2

齒輪系的設(shè)計…………………….…………………..16

4.2

尺寸參數(shù)校核………………………..……………….17 第5章、動力機(jī)構(gòu)選型與計算………………………………………19

5.1

繞繩輪安裝位臵分析……………………………..….19

5.2

力分析…………………………………………..…….20

5.3

前輪轉(zhuǎn)向阻力矩的計算………………………...……23

5.4

彈簧勁度系數(shù)的計算……………………………….23

5.5

尺寸參數(shù)的獲取…………………………...………23

5.6

質(zhì)量屬性參數(shù)的確定………………..…………….26

5.7

參數(shù)的計算…………………………………….…..27

5.8

繞繩輪最大半徑的確定……………….…………..29

第6章、微調(diào)機(jī)構(gòu)簡介………………………………….……….….30

第7章、誤差分析及效率計算………………………….…………..31

7.1 誤差分析

………………………………...……….31

7.1.1 設(shè)計誤差……………………………..……………31

7.1.2 參數(shù)誤差…………………………………………31

7.1.3 加工與裝配誤差……………………...………….31

7.2 傳動效率的計算…………………………….…………32

7.2.1 動力機(jī)構(gòu)效率的計算……………...…………….32

7.2.2 傳動機(jī)構(gòu)效率的計算…………………………..33

7.2.3 控制機(jī)構(gòu)效率的計算……………………….….34 第8章、仿真分析………………….………………………..………35

第9章、綜合評價及改進(jìn)方案……………………..………………37

9.1 綜合評價………………………….…..…………..37

9.2 改進(jìn)方案………………………………...………..39

第10章、參考文獻(xiàn)…………………………………………..…….40

第11章、附錄……………………………………………..…………..40

11.1 機(jī)構(gòu)運動簡圖及裝配圖………………...…………………40

11.2 小車三維裝配圖及爆炸圖……………………….………..42

第1章、緒論

1.1 參賽主題

第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽的競賽主題為“無碳小車越障競賽”。這次競賽包含兩個競賽項目。第一個項目與往屆競賽相同，為小車走“S”形線路繞桿。競賽項目二為小車走“8”字形線路繞桿。通過商量，我們選擇的競賽項目為項目二。

1.2 功能分析

根據(jù)本次競賽規(guī)定，競賽項目二是小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上，繞相距一定距離的兩個障礙沿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，相距一定距離放臵在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺的中線上。

小車是在重物下落所帶來的重力勢能的作用下實現(xiàn)運動和轉(zhuǎn)向。因此，小車需具備能量轉(zhuǎn)換裝臵、轉(zhuǎn)向控制裝臵、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等。

1.3 設(shè)計方法

在小車的設(shè)計過程中，應(yīng)該充分綜合考慮到材料、加工制造、生產(chǎn)成本等個方面因素，以保證小車的設(shè)計更加符合實際，削減理論 與實際之間的差距。

小車實現(xiàn)繞“8”字功能，應(yīng)有相應(yīng)的軌跡，因此，在進(jìn)行小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計時可采用從小車的理論軌跡入手，逆向進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計的方法。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)采用發(fā)散思維，注意機(jī)構(gòu)的選型與組合，應(yīng)充分考慮到各機(jī)構(gòu)間的相互關(guān)系以及整體效應(yīng)，注意及時對機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

小車的設(shè)計方法是保證小車技術(shù)含量的關(guān)鍵，在設(shè)計方法上，我們在關(guān)鍵部分采用參數(shù)化組合設(shè)計，以保證設(shè)計精度和方案的可行性。再設(shè)計流程上，我們循序漸進(jìn)步步為營，同時兼顧全局。下面是我們的設(shè)計流程圖。

圖1-1 第2章、軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型及其

計算

2.1 軌跡和行走機(jī)構(gòu)的選型

為了獲得最優(yōu)的理論軌跡，我們采用列舉法，進(jìn)行逐一篩選。經(jīng)過商議，列舉了以下幾種軌跡：

1、雙紐線

2、互補正弦曲線

3、相切圓

4、形“8”字折線

5、其他形似“8”的曲線等 雙紐線：

其直角坐標(biāo)以及極坐標(biāo)方程為：(x2 + y2)2 = 2a2(x2 ? y2)，ρ^2=a^2*cos2θ，由此可知極坐標(biāo)下曲線上任何一點的曲率半徑為R?2a3cos2?。

通過分析，雙紐線是所有曲線中經(jīng)過相同距離的倆個樁的路程是最短的，同時雙紐線曲率又大變小再變大在變小，再回到出發(fā)點，運動過程沒有曲率突變，所有路程都光滑過渡。但是，由于雙紐線本身的復(fù)雜性，導(dǎo)致控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計的難度相當(dāng)大，通過繪圖計算，發(fā)現(xiàn)四桿機(jī)構(gòu)不能同時滿足轉(zhuǎn)向及時間上的控制，而用凸輪機(jī)構(gòu)則導(dǎo)致 凸輪的輪廓曲線太過復(fù)雜。互補正弦曲線，相切圓，折線

正弦曲線可以用四桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，但是由于在端點處存在去兩次曲率突變。相切圓、“8”字折線可以很簡答的實現(xiàn)，但是也存在曲率突變的問題，這些問題都會嚴(yán)重影響小車的穩(wěn)定性，因此不采用這些軌跡作為理論曲線。軌跡敲定：

為了保證小車能夠穩(wěn)定實現(xiàn)八字運動，我們最終確定小車的理論軌跡為倆段圓弧通過倆段公切線連接。這樣既保證了小車運動過程的平穩(wěn)性，又同時使得軌跡規(guī)律性強(qiáng)，易于控制。

針對這個想法，我們設(shè)定了倆種軌跡分別如圖（2-1）、（2-2）所示。

圖2-1

圖2-2 考慮到小車的行走機(jī)構(gòu)，我們擬定了三種小車行走機(jī)構(gòu)的方案，如下：

方案

一、后輪單輪驅(qū)動，其他倆輪從動 方案

二、后輪定時驅(qū)動，前輪從動 方案

三、后輪同時驅(qū)動，前輪從動

針對方案一，左輪與主動軸通過鍵連接，后輪通過軸承與主動軸相連，即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時的差速，簡單有效。

針對方案二，采用齒輪系分別驅(qū)動左右后輪，其中用互補的的不完全齒輪定時驅(qū)動左輪右輪。針對方案三，通過在后輪主動軸上安裝差速器來實現(xiàn)差速。通過分析，方案一不能實現(xiàn)軌跡圖（2-1），方案二不能實現(xiàn)軌跡圖（2-2），方案三則能實現(xiàn)倆種軌跡。由于方案二和方案三需要增加許多齒輪，大大的增加了成本和機(jī)構(gòu)復(fù)雜度。況且，方案二的定時控制難度較大，而根據(jù)經(jīng)驗方案三可靠度不高，因此，考慮到經(jīng)濟(jì)效益以及可靠度，放棄了這兩種方案。最終選定的軌跡如圖（2-2）所示，實現(xiàn)的方式為方案一。

2.2 軌跡參數(shù)計算

理論軌跡的計算及參數(shù)確定：

假設(shè)：小車尺寸參數(shù)：小車寬為2c，輪距為b，前輪最大轉(zhuǎn)角為?

軌跡參數(shù)：中心距為2p,圓弧半徑為R，直線斜率為k，設(shè)定不可行區(qū)域為直徑為200mm的圓。

小車運動場地尺寸：長1525mm，寬1370mm。根據(jù)以上參數(shù)，建立直角坐標(biāo)系，理論軌跡下，可列出以下方程：

2p+2R+2c?1500 ……..………………………………..(2-1)

2(R+2c)?1350…………………………………………..(2-2)

R?100+c ………………………………………….……..(2-3)

又小車轉(zhuǎn)彎時左輪曲率半徑滿足關(guān)系：?=

b?c…………(2-4)tan?

轉(zhuǎn)彎時，小車曲率半徑滿足??R

根據(jù)以上式子，線性規(guī)劃取合理的值，所得結(jié)果如下：

?=250mm，2p=600mm，R=250，?=38.66?

2c=150mm，b=200mm.根據(jù)以上參數(shù)，可作出小車左右輪的軌跡圖（2-1）如圖所示： 10

圖2-1

由于左輪驅(qū)動，右輪從動，故需計算左輪有關(guān)參數(shù)，如圖粉色曲線所示。測量計算得：主動輪一個周期走過的路程為 S=3219.23mm，其中直線路程為：S1=331.66*2=663.32mm，弧線路程為：S2?1278.00*2=2556 第3章、控制機(jī)構(gòu)選型及計算

3.1

控制機(jī)構(gòu)選型

根據(jù)小車運動的軌跡，可知小車前輪轉(zhuǎn)向為間歇運動，因此可用不完全齒輪機(jī)構(gòu)，槽輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)等做小車前輪轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)。

在假定小車速率恒定運動的情況下，設(shè)小車驅(qū)動輪的速率恒定為v，周期為T。忽略過渡階段，設(shè)小車走直線的時間為t1，走弧線的時間為t2。根據(jù)小車一個周期內(nèi)的軌跡可繪制出小車運動循環(huán)圖

表3-1 小車運動循環(huán)分析 0~ t1 t1~ t1+ t2

t1+ t2~2 t1+ t2

2t1+t2~2(t1+ t2)小車啟動，走直由直線過渡到軌跡由弧線過軌跡由直線再轉(zhuǎn)線，前輪轉(zhuǎn)角為曲線，并走直渡到直線，前輪回到弧線，前輪左0度。線，前輪右轉(zhuǎn)?度。

回轉(zhuǎn)?度。

轉(zhuǎn)?度。歷時t2后回到起始點。

根據(jù)上表分析，由于t1?t2,故排不采用槽輪機(jī)構(gòu)。不完全齒輪以及凸輪機(jī)構(gòu)均可實現(xiàn).令：T=60s，后輪半徑R1=70mm,前輪R2=20mm,左輪周長C=2?R1 則：左輪一周期內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)為：r1= 半個周期內(nèi)，走直線所需圈數(shù)：r2=

S1 CSC 12 走曲線所需圈數(shù)：r=

3S2 C代入數(shù)據(jù)即可求得: r1=7.3194r r2=0.7541r r3=2.9262r 根據(jù)以上計算，可知，如果用不完全齒輪，在保證一定精度的情況下，導(dǎo)致齒輪過大，且須附加鎖止機(jī)構(gòu)，因此成本科及復(fù)雜度較高。而小車實現(xiàn)理論軌跡所需控制簡單，只需在必要的時候驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向即可，而不需考慮轉(zhuǎn)向這個過程。如果用凸輪搖塊機(jī)構(gòu)，只需凸輪有四段圓弧即可，所以，凸輪輪廓曲線簡單，加工難度大大降低，加工精度也可相應(yīng)提高。

因此，可初步設(shè)計出凸輪搖塊機(jī)構(gòu)如圖所示：

凸輪推程與推桿到搖塊的距離滿足關(guān)系：?=d?tan?

由于?=38.66?，考慮到安裝，d?10mm,則：?=8.00mm。

圖3-1

3．2

放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計

由2.1可知，?=8.00mm，推程過大，導(dǎo)致凸輪過渡區(qū)域過大，嚴(yán)重影響控制精度。為此，設(shè)計一個放大機(jī)構(gòu)來保證控制精度。故須增加放大機(jī)構(gòu)。

圖3-2 為了后續(xù)設(shè)計的方便，我們對整個控制機(jī)構(gòu)做了逐步分析計算以確定其大體尺寸參數(shù)。如圖所示;

圖3-3 14 設(shè)四桿長度依次為：a,b,c,d，各桿的方向向量為：a，b，c，d。根據(jù)幾何關(guān)系有：

????a+b=c+d……………………………………………………….(3-1)a?cos?11?b?cos?21?d?cos?41?c?cos?31…………………………..(3-2)

a?cos?13?b?cos?23?d?cos?43?c?cos?33…………………………..(3-3)?????11??13=?…………………………………………………………...(3-4)b2?(a?c)2?d2……………………………………………………….(3-5)?1?DE?tan?31………………………………………………………..(3-6)?2?DE?tan?33………………………………………………………..(3-7)根據(jù)小車尺寸，考慮到安裝問題，選定合適參數(shù)，令a=20mm,DE?20mm,又?=38.66?，可求得控制機(jī)構(gòu)各尺寸參數(shù)如下： b=30mm,c=84mm,?1=3.76mm,?2=4.08mm。

3.3 凸輪的設(shè)計：

凸輪推程為?1=3.76mm，回程?2=4.08mm，凸輪基圓半徑為?0，偏距e=0。T=60s,小車走直線所對應(yīng)凸輪的轉(zhuǎn)角為?1=

S1?180?=36.88?，走S2弧線所對應(yīng)的凸輪的轉(zhuǎn)角為?2=180???1=143.12?。則推桿的運動規(guī)律如下表所示：

表3-2 凸輪運動循環(huán)分析

序號 1

凸輪運動轉(zhuǎn)角 0~36.88?

推桿運動規(guī)律 如圖位臵2所示，前輪轉(zhuǎn)角位0，推桿處于推程為?2的位臵。

36.88?~180?

推桿由?2上升到

?1+?2，之后保持遠(yuǎn)休 180?~216.88? 回程，通過圓弧過渡，回到?2位臵，并保持休止 216.88?~360? 推桿繼續(xù)回程，推程變?yōu)?后保持休止?fàn)顟B(tài)

根據(jù)推桿的運動規(guī)律，為了提高精確度，減少過渡時間，并且保證過渡平滑減少沖擊，同時考慮到整體尺寸，設(shè)定凸輪基圓半徑?0?33.92mm,滾子半徑為7mm,則大圓弧半徑為?1?38mm，小圓弧半徑為?2?30.20mm，可設(shè)計圖輪輪廓曲線如下圖（3-4）所示：

圖3-4 根據(jù)以上設(shè)計，可繪制控制機(jī)構(gòu)總體部署如圖（3-5）所示：圖3-5

第4章、傳動機(jī)構(gòu)及計算

4.1 傳動機(jī)構(gòu)的選型

重物下落產(chǎn)生的動力需要經(jīng)過一定的傳動機(jī)構(gòu)調(diào)速后傳動到凸輪以驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使前輪轉(zhuǎn)向。凸輪做整周定速運轉(zhuǎn)，這就要求傳動機(jī)構(gòu)末端構(gòu)件能做整周圓周運動，而傳動機(jī)構(gòu)前端也是整周運轉(zhuǎn)構(gòu)件，所以，可以考慮使用帶輪、齒輪、鏈輪為傳動主機(jī)構(gòu)。由于小車整體尺寸比較小，傳動距離較短，所以帶輪以及鏈輪機(jī)構(gòu)不能表現(xiàn)其優(yōu)勢，而且這倆種機(jī)構(gòu)傳動效率低，精度不夠高。再考慮到結(jié)構(gòu)方面，齒輪機(jī)構(gòu)是最好的選擇。

4.2 齒輪系的設(shè)計

左輪轉(zhuǎn)速：n1?S?7.3606rpm C凸輪轉(zhuǎn)速：n2?1rpm 總傳動比為：i12?7.3606?

5059? 2020因此，傳動機(jī)構(gòu)由兩級直齒圓柱齒輪傳動。

考慮到小車整體尺寸以及加工精度和難度問題，取齒輪的模數(shù)為m=1.5。標(biāo)準(zhǔn)齒輪ha??1,c??0.25,各齒輪參數(shù)如下表：

表4-1 齒輪參數(shù)

序號 M Z

Alpha(壓d/毫da/毫df/毫db/毫b（齒力角)/度 米

米

米

米

寬）/毫米 2 3 4 1.5 1.5 1.5 1.5 20 50 20 59 20 20 20

30.00 33.00 26.25 28.19 20 75.00 78.00 71.25 70.48 10 30.00 33.00 26.25 28.19 20 88.50 91.50 84.75 83.16 10

4.3齒輪尺寸校核：

各齒輪模數(shù)等參數(shù)都一致，且Zmin=,17，如果齒數(shù)最大的齒輪滿足齒厚條件，則其他各齒輪也將滿足條件。m=1.5,z=59,alpha=20?,ha??1,c??0.25 則，分度圓齒厚：s=齒頂圓半徑 ra?基圓半徑rb?db 2?m 2da 2b齒頂圓壓力角：?a?arccos????

?r??ra?inv?a?tan?a??a

inv??tan???

則齒頂厚度：sa?s?ra?2ra??inv?a?inv?? r 19 求得：?a?24.65?，inv??0.0149,inv?a?0.0287 代入式：得sa?1.173mm滿足齒厚條件條件。

所以，所有齒輪都不會有齒廓變尖的情況。整理設(shè)計后的齒輪系傳動機(jī)構(gòu)如下圖所示：

圖4-1 第5章、動力機(jī)構(gòu)選型及計算

動力機(jī)構(gòu)是驅(qū)動小車運動以及驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向的原動力機(jī)構(gòu)，其輸入能量為鐵塊下落所提供的重力勢能，輸出為驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動動能。就機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)形式而言，用繞繩輪直接連接驅(qū)動軸作為動力輸出機(jī)構(gòu)最為簡便，能量損耗最低。因此，動力機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵在于繞繩輪的設(shè)計。

小車的運動過程分為啟動—穩(wěn)定運轉(zhuǎn)—停止三個階段，在啟動階段，小車需要較大的驅(qū)動力矩來推動小車前進(jìn)，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段要求小車的加速度很小，即驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定不變，停車階段主要是能量消耗完畢，動能逐漸減少的零，是自動的過程。因此，需要初步計算出小車的啟動驅(qū)動力矩以及穩(wěn)定運驅(qū)動轉(zhuǎn)力矩。

5.1 繞繩輪安裝位臵的確定

理論上，繞繩輪安裝在任何一根軸上都能實現(xiàn)小車的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，但是，考慮到傳動效率以及車體穩(wěn)定性問題，把繞繩輪安裝在驅(qū)動輪軸上最合適。

理由如下：如圖（4-1）定軸齒輪系

設(shè)：后輪驅(qū)動阻力矩為：Mr1，前輪轉(zhuǎn)向阻力矩為：Mr2

1、假設(shè)繞繩輪樁在齒輪2的輪軸上，重物下落通過繞繩輪產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為Me，則傳遞到齒輪1所在輪軸上的力矩變?yōu)?M?MeR1，因R2此齒輪副轉(zhuǎn)動存在扭矩改變的問題，而Mr2 ?Mr1，若果繞繩輪不安 裝在驅(qū)動輪輪軸上的話，會導(dǎo)致齒輪系傳力負(fù)荷過大，一方面會降低傳動效率，另一方面會加速齒輪磨損，而且對齒輪的各方面性能 要求更高。因此，把繞繩輪安裝在驅(qū)動輪輪軸最合適。

5.2

控制過程力分析

根據(jù)小車的軌跡，前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)一個周期共分為四個階段，只有在過渡階段存在力的改變，轉(zhuǎn)向力矩的計算;

前輪轉(zhuǎn)向阻力矩為：Mr2。

摩擦系數(shù)：各構(gòu)件材料均采用5A05鋁合金，滑動摩擦系數(shù)為：f1?0.14，與木板的滾動摩阻系數(shù)：?1?0.36/mm，摩擦圓半徑為?，各構(gòu)件長為：li，轉(zhuǎn)動副銷釘半徑為R，彈簧的勁度系數(shù)為k，推桿最大推程p,暫態(tài)推程為x。對轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)做力分想，析：

階段4：

圖5-1 過渡階段4，各構(gòu)件的狀態(tài)如圖（5-1）所示，對構(gòu)件分別做力分析 受力分析圖（5-3）如下

圖5-2-1 23

圖5-2-2

圖5-2-3

圖5-2-4

圖5-2-5 對構(gòu)件1有：

FR21??l1?cos?1????Mr2………………………………（5-1)對構(gòu)件2有：

FR12?FR32………………………………………………..(5-2)對構(gòu)建3有：

2FR23?…………………………...(5-3)（l3?cos????）?FR43?l3對構(gòu)件4有：

FR34?cos?2?Fn?Ff54sin?3?FN54…………………………..(5-4)對構(gòu)件5有：

Me5?FR45?d………………………………………………(5-5)聯(lián)立上述5式，求得：

1?Mr2l3?cos?2??cos?2?Fn2l3?l1?cos?1????d………………………(5-6)?cos?3?f?sin?3??

Me5忽略摩擦的情況下：

同樣對各構(gòu)件分別做力分析可求得：

1Mr2l3?cos?2?cos?2?Fn2l3?l1?cos?1??d…………………………(5-7)?cos?3??

Me5其中：

???2?f?R………………………………………….………..….…(5-8)代入數(shù)值得：?=0.66mm…………………….................................(5-9)

Fn?k?x……………………………………………………….(5-10)

5.3

前輪轉(zhuǎn)向阻力矩的計算：

前輪在車體重力的作用下發(fā)生變形，由于力很小，前輪變形極小，故可假設(shè)前輪與地面接觸面為一半徑為R深為?h的圓柱。則，前輪轉(zhuǎn)動的阻力矩為：

積分得：

Mr2??(0RFC?2?r2?f)dr……………………(5-11)2?R

Mr2?

其中：R?2FC?R………………………………………(5-12)3????FC…………………………………………(5-13)

5.4 彈簧勁度系數(shù)的計算：

為了保證第二過渡階段彈簧能驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，其勁度系數(shù)與阻力矩滿足以下關(guān)系：

Mr2????kx2………………………………………………...…..(5-14)Mr2kxl32?1………………...………………………………………..(5-15)l312 5.5 參數(shù)的獲?。?/p>

在過渡階段，前輪的轉(zhuǎn)角處于漸變階段，為了獲取合適的參數(shù)，我們采用作圖法來獲取特殊點參數(shù)，以求得最大的驅(qū)動力矩。由于實際加工與裝配過程中會有較大的誤差，因此，這些理論計算的出的數(shù)據(jù)只能作為一個參考，實際繞繩輪的大小可能還需經(jīng)過一定的調(diào)整。如下圖(5-4)所示：

通過作一系列的輔助線，量取相應(yīng)的尺寸即可。凸輪轉(zhuǎn)動中心到對應(yīng)位臵滾子的轉(zhuǎn)動中心的距離即連心線長為h0，到滾子與凸輪接觸處切線的法線的距離為d，連心線與法線的夾角為?3。

圖5-3 測得階段四與階段二的參數(shù)如下表：

表5-1 階段四數(shù)據(jù)

h? d 13.01 10.06

?3

? ?2? ?1 ?2

8.60 39.64

19.84 14.70

1.48 2.46

11.90 6.35

24.30 14.98

1.47 4.65

表5-2 階段二數(shù)據(jù)

h? d 13.41 9.93

?3

? ?2? ?1 ?2

42.95 43.98

18.12 13.05

1.69 2.72

2.98 2.76

15.74 26.17

4.85 7.82 5.6

質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的確定：

通過三維造型，設(shè)計好零件并組裝成裝配圖之后，定義了各個零件的質(zhì)量屬性，通過proe分析測量，獲得了小車的質(zhì)量，重心（如圖（5-5）線圈內(nèi)的坐標(biāo)系）等數(shù)據(jù)，記錄如下：

圖5-4 體積 = 5.7502203e+05 毫米^3 曲面面積 = 3.0700972e+05 毫米^2平均密度 = 4.0046427e-09 公噸 / 毫米^3 質(zhì)量 = 2.3027578e-03 公噸

根據(jù) PRT_CSYS_DEF 坐標(biāo)邊框確定重心: X

Y

Z 4.9962801e+01 1.5108786e+02 7.8382376e+01 毫米

5.7 參數(shù)的確定

根據(jù)以上參數(shù)，可以計算出，在加上鐵塊后，各個輪子所受正壓力：設(shè)，前輪為C，后輪左輪為A，右輪為B。如圖（5-6）所示：

圖5-5 參照坐標(biāo)系在m處，測得小車重心坐標(biāo)系在n處。對小車整體受力分析有：

FA?FB?FC?G……………………………………………………..(5-16)G?yG?FC?yc………………………………………………………..(5-17)G?xG?FB?xB………………………………………………………(5-18)xB?150,yC?200,xG?79,yG?50,G?22.57N

代入數(shù)值，求得：

FC?5.64N

FB?11.87N

FA?5.06N

代入式

:Mr2?0.0003 N?m(R=0.089mm)……………………(5-19)???38.66?,第四過渡階段?1?4.08mm，第二過渡階段?2?3.74mm，k=24.32 N/m 左輪的滾動摩阻：Mr1??1?(FA?FB?FC),代入數(shù)值：得Mr1?8.13Nmm 第四階段：Me5?58.20Nmm

55.75Nmm 第二階段：x?4.08??

Fn?0.14N0

0.165N

Me5=72.06Nmm 68.56Nmm 因此，加在繞繩輪上的最大阻力矩為：MR?80.19Nmm…………(5-20)5.8 繞繩輪最大半徑的確定：

如圖所示：繞繩輪的半徑為R1 鐵塊重力為G=9.8N

平衡狀態(tài)下繞繩輪的受力關(guān)系滿足下式：

G?R1?MR

代入數(shù)據(jù)，解得：

R1=8.18mm

圖5-6 至此，所車體有構(gòu)件尺寸均已確定。

第6章

微調(diào)機(jī)構(gòu)簡介

由于存在加工誤差和轉(zhuǎn)配誤差，并且，小車轉(zhuǎn)向存在過渡階段，因此，小車實際運動軌跡將會與理論軌跡有一定的偏差，為了是小車盡可地能實現(xiàn)盡量多的完整8字繞行，必要的微調(diào)機(jī)構(gòu)是比不可少的。

小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑由車體尺寸以及前輪轉(zhuǎn)角決定，但是，車子一旦加工完成，車體尺寸無法改動，因此，可以通過改變前輪轉(zhuǎn)角來調(diào)整小車的形勢軌跡。如圖所示：

圖6-1 控制前輪轉(zhuǎn)向的搖桿通過螺釘固定連接，但是螺釘相對于搖桿的位臵式可調(diào)的，通過改變其相對位臵來改變搖桿的長度，從而調(diào)節(jié)前輪的轉(zhuǎn)角。

第7章、誤差分析及效率計算

7.1 誤差分析

7.1.1 設(shè)計誤差

在進(jìn)行小車的設(shè)計時，添加了一些理想化設(shè)計，如在假定小車做勻速運動的情況下完成整個軌跡，據(jù)此選定和似的參數(shù)，設(shè)計出了前輪轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)。實際中，小車不可能做完全的勻速運動，必定會有速度的波動，此外，由于小車在轉(zhuǎn)彎時，不可能突變，過渡階段很關(guān)鍵地影響著小車的運動軌跡，雖然，我們通過放大機(jī)構(gòu)來提高精度，但是，任然存在一定的誤差，因此，在控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計上存在誤差。

7.1.2 參數(shù)誤差

在第5章所進(jìn)行的力分析時，采用了參數(shù)化設(shè)計，涉及到許多的參數(shù)，如鋁合金與木板的滑動摩擦因素以及滾動摩阻系數(shù)等，在計算前輪的變形時，使用的尼龍許用應(yīng)力也與現(xiàn)實存在一定的差距。因此，在繞繩輪的設(shè)計上存在一定的誤差，但是這個誤差可以通過更換繞繩輪來的待解決。

7.1.3 加工誤差及裝配誤差

加工誤差和裝配誤差的存在，必定會導(dǎo)致小車運動的偏差，然而

這個誤差是可以調(diào)節(jié)的。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，我們考慮到加工的問題，使設(shè)計出的零件盡可能地易于加工，減少成本，因而大大的減少了加工誤差。然而，對裝配的誤差考慮較少，造成整體結(jié)構(gòu)不夠緊湊，裝配誤差比較大。因此，在后續(xù)的過程程中，應(yīng)當(dāng)對整體結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。

7.2 效率的計算

小車主體由動力機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成。令各機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率為?

1、?2、?3，則小車整體的機(jī)械效率為：

?總??1??2??3

7.2.1動力機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率

如圖

所示，繞繩輪與后輪轉(zhuǎn)軸直接固定連接，繩子與定滑輪以及繞繩輪只存在滾動摩擦（或者存在極少量的滑動摩擦，故可忽略不計），因此能量的損耗只在于滑輪與滑輪軸之間的摩擦損耗?；喓突嗇S的材料都是采用5A05鋁合金，其滑動摩擦因數(shù)為f=0.14，滑輪半徑R1=22mm，滑輪與滑輪軸組成的轉(zhuǎn)動副的摩擦圓曲率半徑為??0.66mm。

對滑輪受力分析如下圖(7-1)所示：

圖7-1 對轉(zhuǎn)動中心由平衡條件可得：

T?R1?Fr???G?R1………………………………………….(7-1)

Fr?G?T……………………………………………………..(7-2)聯(lián)立可求得：

T=G?R1??……………………………………………...(7-3)R1??忽略摩擦的情況下，同理可求得：

T??G……………………………………………….……(7-4)又，?1?T……………………………………………………….(7-5)?T聯(lián)立

代入數(shù)據(jù)，求得：?1?95.9%..............................................(7-6)

7.2.2

傳動機(jī)構(gòu)效率的計算

查閱資料可知，8級精度的直齒圓柱齒輪在有席油潤滑的情況下

的傳動效率為97%。由于，傳動機(jī)構(gòu)為兩級齒輪副傳動，因此，可計算出傳動機(jī)構(gòu)的總機(jī)械效率為：

?2?97%?97%=94.1%............................................................(7-7)

7.2.3轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)傳動效率的計算

過渡階段，前輪轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)的傳動效率可有式

計算可得。聯(lián)立式 有：

?3?Me5………………………………………………………(7-8)?Me5取最大傳動力矩位臵的參數(shù)做計算，求得：

?3=93.6%..................................................................................(7-9)綜合式(7-6)、(7-7)、(7-9)可得：

?總?84.5%..................................................................................(7-10)

第8章、仿真分析

通過對小車進(jìn)行機(jī)構(gòu)連接，我們對小車做了運動仿真分析。輸出了仿真動畫，以及小車前輪的轉(zhuǎn)速，角加速度和角位移圖象，如下圖所示：

圖8-1

通過測量，發(fā)現(xiàn)前輪最大轉(zhuǎn)角分別為：34.96度、38.46?度。與理論設(shè)計的角度38.66?存在一定的誤差。在時間上，通過測量，過渡階段主要分配在小車走弧線的階段，過渡階段的時間為3.5秒，走直線的時間為6.02秒，走弧線的時間為20.37秒。

小車前輪角速度和角加速度圖象如圖（8-2）所示，通過測量，小車前輪的最大加速度如圖第一個波峰所示，為16.05度/秒。變速階段與小車前輪角位移改變階段相對應(yīng)。

圖8-2

小車前輪角加速度圖象如左圖（8-3）所示，顯然，在個別位臵加速度較大，大體變化不大，因此，小車在轉(zhuǎn)向時不會出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎導(dǎo)致小車失衡的情形。

圖8-3

第9章、綜合評價及方案改進(jìn)

通過對小車的設(shè)計以及運動仿真分析，我們對小車做了整體的綜合評價，并提出了改進(jìn)方案。

9.1 綜合評價

9.1.1

不足處

1、小車主要由凸輪四桿機(jī)構(gòu)，齒輪傳動機(jī)構(gòu)，以及繞繩輪動力機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)組成較復(fù)雜，零件裝配定位難度大。

2、小車整體機(jī)構(gòu)分布不夠緊湊，零件分布不夠均勻。

3、小車各機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)方式連接，傳動效率不夠高。

9.1.2

優(yōu)點

1、小車整體設(shè)計采用優(yōu)化參數(shù)設(shè)計，控制精度高。

2、在進(jìn)行機(jī)構(gòu)或零件設(shè)計時充分考慮到加工與制造，因此零件相對簡單，加工難度低，加工精度高，成本低。

3、小車運動過渡階段平穩(wěn)緩和，運行穩(wěn)定性高。

9.2 方案改進(jìn)

針對以上分析，我們提出了一下改進(jìn)方案:

1、保證加工精度和一定加工成本的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使小車整體結(jié)構(gòu)盡可能的緊湊。

2、在保證實現(xiàn)預(yù)定功能的前提下，優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計，盡可能地提高整體機(jī)械效率，減少摩擦損耗。

3、優(yōu)化機(jī)構(gòu)布局，使小車重心盡可能地靠里，增強(qiáng)小車抵抗外界 干擾的能力。

第10章、參考文獻(xiàn)

【1】濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計.8版.北京 ： 高等教育出版社，2006.【2】孫恒，陳作模.，葛文杰.機(jī)械原理.7版.北京：高等教育出版社，2006.【3】黃靖遠(yuǎn)，高志，陳祝林.機(jī)械設(shè)計學(xué).3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.【4】周增文，湯酚則，張亮峰.機(jī)械加工工藝基礎(chǔ).長沙:中南大學(xué)出版社.2003.【5】徐紹軍，云忠.工程制圖.2版.長沙：中南大學(xué)出版社.2010.41

第11章、附錄

附錄

1、機(jī)構(gòu)運動簡圖及裝配圖

11.1.1 機(jī)構(gòu)運動簡圖

圖11-1

11.1.2 裝配圖

圖11-2

1、搖桿1

2、連桿

3、搖桿2

4、推桿

5、推桿座

6、彈簧

7、凸輪

8、軸承座1

9、齒輪3

10、齒輪2?

11、軸承座2

12、齒輪2

13、后輪軸

14、后輪

15、齒輪1

16、軸1

17、軸2

18、車板

11.2三維裝配圖及爆炸圖

圖11-3

圖11-4 44

圖11-5 45

第三篇：無碳小車說明書

無碳小車說明書

（本小組選擇的競賽項目是競賽項目二）

一、小車整體說明

小車整體結(jié)構(gòu)上面，我們根據(jù)小車功能要求和機(jī)器的構(gòu)成（原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分），把小車分為驅(qū)動部分、轉(zhuǎn)向部分兩個模塊進(jìn)行分析和設(shè)計。

在此基礎(chǔ)上，小車采用三輪機(jī)構(gòu)，后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向，重物下落的過程中通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)，將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車運動的動能，在后輪驅(qū)動下，再通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的凸輪傳動，將后輪的行走轉(zhuǎn)化為前輪的轉(zhuǎn)向，以便達(dá)到預(yù)期的要求。

考慮到競賽項目二要求的樁距是（400±100）mm，小車車身在允許范圍內(nèi)應(yīng)盡可能小，并且行走的軌跡也要盡可能的短，這樣才能夠避免小車車身碰到障礙物或者小車駛出乒乓球桌。

二、驅(qū)動部分

原理分析：根據(jù)小車功能要求，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(jī)械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上，繞相距一定距離的兩個障礙沿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。以小車?yán)@行的圈數(shù)、以及碰倒或避開障礙的多少來綜合評定成績。在設(shè)計要求中，驅(qū)動部分是將物塊重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能，并在有限的動能下，使小車能夠移動盡可能多的距離，讓成績達(dá)到盡可能好。

機(jī)構(gòu)分析：為達(dá)到既定要求，首先，在驅(qū)動機(jī)構(gòu)上，我們通過一個繩輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車后輪的驅(qū)動動能，具體就是將繩子繞過高40cm的定滑輪，一端連在重物上，另一端固定的繞在驅(qū)動軸上，通過重物下落帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)后輪的驅(qū)動。然后，為了使小車運動的距離達(dá)到盡可能長，我們使用了一個齒輪傳動機(jī)構(gòu)，通過齒輪的運轉(zhuǎn)和傳遞，使得在繩長確定即能量一定的情況下，小車后輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)越多，進(jìn)而盡可能的增加繞行的圈數(shù)，但在這個過正中，不能因為摩擦力的情況而發(fā)生自鎖現(xiàn)象，在這些情況下，我們抉擇出最佳的傳動比和傳力繩。驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡圖如下

三、傳動轉(zhuǎn)向部分

要實現(xiàn)盡可能多的使小車重復(fù)完成繞八字運動，傳動及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，此處我們來分析一下轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

基本原理：

1、傳動機(jī)構(gòu)：傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車?yán)@的圈數(shù)更多及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需達(dá)到傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等要求。在這些要求上我們想過以下幾種方法來解決：

1、不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。

2、.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及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。

3.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。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。

2、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計的關(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(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)搖桿、曲柄連桿搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。

凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運動。優(yōu)點：只需設(shè)計適當(dāng)?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。在本小車設(shè)計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動摩擦）

曲柄連桿搖桿 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維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)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(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設(shè)計較為復(fù)雜；當(dāng)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場合。在本小車設(shè)計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，利用 MATLAB 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。對于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調(diào)機(jī)構(gòu)來解決。曲柄搖桿 結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計出較好的機(jī)構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎 差速拐是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計方案。和凸輪同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據(jù)需要來調(diào)整輪子的尺寸。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的）綜合上面分析我們選擇曲柄連桿搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。

機(jī)構(gòu)分析：首先，要實現(xiàn)繞八字運動，可以采用圓柱凸輪+搖桿。設(shè)計適當(dāng)?shù)臏喜?，圓柱凸輪做定軸轉(zhuǎn)動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)不斷的任意往復(fù)運動，通過分析走八字時轉(zhuǎn)向輪的運動規(guī)律可以獲得搖桿的運動規(guī)律，以此規(guī)律為依據(jù)可以分析出圓柱凸輪溝槽的軌跡。其次，要使八字盡可能多，這就要求我們必須減少能量損失，提高能量利用率。考慮到齒輪具有效率高，工作可靠，傳動比穩(wěn)定的特點，我們采用齒輪傳動，通過一對嚙合的直齒輪機(jī)構(gòu)將驅(qū)動住的轉(zhuǎn)動傳遞給圓柱凸輪。另外為盡量減小摩擦帶來的能量損失，可通過使用潤滑油潤滑的方式來減小摩擦。小車傳動及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡圖如下

四、理論分析

（1）小車軌跡形狀及長度

我們是根據(jù)伯努利雙扭線來設(shè)計小車的8字軌跡，它的直角方程是（x2+y2）2=a2（x2-y2），軌跡的周長C=5.244a，雙紐線

考慮到小車運動的實際情況，上圖中m,n兩點代表兩木樁，在autoCAD中畫出mn=300mm,400mm,500mm的圖像，求出周長。然后用EXCEL的函數(shù)功能求出不同樁距的相關(guān)數(shù)據(jù)

autoCAD繪制的雙紐線

Excel表格。

（2）圓柱凸輪溝槽的確定

1/21/2通過伯努利雙扭線，解出y=?（-x2+（8a2x2+a4）/2-a2/2），yy，=-x+4ax/(8x2+a2)1/2，求出y，這樣可以求出輪子的轉(zhuǎn)角為α，因為轉(zhuǎn)動桿的長度和前輪與轉(zhuǎn)動副的距離一定，分別可設(shè)b，a，c，利用三角函數(shù)求得桿的轉(zhuǎn)角為β=arcsin（csinα/b）(β取鈍角)，這樣溝槽的函數(shù)h=a*sin（α+β），利用h的變化設(shè)計溝槽，使輪子按照預(yù)定的軌跡轉(zhuǎn)動。

（3）小車后輪直徑齒輪傳動比

設(shè)小車運動軌跡長度為S，驅(qū)動軸齒輪對與凸輪同軸齒輪的傳動比為i，后輪直徑為D。根據(jù)設(shè)計要求，小車完成一次八字，圓柱凸輪旋轉(zhuǎn)一周，后輪旋轉(zhuǎn)i 周，即

i×πD=S

D=S/πi

第四篇：無碳小車說明書

目錄

1.摘要..............................................................1 2.引言..............................................................1 3目的..............................................................1 4工作原理和設(shè)計理論推導(dǎo)............................................1 4.1總體結(jié)構(gòu).....................................................1 4.2設(shè)計方案介紹與計算分析.......................................2 4.2.1無碳小車模塊機(jī)構(gòu)介紹...................................3 5.設(shè)計總結(jié).........................................................8 6.附件

1.摘要

本作品是依據(jù)工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題主題“無碳小車”，提出一種“無碳”方法，帶動小車運行，即給定一定重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并用來驅(qū)動小車行走的裝置。該小車通過微調(diào)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動走“S“字直線繞障。此模型最大的特點是通過兩個不完全齒輪驅(qū)動前輪擺動，進(jìn)行可調(diào)整的周期性擺動，使前輪的擺動節(jié)拍具有可調(diào)性。本文將對無碳小車的設(shè)計過程，功能結(jié)構(gòu)特點等進(jìn)行詳細(xì)介紹，并介紹創(chuàng)新點。

2.引言

隨著社會科技的發(fā)展，人們的生活水平的提高，無碳對于人們來說，顯得越來越重要，建設(shè)無碳社會，使得生活更加的環(huán)保，沒有任何的污染。節(jié)能、環(huán)保、方便、經(jīng)濟(jì)，是現(xiàn)代社會所提倡的?，F(xiàn)在許多發(fā)達(dá)國家都把無碳技術(shù)運用到各個領(lǐng)域，像交通，家具等，這也是我國當(dāng)今所要求以及努力的方向。針對目前這一現(xiàn)狀，我們設(shè)計了無碳小車模型，用重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能提供了一種全新的思路，以便更好的解決以上問題。

3目的

本作品設(shè)計的目的是圍繞命題主題“無碳小車”，即不利用有碳資源，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化原理，利用重力勢能驅(qū)動帶動具有方向控制功能的小車模型。這種模型比較輕巧，結(jié)構(gòu)相對的簡單，能夠成功的將重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能，從而完成小車前行過程中的所有動作。

4工作原理和設(shè)計理論推導(dǎo)

4.1總體結(jié)構(gòu)

圖 1 無碳小車總體結(jié)構(gòu)

無碳小車模型的主要機(jī)構(gòu)有驅(qū)動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)及微調(diào)機(jī)構(gòu)。主要部件如下圖2所示為小車整體模型。

圖 2 無碳小車模型

4.2設(shè)計方案介紹與計算分析 4.2.1無碳小車模塊機(jī)構(gòu)介紹

1.驅(qū)動機(jī)構(gòu)

本方案采用繩輪作為驅(qū)動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。我們采用了梯形輪使能量轉(zhuǎn)化過程中有更合適的轉(zhuǎn)矩使驅(qū)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。同時做到了到達(dá)終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊，提高了能量利用率。繩輪機(jī)構(gòu)簡單，傳動效率高，且在針對不同場地導(dǎo)致的所需動力不同的情況，可通過調(diào)節(jié)繞繩位置來改變轉(zhuǎn)矩，使動力改變，增強(qiáng)適應(yīng)性。

2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 如圖，本方案采用了搖桿加兩個完全相同的不完全齒輪，實現(xiàn)可變周期性轉(zhuǎn)向。考慮到摩擦、制造、安裝誤差的敏感性等因素，我們最終選用了搖桿加不完全齒輪的方案。考慮到適應(yīng)場地的需求，我們將原來的一個不完全齒輪改為兩個，實現(xiàn)了不完全齒角度差的可調(diào)性。

圖 3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

3.行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)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。

有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：

M?N??

f?MR?3

N??R 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，單輪驅(qū)動。

雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠(yuǎn)比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進(jìn)受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。

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。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?qū)崿F(xiàn)滿足要運動。單向軸承實現(xiàn)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(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運動不準(zhǔn)確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。

單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)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(qū)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(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。

雙輪差速和單輪驅(qū)動在“S”字直線繞障和“8”字繞障中都是可行的，但是相比之下，雙輪差速適合于“S“字直線繞障，而單輪驅(qū)動更加適合于8字繞障。因此我們選用雙輪差速。

綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，采用單輪?qū)動。如果有條件可以通過實驗來確定實現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案。

4.微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)部分所要實現(xiàn)的功能分為兩個部分：一是實現(xiàn)前輪最大轉(zhuǎn)角αm的變化，二是實現(xiàn)轉(zhuǎn)動周期的變化。根據(jù)所要實現(xiàn)的功能不同，微調(diào)機(jī)構(gòu)也位于兩個部分。

(1)搖桿微調(diào)機(jī)構(gòu)

通過改變搖桿的長度，使被約束桿的擺動幅度增大，進(jìn)而使前輪的最大轉(zhuǎn)角αm發(fā)生改變。為了使αm的改變具有連續(xù)性，使小車可以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，此處采用微調(diào)滑塊（配有螺母緊固滑塊）式機(jī)構(gòu)。其調(diào)節(jié)具有連續(xù)性，且調(diào)節(jié)精 度較高。

圖 4 搖桿微調(diào)機(jī)構(gòu)

(2)不完全齒輪微調(diào)機(jī)構(gòu) 上文也指出，本方案采用了兩個完全相同的不完全齒輪作為主動輪，兩不完全齒輪之間有夾角β，此夾角的變化會造成兩不完全齒輪對從動輪的作用時間間隔發(fā)生改變，即：從動輪做時停時轉(zhuǎn)的間歇運動，而停、轉(zhuǎn)的時間長度發(fā)生改。

通過這一點可以調(diào)節(jié)行走路線中，長度路徑和轉(zhuǎn)彎路徑的長度。通過兩個微

圖 5 不完全齒輪機(jī)構(gòu)

調(diào)機(jī)構(gòu)的合理配合，基本可以實際行走任意路徑。4.2.2無碳小車設(shè)計的理論指導(dǎo)

1.運動原理

如上圖所示，重物下降時帶動繩輪的轉(zhuǎn)動，繩輪的轉(zhuǎn)動帶動輪的轉(zhuǎn)動，通過線傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，再通過連桿將轉(zhuǎn)盤周期性的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為前輪的擺動。由后輪的直線運動與前輪的擺動運動結(jié)合一起，從而實現(xiàn)了近似正弦曲線的運動軌跡，完成任務(wù)。

2.尺寸分析

通過調(diào)節(jié)微調(diào)裝置，即：兩不完全齒輪角度配合，及微調(diào)滑塊的位置，可以完成走“S”字直線繞障路線，如下圖：

圖 6 “S"字直線繞障路線

由于采用了直線與曲線配合的行走路線，可盡量減少周期路程。（1）

?v后輪??后輪r后輪??B??green???vgreen??greenrgreenwith?and?vgreen?vpurple?vpurple??purplerpurple???purple??blue?v??rblueblue?blue

?vB??BrB??B??green?v??green??greenrgreenwith?and?vgreen?vblue

?vblue??bluerblue???blue??yellow?vyellow??yellowryellow?假設(shè)r已知，8個未知數(shù)7個方程，即只有一個自由變量：

v后輪K?r后輪rpurple?rgreenrbluer后輪rpurple???vbluergreenrblue

記于是：，則

v后輪?K?vblue，雖然不一定勻速，但可以對t積分，S后輪?K?sblue

K的物理意義在于，r后輪與rpurple的地位是等同的，其大小只會影響最后的精度，而不會影響比例（雖然看上去調(diào)整后輪的半徑似乎更能影響軌跡，實質(zhì)上并非如此，但是的確會影響轉(zhuǎn)的圈數(shù)，詳見下）（2）設(shè)???0,??，軌跡半徑為R，則直線段長：弧長為

tan?R:?????R?tan?:??????3??0.826?0.453:0.547??3時，比例為1??2?/3當(dāng) ? 6 設(shè)藍(lán)色上有兩組鋸齒，每走半個“S”字，藍(lán)色齒輪轉(zhuǎn)了1圈。

另設(shè)走直線時記為P1，走弧線時記為P2，半個?字中，直線段總長S1，弧線總

s1?S1???S2s,ss1??S1??12是關(guān)于藍(lán)22長，即有,由(1)的公式，可得，其中色齒輪的弧長。轉(zhuǎn)1圈，可知

s1?s2?2?rblue?s1?r?2???blue??s2?2?(1??)?sblue，故??rblue

可確定其比例，即位置角，同時也可得出

rblue的值無本質(zhì)影響（在K不變的?后輪K2?r后輪?K2?rbluer?blue）情況下）。又（其中，若增加blue的值，同時成比例增加r后輪的值，使K不變，則

K2不變，所以外輪還是轉(zhuǎn)這么多圈，相當(dāng)于成比例放大了。（半個周期里外輪轉(zhuǎn)多少圈在這里無關(guān)緊要，在其它分析里可能有用，反正也可以表出。）

由前輪傳導(dǎo)等等可以得出藍(lán)色齒輪周長尺寸路程，sblue，而對應(yīng)的走半個S字的S后輪由需要走的實際路程確定（后輪，B=Back），而

sblue與S后輪之間滿足q前述約束關(guān)系，這個K就可以調(diào)整了。（3）關(guān)于前輪傾斜角與軌跡半徑

若設(shè)前輪所處點與某一后輪所處點的距離為L，則軌跡半R?L2sin?2，可以實驗測得。經(jīng)過分析與測定，在實物測定之前，我們暫

前后輪軸距L：

150mm

后輪軸長D：

100mm 后輪半徑R：

80mm 最大齒輪半徑rred：

45mm 不完全齒輪半徑rgray： 40mm 定數(shù)據(jù)如下：

最小齒輪半徑ryellow：

8mm 其次小齒輪半徑rorange：10mm 其中各齒輪的模數(shù)為2，壓力角為20°。根據(jù)以上分析計算確定小車主要結(jié)構(gòu)的尺寸，如各個齒輪的分度圓半徑前后輪軸距，再根據(jù)主要結(jié)構(gòu)框架完成各個零件的設(shè)計，具體設(shè)計見CAD裝配圖和零件圖。

5.設(shè)計總結(jié)

經(jīng)過無碳小車整體方案的設(shè)計、零件加工、無碳小車的裝配以及后期的調(diào)試到完成參加比賽。在整個競賽參與過程中通過親手制作和對設(shè)計方案的思考讓我們團(tuán)隊成員學(xué)習(xí)到了很多，總結(jié)無碳小車設(shè)計方案和參賽感想如下：

1.無碳小車采用雙輪差速，機(jī)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎更為容易實現(xiàn)。

2.使用T型繩輪，使能量轉(zhuǎn)化過程中有更合適的轉(zhuǎn)矩使驅(qū)動力適中。3.采用多處微調(diào)機(jī)構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物。

4.使用不完全齒輪實現(xiàn)路徑改變，相同的重力勢能使小車的行程更遠(yuǎn)。5.采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)。6.方案設(shè)計過程還存在許多不足之處，例如小車制造加工精度要求相對較高，使加工零件成本高，且實際的現(xiàn)場加工條件很難達(dá)到實際需要的加工要求；微調(diào)各機(jī)構(gòu)都很費時，且調(diào)節(jié)到適當(dāng)配合需要一定技巧性等。

第五篇：無碳小車設(shè)計說明書

無碳小車設(shè)計說明書

參賽者：

施朝雄

林秋妹

指導(dǎo)老師：羅敏峰2014-12-16

丁天熙

一、主題

設(shè)計一種小車（“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”），驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。實現(xiàn)小車可以按照樁距自動轉(zhuǎn)彎，樁距是按每50mm 跳檔在700～1300mm 范圍內(nèi)產(chǎn)生一個“S”型賽道障礙物間距值。

二、分析

1、為使得小車能夠轉(zhuǎn)彎，并能夠繞開等距離的障礙物，需要設(shè)計一個能夠自動轉(zhuǎn)彎的機(jī)構(gòu)。

2、根據(jù)這次的比賽要求我們需要考慮設(shè)計一個可調(diào)級方案.3、為了使得小車能夠順利轉(zhuǎn)彎，還要解決小車后輪的差速問題

4、為了能夠減少裝配的誤差使小車的擺角能夠消除這些誤差我們還需設(shè)計有課微調(diào)機(jī)構(gòu)

三、方案確定

1.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，關(guān)系到小車的整體性能.通過查閱大量資料以往常用的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)有凸輪和曲柄搖桿等機(jī)構(gòu).曲柄搖桿的機(jī)構(gòu)雖然簡單輕便但是可能會打滑所以我們打算用圓柱凸輪的方案圓柱凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運動，并且穩(wěn)定性較強(qiáng)。所以我們采用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿作為我們的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

2.調(diào)級

此次命題的難點就是小車過的樁距要可調(diào)節(jié)的，并且要從按每50mm 跳檔在700～1300mm 范圍內(nèi)產(chǎn)生一個“S”型賽道障礙物間距值。

我們轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用的是圓柱凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿，所以要求凸輪轉(zhuǎn)一圈，小車就要通過一個s周期的路程。我們通過改變大齒輪的齒數(shù)，實現(xiàn)凸輪軸上和驅(qū)動輪上的齒輪傳動比的改變從而實現(xiàn)變距，但是要實現(xiàn)這么多的變距，這就要求小車要攜帶多對齒輪。但為了減少摩擦力對能量的消耗，所以小車的負(fù)重又不能太重。這就考慮小車能不能便攜式更換大齒輪，所以我們采用以下機(jī)構(gòu)實現(xiàn)以上要求。

小齒輪組固定在驅(qū)動軸上，大齒輪可以根據(jù)要求便攜式拆卸，從而組裝出符合要求的傳動比！

3.左右輪差速

小車轉(zhuǎn)彎時左右兩輪的的速度是不一樣的，如果裝普通的深溝球軸承，是沒辦法實現(xiàn)差速拐彎的！要解決這個問題可以有如下兩種辦法：

1.使用差速器。但是差速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難 2.使用單向軸承。簡單方便，而且價格合理！

所以我們采用左右兩輪各裝一個單向軸承！

3.微調(diào)機(jī)構(gòu)

用螺絲可以實現(xiàn)前輪擺角的微小變化 機(jī)構(gòu)如圖所示

裝配圖

機(jī)構(gòu)運動簡圖

大齒輪小齒輪轉(zhuǎn)向桿1后輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向桿2圓柱凸輪S型三等獎