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1、
無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書
學(xué) 院: 行知工學(xué)分院
班 級(jí): 機(jī)械132班
學(xué)生姓名:
學(xué) 號(hào):
指導(dǎo)老師:
完成時(shí)間: 2015 年 6 月 15 日
1.緒論
1.1小車的設(shè)計(jì)命題
設(shè)計(jì)一種小車,驅(qū)動(dòng)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(shì)能轉(zhuǎn)換
2、來(lái)的。給定重力勢(shì)能為 4 焦耳(取 g=10m/s2),設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊(¢5065 mm,普通碳鋼)鉛垂下降來(lái)獲得,落差 4002mm,重塊落下后,須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng),不允許從小車上掉落。如圖1.1所示。
圖1.1
要求小車行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得,不可使用任何其他的能量來(lái)源。
要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu),且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能,以適 應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。
要求小車為三輪結(jié)構(gòu),具體設(shè)計(jì)、材料選用及加工制作均由學(xué)生自主完成。
1.2小車的整體設(shè)計(jì)要求
小車設(shè)計(jì)過(guò)程需要完成:機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)成本
3、分析和工程管理方案設(shè)計(jì)。命題中的工程管理項(xiàng)要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素,提出合理的工程計(jì)劃。設(shè)計(jì)能力項(xiàng)要求對(duì)參賽作品的設(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)要求綜合運(yùn)用加工制造工藝的知識(shí)。
1.3小車的設(shè)計(jì)方法
在小車的設(shè)計(jì)方法上,我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)明理論方法。采用CAXA、SolidWorks2012等輔助軟件設(shè)計(jì)。
2.設(shè)計(jì)方案
2.1尺寸設(shè)計(jì)
由于小車實(shí)在平面上運(yùn)行,轉(zhuǎn)彎半徑較小,所以定小車的寬度為150mm,長(zhǎng)度為150mm,使其能擁有更佳的靈活性。如圖2.1所示。
圖2.1
2.2最大轉(zhuǎn)角
因?yàn)樾≤囬L(zhǎng)為15
4、0mm,當(dāng)繞過(guò)最大偏移距離為500mm的圓弧時(shí)能得到最大轉(zhuǎn)角,如圖3.2所示,即可得最大轉(zhuǎn)角位26.897.如圖2.2所示。.
. 圖2.2
設(shè)曲柄長(zhǎng)度為10,已知最大轉(zhuǎn)角位26.897,由圖2.3所示可知可得最大偏移距離
圖2.3
偏移距離L=10 /tan(26.897)=19.71mm
2.3后輪直徑設(shè)計(jì)
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)彎?rùn)C(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,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等要求。
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。雖然在經(jīng)濟(jì)方面不是罪劃算,但還是優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。
5、根據(jù)小車的前后輪尺寸和軌跡全長(zhǎng)的比例關(guān)系,通過(guò)計(jì)算選取一對(duì)傳動(dòng)比為1:5的齒輪來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。
軌跡設(shè)計(jì)出來(lái)之后,有軌跡可知,測(cè)得小車最大轉(zhuǎn)角為26.897,用CAXA軟件分析可知該軌跡一個(gè)周期的總長(zhǎng)度為3224.394mm,通過(guò)CAXA查詢得到各段弧線的長(zhǎng)度及總長(zhǎng),如圖2.4 2.5所示。
圖2.4
圖2.5
知道各段弧線的長(zhǎng)度之后。可以算出凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)到每個(gè)地方的角度。
第 1 條曲線 ( 樣條 ) 的長(zhǎng)度: 6448.788
第 2 條曲線 ( 直線 ) 的長(zhǎng)度: 4800.000
總長(zhǎng)度: 11248.788
6、
小車運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的長(zhǎng)度是3224.394mm,每運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期,前輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)一次,假設(shè)取小車后輪的直徑為180-220mm,則車輪周長(zhǎng)為565.2-690.8mm,則小車后輪應(yīng)該在轉(zhuǎn)動(dòng)4.7-5.7圈時(shí)完成2.4m運(yùn)動(dòng),所以取轉(zhuǎn)動(dòng)比為i=5。所以定后輪直徑為205mm。
計(jì)算過(guò)程為:
經(jīng)CAXA電子模板計(jì)算,小車行進(jìn)一個(gè)周期的周長(zhǎng)S=3224.394mm。
由于小車后輪和小齒輪同處于后輪軸上,所以后輪和大齒輪的傳動(dòng)比為n=5:1。小車行進(jìn)一個(gè)周期,小車后輪轉(zhuǎn)5圈。所以小車后輪周長(zhǎng)
L=S/5=3224.394/5=644.8
7、788nm
因此小車后輪直徑
D=644.8788/π=205.375 mm
即小車后輪直徑D=205mm
2.4四桿設(shè)計(jì)
知道這些數(shù)據(jù)后可以在caxa軟件中得出四桿的結(jié)構(gòu),設(shè)基曲柄的長(zhǎng)度為10mm,連桿的長(zhǎng)度為90mm,求加速度A和速度V。
由公式H=acos?+√(bb-asin?(?)asin?(?))
v,a分別為H的一次求導(dǎo)和二次求導(dǎo),解得如圖2.6所示
圖2.6
解得如圖2.7 2.8所示
圖2.7
圖2.8
2.5齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
由前面的計(jì)算可知,小車的傳動(dòng)比為1:5,設(shè)兩個(gè)齒輪的模數(shù)為相同的1,小齒輪設(shè)計(jì)為齒數(shù)為22,大齒
8、輪設(shè)計(jì)為齒數(shù)為110。兩齒輪的中心距設(shè)計(jì)為60mm,齒厚為相同的5mm。如圖2.9 2.10所示
圖2.9
圖2.10
2.6傳動(dòng)比計(jì)算
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)彎?rùn)C(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,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等要求,如圖2.11所示。
圖2.11
即C滑輪/C后輪=(4*6)/(25*102.5)=106.77
因此滑塊下降400mm則小車前進(jìn)42400mm
2.7自由度計(jì)算
無(wú)碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊的形式做空間四桿機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)件圖如圖2.12所示
圖2.12
F=3*n
9、-2*p1-p2=3*3-2*4=1 自由度為1,
2.8軸的設(shè)計(jì)分析
主軸需要裝有后輪,固定機(jī)架,轉(zhuǎn)動(dòng)軸承,齒輪以及螺釘。如圖2.13 2.14所示。
對(duì)應(yīng)半徑及長(zhǎng)度從左到右分別3*7 5*16 6*26 7*10 6*76 5*16 3*7
圖2.13
圖2.14
副軸需要裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上,分別裝有曲柄,副軸支撐架2,副軸支撐架,轉(zhuǎn)動(dòng)軸承,如圖2.15所示。
副軸半徑及長(zhǎng)度從左到右分別5*15 6*26 7*10 6*76 5*15
圖2.15
2.9軸承設(shè)計(jì)分析
主軸及副軸的滾動(dòng)軸承長(zhǎng)度14,內(nèi)徑10,外徑30,如圖2.16所示
10、
圖2.16
前輪滾動(dòng)軸承長(zhǎng)度為3,內(nèi)徑為3外徑為10,如圖2.17所示。
圖2.17
3小車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)輪是直徑為205mm的圓輪,轉(zhuǎn)向輪是直徑為50mm的圓輪,該小車內(nèi)部采用了四桿機(jī)構(gòu),從而控制小車的轉(zhuǎn)彎,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的周期性s字形運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)如下:重物下降時(shí)采用同軸雙線輪調(diào)速,由繞繩輪帶動(dòng)小車后軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)小車的行進(jìn)。后軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),從而魚眼的來(lái)回運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)前輪擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)小車的周期性旋轉(zhuǎn)。整體設(shè)計(jì)圖形如圖3.1所示。
圖3.1
3.2前輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,直接決定著小車走s
11、字形的路線。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦,而且結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單,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)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[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。采用四桿機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)動(dòng)從動(dòng)件,從動(dòng)件作為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎的動(dòng)力靠四桿來(lái)進(jìn)行,利用凸輪的特性來(lái)對(duì)前輪的拐彎進(jìn)行分時(shí)段的過(guò)渡。具體設(shè)計(jì)如圖3.2 所示。
圖3.2
3.3連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎動(dòng)力的傳動(dòng)主要靠連桿機(jī)構(gòu)提供,利用杠桿原理將凸輪所提供的往復(fù)行程進(jìn)行放大,從而實(shí)現(xiàn)前輪的運(yùn)動(dòng)。如圖3.3所示
圖3.3
3.4后輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
小車的兩個(gè)后輪通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接,重物下降時(shí)因?yàn)椴捎猛S雙線輪調(diào)
12、速,由繞繩輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)繼而后輪軸上的齒輪同時(shí)運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)小車后軸轉(zhuǎn)動(dòng),如圖3.4所示。
圖3.4
4.小車整體三維圖
4.1小車裝配圖
圖4.1
圖4.2
圖4.3
4.2小車爆炸圖
圖4.4
圖4.5
5.設(shè)計(jì)總結(jié)
為期一學(xué)期的課程設(shè)計(jì)終于結(jié)束了。期中在家已經(jīng)看過(guò)一個(gè)星期的視頻,查閱很多資料,都是無(wú)從下手。后來(lái)通過(guò)先確定小車的整體尺寸,畫零部件,設(shè)計(jì)路徑,設(shè)計(jì)凸輪,慢慢找到了方向。在小車的裝配中,出現(xiàn)了很多問(wèn)題,總是過(guò)定義,在慢慢摸索中,終于探究出出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因。在整個(gè)小車的設(shè)計(jì)里,抓住功能實(shí)現(xiàn)的核心:1.要實(shí)現(xiàn)行走路程最遠(yuǎn);2.避開(kāi)障礙多。要想實(shí)現(xiàn)功能1,要減少內(nèi)部摩擦損耗,減少與地面摩擦損耗,可根據(jù)不同的地面調(diào)整驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。功能2的實(shí)現(xiàn),要保證加工裝配精度,對(duì)小車行走影響較靈敏的部件尺寸可微調(diào)。從這兩個(gè)方面著手,設(shè)計(jì)的小車才會(huì)更好。在設(shè)計(jì)凸輪和裝配小車的過(guò)程中,讓我不斷溫習(xí)了這學(xué)期學(xué)習(xí)的《機(jī)械原理》課程,在錯(cuò)誤中讓我學(xué)習(xí)了之前我沒(méi)學(xué)好的知識(shí)。在這個(gè)課程設(shè)計(jì)中,我還是受益匪淺的。