無碳越障小車設計

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攀枝花學院Panzhihua University本科畢業(yè)設計無碳越障小車設計題 目： 無碳越障小車設計 學生姓名： 學 號： 院 （系）： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 2010 級機械設計制造及其自動化 4 班 指導教師： 職 稱： 實驗師 年五月攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 摘要摘 要目前全球經濟飛速發(fā)展，帶來環(huán)境問題愈發(fā)明顯，傳統(tǒng)能源逐漸衰竭，鑒于此無碳小車的研制具有十分重要的意義。針對題目要求擬定了無碳越障小車的總體設計方案，通過計算分析完成了無碳越障小車的結構設計，繪制了裝配圖和部分主要零件圖，通過 pro/E 模擬仿真驗證了預定功能，并制作出了實體樣機，通過實體樣機的演示達到了規(guī)定功能。關鍵詞：無碳越障小車；環(huán)保；機械設計攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） AbstractIAbstractNowadays, the global economy developing rapidly ,brings increasingly obvious environment problems and the traditional energy is going to failure gradually. So the development of carbon-free car is great significance. Studying out the scheme design based on the requirments if this subject, finishing the physical design of the carbon-free car by computational analysis ,drawing the assembly drawing and part of the main parts drawing, vertify the reservation function by pro/E’s simulation and making the physical prototype, finally reached the required function by the entity prototype presentation. Key words ：carbon-free car, environmental protection ,machine design攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 目錄II目 錄摘 要 .IAbstractII目 錄 III1 任務分析 11.1 畢業(yè)設計題目分析 .11.2 無碳越障小車的設計要求 .11.3 無碳越障小車的原理分析 .32 無碳越障小車方案設計 52.1 原動機構的設計 52.1.1 滑輪的設計 52.1.2 繞繩輪的設計 62.1.3 重物支撐架的設計 72.2 傳動機構的設計 72.2.1 齒輪的設計 72.2.2 傳動軸的設計 92.3 導向機構的設計 .102.4 行走機構的設計 .122.4.1 行走機構方案的選擇 122.4.2 后輪尺寸的計算 132.5 微調機構的選擇 .132.6 無碳越障小車的總體設計 .142.7 無碳越障小車部分零件設計 .152.7.1 無碳越障小車的底板設計 162.7.2 無碳越障小車支架的設計 163 無碳越障小車的制作 183.1 三維模型的建立與運動仿真 .183.2 部分零件的工藝 .193.2.1 前輪叉架的工藝 203.2.2 前輪的工藝 213.2 無碳越障小車的裝配與調試 .214 題目的成果及意義 234.1 題目的完成情況 .234.2 題目的創(chuàng)新 .234.3 改進方向 .23結論 25參考文獻 26致謝 27附錄 28攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 任務分析01 任務分析1.1 畢業(yè)設計題目分析本次畢業(yè)設計主題為“無碳越障小車” 。要求經過一定的前期準備后，在完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。設計的作品要提交相關的設計、工藝、成本分析和工程管理報告。小車設計過程中需要完成：機械設計、工藝方案設計、經濟成本分析和工程管理方案設計。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。設計能力項要求對參賽作品的設計具有創(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?！盁o碳越障小車，顧名思義，意思就是能以 S 形軌跡繞過一排間距可調的障礙物并且能節(jié)約能源的小車。該題目為全國第三屆大學生工程訓練綜合能力競賽題目，小車前進的動力直接由重物下落過程中減少的重力勢能提供，只通過重力勢能與機械能的能量轉換，使得小車實現(xiàn)前進、轉向和調節(jié)。行駛的路線近似于正弦曲線，呈周期性變化，而且障礙物的間距在 900mm~1100mm 之間可調。其中，難點在于轉向機構的設計，如何才能讓小車在 900mm~1100mm 的范圍內的實現(xiàn)精確可調，是亟待解決的問題。1.2 無碳越障小車的設計要求設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據(jù)能量轉換原理，由給定重力勢能轉換來的。給定重力勢能為 4 焦耳（取 g=10m/s2） ，競賽時統(tǒng)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，不允許從小車上掉落。圖 1 為小車示意圖。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 任務分析1圖 1： 無碳小車示意圖要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，不可使用任何其他的能量來源。通過查閱資料和市場調研，我們初步確定了 3 種方案。（1） 重物下落時，小車不行走，將重物的重力勢能轉換為彈性勢能儲存在發(fā)條中，重物靜止后發(fā)條釋放能量驅動小車行走。這是參照市場上大多數(shù)玩具車能量儲存的方式。但是存在的問題是小車的速度難于控制，同時必須考慮重物靜止后如何觸發(fā)發(fā)條帶動小車行走（的機構）機構的設計，同時在能量轉換的過程中會損失更多的能量；（2）重物下落時，小車向前行走，利用飛輪儲存能量。重物靜止后，飛輪釋放能量可繼續(xù)帶動小車行走一段距離。這是參照火車輪子的儲能原理。存在的問題是：由于設計了直徑大且重的飛輪，所以小車開始啟動時所需要的啟動力矩較大，能量消耗大。同時要增加一個零件，會增大成本。（3）重物下落時，直接帶動小車行走，結構簡單，加工方便，成本也較低。所以綜合考慮最終確定采用第 3 種方案。繞在小車軸上線的一端通過定滑輪連接在重物上，重物下落直接通過繩子帶動小車前行。為了避免重物下落時因為小車的行走而擺動，影響小車行進的軌跡，甚至使小車傾翻，因此在小車上設計了阻止小車擺動的 3 根豎桿，3 根豎桿由套圈固定，桿與下落重物圓周相切，形成一個圓柱形狀，使之下落穩(wěn)定。要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適應放有不同間距障礙物的場地。要求小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由學生自主完成。小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙物為直徑 20mm、高 200mm 的多個圓棒，障礙物沿直線等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來綜合評定成績。見圖 2。圖 1： 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖根據(jù)對題目分析，可以知道無碳小車的設計重點和難點是如何將重物的勢能轉換為機械能并驅動小車行走的距離最長和小車前行時如何避開道路上設置的障礙物。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 任務分析2其設計思路為：查閱相關資料，進行市場調研，寫出調研分析報告，擬定將給定重物的勢能轉換為機械能的結構和小車自動避障的機構，確定小車一個周期行進的路線和長度，確定后輪尺寸和前后輪的傳動比，傳動機構設計，小車車架總體結構設計，小車各零件的設計（包括材料和結構） ，主要零件配合部分尺寸及公差的確定、形狀、位置的確定。1.3 無碳越障小車的原理分析通過對小車的功能分析小車需要完成將重力勢能轉換為機械能的功能，完成自動行走及自行避開障礙物等動作。為了方便設計，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計（車架，驅動機構 、傳動機構 、轉向機構 、微調機構） 。為了得到令人滿意方案，我們采用采用擴展性思維設計每一個模塊，以方便尋求到更多種可行的方案和構思。通過對畢業(yè)設計的題目分析可知小車的前進路線，我們可以將它近似地看成余弦函數(shù) xAy?cos?其中 A 為振幅，ω 為頻率。函數(shù)的圖像就類似于小車前進的路線，如圖 1-1,1-2,1-3 為障礙物間距不同時對應的函數(shù)圖像。由于小車要適應不同距離的障礙物的場地，所以函數(shù)的周期是變化的，因此對應的函數(shù)圖像也是不同的。由 MATLAB 可以算出不同間距時對應的軌跡的振幅及周期長度，作出間距變化對應距離表 1.1。表 1.1 不同間距對應的余弦函數(shù)圖像長度表 2.1 為小車在障礙物取不同間距時在場地上行走時對應的實際前進的距離。通過分析表 1.1 中的數(shù)據(jù)可取小車行走一個周期的距離 S 約為 2800mm，以保證當障礙物間距在 900-1100mm 范圍內時，通過調節(jié)導向機構我們可以使小車能夠準確的繞過障礙物。圖 1-1,1-2,1-3 為當小車場地的障礙物取不同的間距時小車行走一個周期所經過的路程的軌跡。為了保證小車順利的繞過障礙物，并且盡可能的前進更遠的路程，通過表 1.1 我們可以確定小車的起始位置，即距離中線 300mm~500mm 的范圍內，以滿足小車越障要求。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 任務分析3在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面的客觀因素，同時應當盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，這樣才能夠使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。圖 1-1 間距為 900mm 的余弦曲線圖 1-2 間距為 1000mm 的余弦曲線攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 任務分析4圖 1-3 間距為 1100mm 的余弦曲線攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計52 無碳越障小車方案設計2.1 原動機構的設計2.1.1 滑輪的設計小車的原動機構采用滑輪懸掛，其上掛有一根伸縮性較小棉線，在棉線的一端掛有一重塊，另一端則纏繞在小車驅動軸的繞線筒上，中間懸掛在支撐架上的滑輪上。當重塊下落時通過棉線拉動動滑輪轉動，帶動繞線筒旋轉，以此通過傳動機構驅動小車后輪旋轉，驅動小車向前行駛。帶輪設計成錐形，在起始時原動輪的轉動半徑較大，起動轉矩大，有利起動。起動后，原動輪半徑變小，轉速提高，轉矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。當物塊距小車很近時，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。小車上的定滑輪由 3 根直徑為 6mm 的碳鋼絲桿支撐，將提供能量的重物通過定滑輪懸掛在有效高度為 400±2mm 的重物支撐架上使其自由落下，為小車前進提供能量。同時保證重物在下落的過程中不會晃動。圖 2-1 由于質量為 1Kg 的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）通過棉線繞過定滑輪轉動時，在定滑輪上形成一個驅動力矩 M，由公式：式 2-1FR?可知滑輪半徑（動力臂）越大，形成的驅動力矩就越大。根據(jù)這個結論，我們可以在保證車身長度一定的前提下，把定滑輪的半徑盡可能的取得大的值。為了保證重物在下落過程中保持勻速，我們在滑輪上繞棉線時，在滑輪上多繞幾圈，這樣可以有效減慢重物下降的速度，提高能量的利用率。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計6圖 2-2 小車的滑輪2.1.2 繞繩輪的設計驅動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。在我們所學過得架構中能實現(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)。小車對繞繩輪還有其它的具體要求。（1）驅動力要適中，這樣才不至于在小車拐彎時速度過大發(fā)生傾翻，或者是重塊晃動厲害影響小車的行走。（2）應該使重物塊的動能盡可能的轉化到驅動無碳小車的前進上，但是如果重物塊在豎直方向上的速度比較大，重物本身就會還有較多動能未釋放，這樣的后果就是能量利用率不高。所以我們要控制重物下落的速度。（3）到小車在到達終點前重塊在豎直方向上的速度要盡可能小，這樣能夠避免發(fā)生碰撞而造成損失能量。（4）由于不同的場地對輪子的摩擦不一樣，在不同的場地上面無碳小車小車是需要的驅動力也不一樣的。因此在調試的時候也不知道需要多大的驅動力才能恰到好處。因此驅動機構還需要能根據(jù)不同的需要調整其驅動力。（5）機構簡單，效率高。繞繩輪設計有大直徑輪，便于小車啟動，重物下落時，直接帶動小車軸轉動，從而帶動小車前進，這種方法很易實現(xiàn)，又方便制作。也可以通過調整使小車的速度平緩的前進，同時也方便轉向。同時為了防止重物因轉向等的原因搖擺導致小車倒翻，在重物下落垂直上用絲桿固定重物下落軌跡。傳動機構上我們設置的傳動比是 1:6，這樣能使重物下落相同高度能有更遠的行駛路程。因為整體小車摩擦很小，所以我們的繞線部分直接纏繞在直徑 10mm 的繞繩輪上使小車達到更遠的行駛路程。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計7圖 2-2 小車繞繩輪模型2.1.3 重物支撐架的設計重物支撐架的作用是固定滑輪，懸掛重物的支架。重物支撐架的設計包括兩個部分：重物支撐桿和重物支撐架。重物支撐桿支架采用 3 根 M5 的碳鋼絲桿成等邊三角形分布，可以防止重物在下降的過程中晃動。支撐桿的長度為 450mm。重物支撐架采用硬鋁制成，要求三個孔的相對位置要完全和地板上的三個孔的位置匹配，不然重物支撐桿就會傾斜，影響小車的正常運行。重物支撐板的三個空的直徑為 6mm，通過螺母在重物支撐桿上固定。支撐架上有兩個 5mm 的孔，用于滑輪的軸的徑象定位。重物支撐板的結構如圖 2-3.圖 2-3 重物支撐架2.2 傳動機構的設計2.2.1 齒輪的設計表 2.2 齒輪參數(shù)序號 模數(shù) 齒數(shù) 中心孔/mm 分度圓直徑/mm 厚度/mm大齒輪 0.75 96 20 72 3小齒輪 0.75 16 6 12 5攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計8圖 2-2 齒輪的三維模型表 2.2 各種傳動方式的優(yōu)缺點傳動方式 優(yōu)點 缺點齒輪傳動齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。要求較高的制造和安裝精度，成本較高；不適宜遠距離兩軸之間傳動鏈傳動和齒輪傳動比較,它可以在兩軸中心相距較遠的情況下傳遞運動和動力;能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚的不良環(huán)境中工作;和帶傳動比較 ,它能保證準確的平均傳動比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小;傳遞效率較高,一般可達 0.95～0.97鏈條的鉸鏈磨損后,使得節(jié)距變大造成脫落現(xiàn)象;安裝和維修要求較高.鏈輪材料一般是結構鋼等帶傳動結構簡單,適用于兩軸中心距較大的傳動場合;傳動平穩(wěn)無噪聲,能緩沖、吸振;過載時帶將會在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護作用不能保證精確的傳動比；帶輪材料一般是鑄鐵等；質量較大蝸桿渦輪傳動有比較大的傳動比，非常緊湊的結構；傳動平穩(wěn)；噪聲?。?能夠自鎖；傳動摩擦損失比較大，效率也很低，不適合傳遞大功率和長期連續(xù)工作；成本比較大；蝸桿傳動置適用傳動比大；傳遞功率低得機械上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。常用的傳動方式包攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計9括：齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動、蝸桿渦輪傳動。由表 2.2 的各種傳動方式的優(yōu)缺點比較，我們選擇一級齒輪組傳動作為無碳越障小車的傳動機構。選擇一級齒輪組可以避免二級齒輪傳動帶來的較大的阻力和較大的傳動誤差。為了使小車前行距離遠，理論上后輪的直徑越大越好，但后輪太大，啟動時所需力矩較大且消耗的能量也大。按照傳動比的選擇原則，同時考慮到小車在行駛時要求傳動比準確和加工工藝性，將傳動比初步確定為 1：6，大齒輪齒數(shù)為 96，小齒輪齒數(shù)為 16。即帶輪轉一圈車輪轉 6 圈，較大的傳動比和后輪直徑可以使小車前進更遠的距離。為了減輕小車的重量，將大齒輪確定為 3mm 厚的片齒輪，質量為硬鋁。選擇小模數(shù)齒輪可以有效的減小小車前進時的阻力， 模數(shù)太小又會增加制造難度、加工成本和齒輪的使用壽命。所以，將齒輪的模數(shù)確定為 0.75。齒輪通過軸套與軸配合，這樣可以保證齒輪的軸向和徑向定位?？紤]到現(xiàn)有的加工能力，齒輪采用線切割機床進行加工。表 2.2 為選擇的一對齒輪參數(shù)，圖 2-2 齒輪的三維模型。2.2.2 傳動軸的設計圖 2-3 軸上零件的布置攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計10由于小車是一級齒輪組傳動，曲柄連桿搖桿機構導向，所以我們只需要兩根傳動軸，這樣既減輕了小車的質量又減小了傳動誤差。兩根傳動軸的材料選用硬鋁，采用階梯軸的方式對軸上零件進行軸向定位，另外利用軸套對齒輪，繞繩輪，曲柄盤和后輪進行徑向定位。兩根傳動軸的中心距 a 的計算 42)169(75.02)(1 ?????zm小車軸上零件的布置如圖 2-3 所示。2.3 導向機構的設計導向機構的選擇是無碳小車設計的關鍵部分，這直接決定著無碳小車的使用功能。導向機構的結構也同樣需要盡可能的減少摩擦和耗能，機構結構必須要簡單，零部件已獲得等基本條件，另外還需要有特殊的運動特性。該機構的功能要求能夠將旋轉運動轉化為滿足校車轉向基本要求的來回擺動，帶動前輪輪來回轉動以實現(xiàn)拐彎避過障礙物的功能。根據(jù)題意，小車在前行時要求能夠自動避開賽道上每間隔 1 米，放置的一個直徑 20mm、高 200mm 的彈性障礙圓棒，說明小車行駛的路線是周期性變化的。根據(jù)《機械設計》所學知識，只要能實現(xiàn)周期性運動的機構均可實現(xiàn)這個動作，所以平面四連桿機構、曲柄搖桿機構、渦輪蝸桿機構、圓柱凸輪、端面凸輪等均可。但是考慮到各種機構的優(yōu)點和缺點，以及加工的工藝，難易程度和制造成本，我們必須對小車的導向機構進行正確的選擇。選擇要求是穩(wěn)定性好，導向精度高加工方便等。于是我們對主要的導向機構做了如表 2.1 分析。（1）凸輪機構，凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，凸輪運動時，可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。優(yōu)點：該機構只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可讓從動件得到任意的預期運動，而且考慮到運動的對稱性，我們將可以將凸輪設計成外凸輪，他的形狀應該為一個橢圓，這樣加工可以比較簡單。而且可以省去了中間環(huán)節(jié)，另外還可以簡化機構，提高傳遞效率。在條件允許下，可以采用此結構。缺點：凸輪輪廓的加工要求的精度相當高，一旦磨損變形，則不能達到預期運動軌跡，另外由于凸輪機構無法微調，磨損后直接報廢，間這樣就接提高了校車的成本。因此建議如果沒有更適合機構，可選擇此機構。（2）曲柄連桿搖桿機構優(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輔助力封閉來保持接觸。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計11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(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低；不僅發(fā)生自鎖的可能性大，而且機構運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性爺比較大；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，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構常用于速度較低的場合。小車在前行時要求能夠自動避開賽道上間隔 1 米，放置的一個直徑 20mm、高200mm 的彈性障礙圓棒，小車行駛的路線是周期性變化的，根據(jù)《機械設計基礎》所述，只要能實現(xiàn)周期性運動的機構均可實現(xiàn)這個動作。我們最初選用的是雙凸輪機構，凸輪機構的從動件分別連接在前輪軸上的左右側，兩個凸輪安裝在后輪軸上，起始角度相差 180°，以此達到前輪轉向的目的。但是凸輪形狀不易確定，需在實際運動中進行校正，工作量太大；高副接觸，摩擦力大，使小車轉向不穩(wěn)定，不容易控制；同時高副接觸也使凸輪容易磨損，穩(wěn)定性不高。另外還考慮了使用圓柱凸輪的方案，但因其車身寬度、傳動比的限制，使其轉向擺角不大，且成型后不易再改進等原因未被采納。最終，我們選擇了曲柄連桿搖桿機構，搖桿以前叉中心為擺動中心，連桿一端與曲柄連接，另一端在固定于車架上的關節(jié)球軸承，并推動搖桿擺動，帶動前輪轉向。在設計時主要通過減少曲柄長度，增大連桿長度，來使搖桿擺動加速、減速對稱，從而使小車走光滑對稱的“S”型路線。為了調試時便于調整，曲柄搖桿機構的曲柄、連桿長度都可以調整。以調整小車行駛時軌跡振幅的大小。兩后輪在小車避障轉彎處行駛路徑不等，依據(jù)三輪車的驅動原理，我們選擇采用單邊驅動的方式使小車實現(xiàn)轉向。根據(jù)表 2.1 所示的各種導向機構的有點和缺點，并結合學校的實際情況，我們選擇曲柄連桿搖桿機構作為無碳越障小車的導向機構。盡管安裝苦難，但是通過長時間的調試，我們依然能夠很準確的找到使小車繞過不同間距障礙物的連桿長度。而且由于曲柄連桿搖桿機構的曲柄調節(jié)特別方便，所以實際花去的總時間也和其他導向機構相差不大。對于曲柄搖桿機構，在設計時為了便于調試，曲柄、連桿長度均可以調整。而且在設計時，為了減少急回特性的影響，我們采取了增大搖桿長度，減小曲柄長度。由于該機構為空間機構，我們把機構通過球面副連接。根據(jù)市面上現(xiàn)有的標準球面副，為了保證小車的質量輕便，在零件的選擇上就要首選質量輕，體積小的零件。通過對一些五金店的產品進行比較，我們選擇和桿端關節(jié)軸承 SA3T/K POSA3T/K球頭直徑 3mm 外螺紋正牙作為連接連桿，曲柄和搖桿三者的運動副。兩種關節(jié)軸承的球孔均為 3mm。連桿應具備使關節(jié)軸承在軸上固定并可調節(jié)位置的功能。因此連桿使用 3mm 的自行車條幅，兩端用板牙車絲。如圖 2-1 所示為無碳小車的導向機構的三維模型。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計12圖 2-1 小車導向機構三維模型2.4 行走機構的設計2.4.1 行走機構方案的選擇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。（1）雙輪同步驅動雖然行走比較穩(wěn)定，但在轉彎時，外輪會與地面產生滑動，我們都知道滑動摩擦遠比滾動摩擦更加損耗能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙，故不選擇此驅動。（2）雙輪差速驅動可以避免雙輪同步驅動出現(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，同時能夠實現(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，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。（3）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。就如一輛兒童自行車外加兩個車輪，既保證了前進，我保證了初學者能在一個比較穩(wěn)定的環(huán)境下騎車。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(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。小車的前進方式有單輪驅動和雙輪驅動兩種。由于小車的軌跡為正弦曲線，所以兩后輪一個周期行駛的距離不等，所以需要采用單輪驅動。最先考慮采用在后輪軸上安裝差速器，兩輪交替單獨驅動，在原理上不存在問題，但差速器加工困難，網上可以買差速器，但必須設計與后輪連接的部分，增加了制造零件的個數(shù)、這部分的制造精度要求也較高，增加了整個小車的成本。而且實際運行時轉向機構出現(xiàn)了精度過高不宜調整的問題，不滿足單件生產的精確性和大批量生產的流水作業(yè)；調整為一根后輪軸裝兩個后輪，采用單邊為主動輪驅動，前輪受轉向機構控制而轉向，在未排除其他機構的機械調試影響之前行駛路線稍顯不穩(wěn)定，反復的試驗后證明該方法簡單有效。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計132.4.2 后輪尺寸的計算由 1.3 可知，無碳越障小車的前進路線近似于余弦函數(shù)式 2-1xAy?cos?我們以障礙物間距為 1mm 為基準，A=0.3 時函數(shù)關系為式 2-2?3.0對函數(shù)求導式 2-3xdxysin.'?對這個函數(shù)進行曲線積分式 2-4 ??8.2si3.011220 ????????????S?由式 3-4 可知小車每個周期前進的距離 S=2.8m，由 1.3 可知小車的傳動比為1:6?？梢杂嬎阈≤嚭筝喼睆?d式 2-58.26?di?解之得 d=148mm。小車行駛一個周期時后輪轉動的圈數(shù)為 6，而前輪轉向機構往復一次。為了使小車前行距離遠，理論上后輪的直徑越大越好，但后輪太大，啟動時所需力矩較大且消耗的能量也大。假定小車行駛曲線頂峰離障礙物的安全距離為 300mm，障礙物間距 1000mm,推算出一個周期內小車的運動軌跡長 s=2827mm。在前進過程中，一個周期小車的導向機構往復一次，根據(jù)計算，取傳動比為 i=6:1，可由公式（d=s/iπ）計算，后輪直徑取 d=150mm。2.5 微調機構的選擇由于曲柄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(yōu)的軌跡。另外根據(jù)題目的要求，無碳小車需要繞過不同距離的障礙物。這就需要我們通過改變曲柄的長度來改變小車的路線。常用的曲柄長度調節(jié)裝置有：曲柄，曲柄盤，微調螺母等。結合現(xiàn)有的加工設備，加工工藝和加工成本，所以選擇曲柄盤作為微調機構。為了實現(xiàn)精確轉向和避障，如圖所示，轉向機構的曲柄半徑和連桿長度可微調，曲柄采用帶有若干不同距離小孔的圓盤，每個小孔在徑向方向相差 0.22mm，如圖可根據(jù)小車不同繞行間距選擇相應孔位與連桿相連接，在連桿上標有刻度，通過螺紋微調精確調整其長度，讓小車轉向幅度均勻，繞行路線穩(wěn)定。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計14圖 2-2 曲柄盤2.6 無碳越障小車的總體設計圖 2-3 小車結構簡圖小車的前后軸支架、重物支架、傳動齒輪和轉向機構等其他安裝材料都在車身上方，方便操作，同時降低了車身的高度，減小了小車翻轉的可能，有利于小車行攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計15駛的穩(wěn)定性。小車底盤整體要低于輪軸，離地面只有 10mm，需要充分降低重心，否則容易在行進過程后半段車速較高時可能翻車，且負重后對小車的轉向靈敏度也有一定的影響，最大限度的避免了翻車的危險。整個車身設計則較窄，轉向靈活，質量輕，載荷分布均勻，傳動機構放置在后輪軸處，以免車身受集中載荷而導致車身變形。重物由 3 根直徑為 6mm 的碳鋼絲桿包圍，讓重物穩(wěn)定的下落，避免了小車在前進過程中產生晃動從而使小車重心不穩(wěn)而導致翻車。小車采用后輪軸驅動與曲柄搖桿機構控制前輪轉向同時發(fā)生的機理，實現(xiàn)轉向與直線前進的良好配合。無碳小車前窄后寬，大致呈三角形，小車的車身不能太寬，后輪軸的直徑不能太大，否則轉向不靈活，累積周期性轉向的位移差，對小車起動的橫向偏移位置影響很大。在后輪軸前方，固定了兩個平行四邊形的 PVC 板（用來橫置齒輪軸） ，整個車身形狀似魚，且結構簡單、輕巧靈活。其結構原理圖如圖 2-3所示。2.7 無碳越障小車部分零件設計小車零件總體來說結構要簡單易于加工。零件我們基本用鋁件，這樣不僅質量較輕，而且硬度高，剛性好。前后輪材料為有機玻璃。小車各零件的設計，涉及到結構、形狀大小與相對位置尺寸，要求結構簡單緊湊，加工難度適中，易于裝拆，材料購買方便，成本較低。相關零件的設計如下： （1）本組小車車身、支架上端的定滑輪、承重支座均采用鋁板，材料輕便、強度足夠，車身的形狀大小不規(guī)則，采用整體降低重心、前輪相對地面位置抬高的方法，合理分配重心，避免小車前進過程中由于摩擦力過大、轉向打滑、加速度過快等原因造成的翻車；（2）支架采用 M5 的碳鋼絲桿，上端是固定定滑輪的鋁架，定滑輪為鋁制品。（3）前后輪由有機玻璃制成，其拉伸強度、耐磨性和抗蠕變性都強于一般的材料，摩擦系數(shù)較小利于小車實現(xiàn)轉向。兩后輪間距較?。磺拜啿捎?Φ2 的軸和軸承相配合。在調試過程中發(fā)現(xiàn)，為使小車的轉向更靈敏，需要將輪側磨出 45 度的倒角；（4）在選擇齒輪材料時，主要是考慮齒輪機構所承受的沖擊載荷和磨損等問題。采用的硬鋁；（5）轉向機構中，使用了一根材料輕便的 Φ3 鋁棒，其前端為一球形鉸。（6）小車前輪與軸為了減少摩擦，相互之間安裝軸承，前輪與軸的配合為過盈配合，后輪與軸采用過盈配合。（7）小車的車輪采用軸套與軸連接，增大了車輪與軸的接觸面積，見笑了車輪的晃動。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計162.7.1 無碳越障小車的底板設計小車所有零部件均以底盤為基礎進行裝配，主要采用螺釘或螺栓連接，方便拆卸和調整，部分零件為了便于定位，采用了螺釘鎖緊的方法。為了降低摩擦提高旋轉精度，小車前叉、驅動軸、后軸以及滑輪上均裝有軸承，軸承與支撐零件均采用過盈配合。小車的底板設計成流線型，流線美觀外形，有側翼，可以包絡前輪和后輪，避免小車撞桿時被卡住。小車的底板由 7.6mm 有機玻璃制成，底板上面有部分鏤空，可以減輕小車質量。圖 2-4 小車底板模型2.7.2 無碳越障小車支架的設計小車的支架包括前輪支架和后輪支架，我們都采用有機玻璃制造，支架與底板的連接采用螺釘連接，方便拆卸。由于右邊的軸承在同一條直線上，所以我們設計兩種支架。支架的結構設計成如圖 2-5 所示的形狀，凸出的部分可以增加支架與底板的接粗面積以增加支架的穩(wěn)定性。支架的孔與軸承的配合采用基軸制過盈配合。圖 2-5 兩種形狀的支架右邊的支架將錢軸和后軸的軸承固定在一條直線上，裝配時以右邊的叉架為基準裝配，設計的時候也以右邊的叉架為基準，這樣可以減少裝配過程中前軸后軸上攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 無碳越障小車方案設計17各個零件之間的軸向誤差。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄183 無碳越障小車的制作3.1 三維模型的建立與運動仿真圖 3-2 小車三維模型展示三維建模就是通過使用具有三維建模功能的軟件，對已經設計好尺寸的零件進行虛擬模型的制作以及對機器各個零部件之間進行裝配。通過三維建模可以使我們直觀的了解零件的外形以及機器內部零件與零件之間的關系。建立三維模型可以讓我們更直觀的看到小車的實際結構，以及各個零件之間的裝配關系和各個零件之間的裝配關系，另外能夠讓我們檢查零件分布是否合理和小車整體布局是夠合理，讓我們在制作小車的過程中有一個參照。接下來我們通過使用 proe 建立小車的三維模型，確定了裝配關系，并生成零件圖，為我們接下來制作無碳越障小車做好了準備。使用 pro/E 對小車進行三維建模，類似于對無碳小車的虛擬加工，這就要求我們要充分考慮無碳小車零件的結構是否合理，零件加工的難易程度。另外還要考慮所涉設計的結構是否利于裝配，零件與零件之間是否有干涉，零件之間的位置尺寸是否合理。這樣的可以減段設計的周期，如果有不合理的地方，方便我們對方案的更改。有利于設計出結構更加合理的小車。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄19圖 3-1 小車三維模型展示小車的運動仿真可以驗證我們對小車結構的設計以及各個部分機構的選擇是否正確。小車的通過第二章對小車的整體以及各個部分的設計，我們已經有了無碳小車的各個部分的參數(shù)。并進行了了運動仿真，對我們的設計進行了驗證。結果是我們的機構選用以及對小車的機構設計是可行合理的。 。通過以上設計，我們成功地建立的小車的三維模型，并進行了結構合理性的修改，同時進行了運動仿真。錄制了運動仿真的視頻，以幫助了解小車的運動方式和運動規(guī)律。三維建模既可以增加我們對軟件使用的熟練程度，又可以讓我們學習到更多的深層次的功能。小車的三維模型如圖 3-1，3-2 所示。3.2 部分零件的工藝大部分零件都是由我們自己加工，共使用了數(shù)銑、激光雕刻、線切割、數(shù)車、普車、鉗工 7 大工種，其中，數(shù)控車床、數(shù)控銑床、普通車床加工（后輪軸、齒輪軸、前叉、齒輪套筒、后輪套筒、繞線筒） ，線切割加工（大齒輪、小齒輪） ，激光雕刻加工（底板、前后支座等各類有機玻璃零件） ，鉗工車間裝配（鉆孔、攻絲、組攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄20裝） 。3.2.1 前輪叉架的工藝圖 3-3 前輪叉架零件圖前輪叉架是與轉向龍頭，連桿，曲柄盤一起構成周期轉向機構。要求有：（1）必須具有對稱性在裝上前輪后要求輪子不會歪，且恰好處于前叉叉架的中心位置因此對前叉用了兩個對稱度進行約束。（2）前叉上裝配有軸承，與軸承約束的圓柱面，采用基孔制的過度配合，軸的精度為 IT6。（3）Φ5 的軸端與轉向橫梁配合，一般鉆孔時孔都會比鉆頭大一些，所以這里采用基軸制精度為 IT7。(4)為保證便于拆裝，槽口處粗糙不宜太大，所以 Ra=0.8。根據(jù)前叉的結構特點和技術要求，多數(shù)表面的加工都選擇外圓和端面作為定位基準。這樣選擇的優(yōu)點是基準統(tǒng)一，而且大多數(shù)表面的定位基準與設計基準重合，可以避免基準不重合誤差，有利于保證加工精度。前輪叉架的作用是支撐龍頭導向和固定前輪。左邊的階梯軸可以分別對龍頭、前輪支撐架進行軸向定位，同軸度要求高。右邊的叉架用于對前輪的固定，對稱度要求高。對其工藝編排如下：攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄21（1）夾外圓，車端面，車外圓 Φ25,長度為 80mm。（2）車外圓 Φ8，長 39；車外圓 Φ5 長 30；然后車外圓 Φ4 長 17。（3）切斷反向裝夾修另一端面，使工件長 79。（4）夾持外圓 Φ8，銑矩形面外形尺寸 20×15 到位，銑槽 10 深 32 尺寸到位。（5）取下用虎鉗裝夾已加工平面，銑槽寬 4 深 9.5（到底）底為半徑為 2 的半圓尺寸到位。3.2.2 前輪的工藝本無碳小車要求轉向靈活、平穩(wěn)。因此，該前輪的主要技術要求有：（1）加工精度： ?5 采用 ?4.9 的鉆頭進行加工，該尺寸與軸承配合。（2）位置精度： ?35 的軸心線與 ?5 的同軸度要求為 0.10mm。圖 3-4 前輪零件圖根據(jù)無碳小車前輪的工藝分析對前輪的工藝做如下編排：（1）平端面，車外圓 ?35，倒角。（2）打中心孔，鉆 ?5 孔，倒角。（3）切斷，長度尺寸為 5 mm。（4）倒角，去毛刺，終檢。3.2 無碳越障小車的裝配與調試小車所有零部件均以底盤為基礎進行裝配，主要采用螺釘或螺栓連接，方便拆卸和調整，部分零件為了便于定位，采用了螺釘鎖緊的方法。為了降低摩擦提高旋轉精度，小車前叉、驅動軸、后軸以及滑輪上均裝有軸承，軸承與支撐零件均采用緊配合。小車的裝配是在老師的指導下由我們自己裝配的。小車裝配好后，需要一定的磨合時期，并且要不斷探索初始位置與軌跡路線的規(guī)律。小車對跑道要求比較高，必須是木質地板，因為木地板的摩擦因數(shù)較小。還有木地板安裝時一定要保證水平，因為小車能量較小，而且會影響前進軌跡。小車要跑出一條固定的 S 形軌跡最重要的是需要一個固定而且準確的起始位置。（1）小車在調試過程中遇到了一下問題，主要是： ① 無碳越障小車受環(huán)境的影響較大，比如地板摩擦力大小、地板的水平度。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄22無碳越障小車的能量利用率低?！?2小車的調試的重復性不高，調試時就算是在小車的各種參數(shù)都一定的情況下，○ 3在同一地點，同一角度出發(fā)，小車跑出的結果有時會有較大差異。 裝配精度不能夠很好控制，由于小車對精度的要求較高，在現(xiàn)有設備及裝配○ 4條件下，我們并不能很好的達到裝配需要的要求。特別是在連桿長度的調節(jié)時，誤差較大，而且不能很好的做到定量調節(jié)。 小車的后輪與底板之間有較大距離，如果碰到障礙物后，障礙物有時會卡在○ 5后輪與底板之間，影響小車的前進。（2） 經過不斷的探索，找到了優(yōu)化改進的方法：通過大量重復性實驗和調試，積累經驗，尋找規(guī)律。 ○ 1適當改變繞線筒的尺寸，以適應各種不同摩擦的地板，使小車能穩(wěn)定的行駛○ 2更遠距離。造成小車穩(wěn)定性不高的主要原因有零件之間連接不夠牢固，螺距及齒輪間隙○ 3過大以及軸承自身內圈與外圈的松動。針對這些原因，檢查各零件間的連接是否需要粘接加固，選用適當螺距的螺釘及板牙，提高齒輪的加工精度，選用高質量的軸承以提高穩(wěn)定性。 零件加工方面，在現(xiàn)有設備的條件下，改善加工工藝，有利于提高加工精度；○ 4零件裝配方面，請有經驗的鉗工老師負責組裝，以提高裝配精度及穩(wěn)定性。 改變小車底板形狀，將后輪包覆在底板的輪廓內?！?5適當加潤滑油及石油醚，減小因小車自身摩擦而消耗的能量?！?6適當減小部分零件尺寸，讓小車在不影響性能的情況下?lián)碛凶钶p質量，以便○ 7獲得更多動能。通過討論研究決定將后輪直徑減小，從而減小小車行駛振幅和力矩，讓小車○ 8便于啟動和行駛更遠距離。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄234 題目的成果及意義4.1 課題的完成情況⑴ 主要設計研究內容有：設計能量轉換裝置?！?1a.給定一個重塊，提供重力勢能，根據(jù)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。能量轉換方案：直接采用重力勢能轉換成機械能驅動小車。⑵ 設計轉向機構在小車獲得能量以后，設計轉向機構，實現(xiàn)規(guī)定路徑的轉向。轉向機構方案：平面連桿機構。⑶ 設計前后輪傳動比和傳動裝置傳動機構方案:齒輪傳動 （傳動比： 1:6） 。⑷ 間距調整機構：采用調整曲柄長度和連桿長度來實現(xiàn)滿足不同間距障礙的要求。⑸ 小車總體結構設計（包括車身大小、重物下落、傳動裝置和轉向裝置位置的確定）⑹ 小車制作（包括材料的選擇、加工方案的確定、裝配和調試）4.2 課題的創(chuàng)新（1）用曲柄搖桿機構可實現(xiàn) 900-1100mm 間距的連續(xù)調節(jié)。（2）零部件之間均采用螺栓連接，便于拆卸。（3）輪傳動，并在齒輪上做好標記，解決拆卸后軌跡重復性不好的問題。（4 繞線輪采用兩段不同大小的直徑，以便適應不同的地板，而且充分利用能量。（5）構更簡單，性能更穩(wěn)定（6）采用大的驅動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠，（7）小車的底盤較低，重心更低，運動更平穩(wěn)。4.3 作品的改進方向由于設計時考慮的問題不周全以及一些客觀因素的限制，該無碳越障小車在設計制作過程中肯定會存在許多不足的地方，以下是在調試過程中發(fā)現(xiàn)的部分問題及其改進的方向和方法。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄24小車最大的缺點是多處都有摩擦，減小了傳動效率，同時多處的精度要求都非常高，改進小車的多處摩擦，改進精度要求，使能調整簡單，小車便能達到很好的行走效果。本組小車采用螺栓連接各處，雖然少了許多的故障出現(xiàn)，但有過多的能量損耗，導致前進距離減小。于是想法改進，使小車能量損失減少，同時故障出現(xiàn)的次數(shù)減少，穩(wěn)定性能較好，避障多，前進遠。由于重物支撐桿沒有在小車中軸線上，可能導致小車在左右運動時，重心的偏置產生較大的慣性矩，從而需要車輪產生更大的摩擦力矩來平衡。重心調制也很必要。根據(jù)實際需要，可以通過添加附帶重物，使小車的重心達到調節(jié)。另外，由于重物塊在下落時，由于左右搖晃會加劇小車不穩(wěn)定性，故需添加輔助結構，使物塊能在豎直線上運動?？梢杂眉毦€或鐵絲在重物支撐桿頂端和底盤之間，套出一個固定豎直軌道，是物塊豎直下落，而且不能過大地左右搖晃。4.4 課題的意義本次畢業(yè)設計所設計的小車在第一代無碳小車的基礎上進行了改進，吸收了工程綜合能力訓練競賽時部分其他學校的小車的一些特點制作的。通過這次無碳越障小車的設計和制作，我可以將我在比賽中學到東西通過實物展示出來，可以給以后參加比賽的同學作個參照，讓他們少走彎路。真正地體現(xiàn)了我們參加比賽的意義。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 附錄254.5 成果展示圖 4.1 無碳越障小車實物照片