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無碳小車,11/9/2019015-12-8,,目錄,,,,,,課題內(nèi)容,整體設(shè)計思路,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,仿真結(jié)果,課題內(nèi)容,本課題圍繞主題：基于SolidWorks下無碳小車的設(shè)計及模擬仿真，設(shè)計一種無碳小車，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,驅(qū)動小車運動的能量是給定重力的重錘下落的勢能轉(zhuǎn)換來的機械能讓其行走及轉(zhuǎn)向的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），用質(zhì)量為1Kg的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛錘下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，能和小車一起運動并被小車承載，避免鉛垂從小車上掉落。圖1-1為小車示意圖。 圖1-1 無碳小車示意圖,課題內(nèi)容,小車運動要求： 小車在前行時能夠按照預定路線行走，自動交錯繞過賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個圓棒，沿直線間距1000mm擺放。如圖1-2,圖1-2 運動軌跡示意圖,整體設(shè)計思路,圍繞無碳小車的命題要求，對命題進行了簡要的分析： ①無碳小車在整個行駛過程中，都是由重錘下落的重力勢能提供能量，在設(shè)計中應盡可能利用這勢能，減少其它不必要結(jié)構(gòu)消耗能量。 ②因為提供的能量有限，要可能減少整個無碳小車的質(zhì)量，無碳小車越輕越好，因此盡可能使用輕質(zhì)材料構(gòu)成。 ③無碳小車按照“s”型路線行走，要有一定的轉(zhuǎn)向機構(gòu)按照一定的規(guī)律周期運轉(zhuǎn)，并且穩(wěn)定可靠能及時響應。 ④重錘下落牽動繩子,繩子帶動繩輪轉(zhuǎn)動,然后通過齒輪的傳動按照一定轉(zhuǎn)動比將轉(zhuǎn)速傳遞給車輪軸,帶動小車行走。因此要設(shè)計好齒輪的參數(shù)及傳動比,盡量減少齒輪數(shù)量減少能量損失。 ⑤無碳小車的車輪與地面的摩擦越小，小車行走的越遠。,整體設(shè)計思路,基于上述考慮，得出無碳小車的結(jié)構(gòu)越簡單重力勢能轉(zhuǎn)換成動能時損失的能量少效 率就高；通過設(shè)計齒輪的傳動比可以改變小車的初始速度，速度越快，小車能走得 越遠；合理的設(shè)計出轉(zhuǎn)向機構(gòu)能夠讓小車按近似于“S”型路線行走；微調(diào)機構(gòu)能 夠調(diào)節(jié)小車的轉(zhuǎn)向角度，讓無碳小車順利避過障礙物；合理的選材減輕整車質(zhì)量， 減少摩擦。因此完整的無碳小車應當包括車架、傳動構(gòu)件、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車輪、重錘 架。下面簡要考慮車架、傳動構(gòu)件、轉(zhuǎn)向機構(gòu)的選用。,整體設(shè)計思路,車架 車架承受的力不大，要求重量輕，加工簡單，考慮到加工成本等，車架采用無機橡膠加工制作成正方形底板式，尺寸還要進一步確定。 傳動構(gòu)件 為了使小車行駛得更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)需要傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。一般傳動機構(gòu)主要有齒輪傳動、帶輪傳動、鏈傳動。 1.齒輪傳動的特點是：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。 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. 鏈傳動平均傳動比準確,傳動效率高，軸間距離適應范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用；但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。 帶輪傳動精確度不高，不適合小車精確傳動。鏈傳動由于制作不便，且制作成本高，故只用齒輪傳動。,整體設(shè)計思路,轉(zhuǎn)向機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本無碳小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車能否按“S”的路線行走。一般能按特定規(guī)律運動的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)、曲柄搖桿、齒帶槽、凹槽輪等。 凸輪機構(gòu)：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)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；缺點：凸輪輪廓設(shè)計計算麻煩，加工比較困難。 曲柄搖桿：優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力小，且面接觸方便潤滑，故磨損減小，制造方便，能夠獲得較高精度；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)計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，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)復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構(gòu)中做平面復雜運動和作往復運動的構(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，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。,整體設(shè)計思路,齒帶槽：通過在齒帶背后建立特定軌跡凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律擺動，驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪規(guī)律轉(zhuǎn)動。優(yōu)點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便。缺點：如果小車運動軌跡長，齒條也要較長，齒輪的增加消耗過多勢能。 凹槽輪：在輪子面部制作凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律擺動，驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪規(guī)律轉(zhuǎn)動。優(yōu)點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便，在較小的空間在齒輪面可以圓周規(guī)律循環(huán)，不用考慮長度。缺點：體積較大。參見圖2-1,圖2-1凹槽輪,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,軌道的設(shè)計 無碳小車按正弦曲線行走，路線近似于“S”型，在行駛軌跡確定的情況下，小車的行駛路徑不變，對路徑的研究設(shè)計，可以大概確定小車行走路程，初步斷定車輪的半徑，轉(zhuǎn)向輪的最大角度。 無碳小車在寬度為2000mm的賽道上行駛，中間的障礙物相隔100mm，為了不讓無碳小車越出賽道，避免無碳小車與障礙物碰撞，擬定出一下路線圖參見圖3-1：,圖3-1小車行走路線示意圖,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,把此路線近似于余弦曲線，振幅為300mm，波長2000mm，軌跡方程近似為： 用Mathematica數(shù)學軟件求解得s=2388.97mm 可知無碳小車行駛一個周期走過的路徑為2388.97mm，無碳小車的車輪也近似走了2388.97mm。,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,車輪尺寸的設(shè)計 由小車行走路線的軌跡及方案的初步計算可知，車輪半徑越大，小車走得越遠，無碳小車行走一個半徑時，車輪轉(zhuǎn)過的圈速越小越好。這里設(shè)定車輪轉(zhuǎn)過3圈，則可以計算出無碳小車的車輪半徑為 =126.8mm，為了方便制作取半徑為 =125mm 齒輪的確定 確定了無碳小車的車輪半徑后，根據(jù) ds= *d = (3-5) 其中齒輪2于齒輪1的傳動比i=,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,可知齒輪1和齒輪2的傳動比決定了無碳小車初始速度的大小，適當?shù)恼{(diào)節(jié)齒輪的轉(zhuǎn)動比，確定齒數(shù)大小的比例，從而可以得出齒輪半徑的大小。 由《機械原理》第七版180頁齒輪標準模數(shù)系列表確定齒輪1、齒輪2、齒輪3的模數(shù)為2。 無碳小車的齒輪轉(zhuǎn)動精度要求高齒數(shù)越多越好，傳動比在10以內(nèi)比較合適，在這里選用齒輪2和齒輪1的轉(zhuǎn)動比為4。根據(jù)《機械制造裝備設(shè)計》第3版100頁各種常用傳動比的適用齒數(shù),參見表3-1：,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,選用齒輪1和齒輪2的總齒數(shù)為100。齒輪1齒數(shù)為20，齒輪2齒數(shù)為80。 根據(jù)《機械設(shè)計課程設(shè)計》齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計可計算出齒輪1、齒輪2的參數(shù)如下： m=2 齒輪1：=20，直徑=m=40mm 齒頂圓直徑 =44mm； 齒根圓直徑=35mm； 齒頂高 =2mm； 齒根高 =2.5mm； 齒輪2：=80，直徑=m=160mm 齒頂圓直徑 =164mm ； 齒根圓直徑=155mm； 齒頂高 =2mm； 齒根高 =2.5mm,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,轉(zhuǎn)向撥桿的設(shè)計 轉(zhuǎn)向撥桿的端面小球直徑10mm，桿長60mm，桿直徑3mm，桿面有螺紋便于調(diào)節(jié)球面與凹槽輪的長度，引起轉(zhuǎn)向軸的輕微偏轉(zhuǎn)。這種設(shè)計把轉(zhuǎn)向機構(gòu)與微調(diào)機構(gòu)整合在一起，設(shè)計簡單、機構(gòu)輕巧、靈活方便。 凹槽輪的設(shè)計 凹槽輪的寬度由撥桿小球的球面直徑和前輪轉(zhuǎn)向的最大角度決定。 在實際的運動中無碳小車的轉(zhuǎn)向角度,參見圖3-2 為了便于設(shè)計與實際制作，凹槽輪的直徑與齒輪3的直徑相同為120mm。,圖3-2 前輪最大轉(zhuǎn)動角度,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,,在轉(zhuǎn)動最大角度及撥桿小球的直徑確定情況下，凹輪槽的寬度尺寸由轉(zhuǎn)向軸心與凹槽輪軸心的距離確定， 為了能更好的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向角度，設(shè)計轉(zhuǎn)向最大轉(zhuǎn)向角度為 。轉(zhuǎn)向軸心與凹槽輪軸心的距離不宜過長，太長 會影響整體小車的車身變長，設(shè)定兩軸心距離為85mm。在SolidWorks草繪圖型界面下，可以容易看出兩 凹槽的中心距離，參見圖3-3。,圖3-3 凹槽中心距示意圖,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,轉(zhuǎn)向輪的設(shè)計 轉(zhuǎn)向輪隨著軸向軸的偏轉(zhuǎn)而偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向輪起到調(diào)整小車轉(zhuǎn)彎的作用，轉(zhuǎn)向輪不應過大，一般小于后輪的尺寸，設(shè)定轉(zhuǎn)向輪的半徑為25mm。 軸承的選用 考慮到軸承不易制作，在實際中可以通過選用購買標準件用于小車的制作。軸承的選用標準參考《機械設(shè)計課程設(shè)計》機械工業(yè)出版社第133頁滾動軸承的國家標準。選用最小的深溝球軸承C6201，最小直徑為12mm，最大外徑為32mm。 軸的設(shè)計 在整個無碳小車的設(shè)計方案中，包括后車輪軸、繩輪軸、槽輪軸、轉(zhuǎn)向軸4跟軸(參見圖3-4至3-7)。根據(jù)無碳小車的選用的C6201軸承，這4根最大直徑應該為12mm，便于裝配。因為無碳小車的動力較小，軸承產(chǎn)生的扭矩較小，不再對軸的強度進行校核。,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,車輪軸的尺寸見圖3-4 繩輪軸的尺寸見圖3-5,圖3-4 車輪軸尺寸,圖3-5 繩輪軸的尺寸,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,槽輪軸尺寸見圖3-6 轉(zhuǎn)向軸尺寸見圖3-7,圖3-6 槽輪軸尺寸,圖3-7 轉(zhuǎn)向軸尺寸,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,槽輪軸尺寸見圖3-6 轉(zhuǎn)向軸尺寸見圖3-7,圖3-6 槽輪軸尺寸,圖3-7 轉(zhuǎn)向軸尺寸,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖,圖3-8無碳小車的完整裝配圖建模,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖,結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇,完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖,仿真結(jié)果,在完成整體裝配圖的環(huán)境下，單擊左下角的運動算例，把動畫模擬時間軸拉到20秒的位置。在無碳小車裝配體中，單擊虛擬馬達，彈出馬達類型對話窗，選擇旋轉(zhuǎn)馬達，然后單擊繩輪面，為繩輪軸添加一個虛擬馬達。虛擬馬達模擬重錘下落時牽動繩子帶動繩索轉(zhuǎn)動的情況，設(shè)定虛擬馬達的轉(zhuǎn)速為30r/min。 然后按下從頭播放動畫，觀察小車齒輪、車輪、凹槽輪、撥桿運動情況。輸出動畫結(jié)果，對結(jié)果進行分析。 對于建立的無碳小車，在沒有考慮其它摩擦力、阻力、能量損失的情況下，加人虛擬馬達模擬運動時，繩輪能帶動軸的轉(zhuǎn)動，引起齒輪2的轉(zhuǎn)動，齒輪2又帶動齒輪1、齒輪3的轉(zhuǎn)動。當車輪轉(zhuǎn)過1.5圈時，凹槽輪剛好轉(zhuǎn)過0.5圈，說明齒輪1、齒輪2、齒輪3在齒數(shù)設(shè)計上符合擬定的運動軌跡轉(zhuǎn)向要求。 對于轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計，凹槽輪轉(zhuǎn)動時，撥桿球面與凹槽面相切運動，隨著凹槽的改變，撥桿也能隨著凹槽路徑改變，引起轉(zhuǎn)向軸的改變，帶動前輪轉(zhuǎn)動。說明設(shè)計的這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)有一定的實用性，能夠帶動小車有規(guī)律的轉(zhuǎn)向。同理可以通過邊凹槽輪上的凹槽路徑，設(shè)定出特定規(guī)律的路徑，讓無碳小車沿不同特定規(guī)律路線行走。比如走“8”字型、“0”路線。,謝謝觀看,,