S型無碳小車的設(shè)計(jì)【帶SolidWorks三維】【13張CAD圖紙+畢業(yè)論文】

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S型無碳小車的設(shè)計(jì)論文.doc

S型無碳小車裝配圖.DWG

上盤.DWG

前叉1.DWG

后輪右.DWG

大齒輪軸.DWG

小齒輪軸.DWG

底板.DWG

曲柄輪.DWG

滑盤支架.DWG

滑輪軸.DWG

繞線輪1.DWG

轉(zhuǎn)臂.DWG

連桿.DWG

無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘  要

本文圍繞無碳小車的設(shè)計(jì)，以全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的競(jìng)賽命題為核心，系統(tǒng)地說明了符合比賽要求的無碳小車從設(shè)計(jì)構(gòu)思到參數(shù)計(jì)算以及最后的加工裝配的設(shè)計(jì)思路和步驟。主要介紹了無碳小車的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)、零件機(jī)械加工工藝、小車零部件的加工方式與加工裝配。

無碳小車主要由車體、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為無碳小車實(shí)現(xiàn)行駛S型軌跡的機(jī)構(gòu)，是無碳小車核心機(jī)構(gòu)。該小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)正弦機(jī)構(gòu)的原理，在正弦機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化和修改而來。而微調(diào)機(jī)構(gòu)則是用于調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的周期，使小車的行駛軌跡能夠根據(jù)實(shí)際需要而改變。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是無碳小車設(shè)計(jì)最為重要的一部分，是實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽命題的要求的核心機(jī)構(gòu)。

在小車加工調(diào)試完成后，經(jīng)過驗(yàn)證小車的設(shè)計(jì)與制造符合競(jìng)賽命題的性能要求。通過這次設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了我們的綜合能力，并真正能把所學(xué)知識(shí)真正用在工作和生活中。

關(guān)鍵詞:無碳小車；正弦機(jī)構(gòu)；單輪驅(qū)動(dòng)；機(jī)械加工

Design and Implementation of carbon-free Vehicle

Abstract

This paper focuses on design of carbon-free vehicle, contest of the national competition for engineering training college students comprehensive ability as the core system that meets the game requirements, parameter calculation and carbon-free vehicle from design concept to final design idea and steps of processing and assembling. Introduces carbon-free vehicle for mechanical structure, technical parameters and machining of parts, car parts and processing method and processing and Assembly.

Carbon-free vehicle is mainly driven by the body, body, transmission, steering gear, trimmer bodies consists of six mechanical structure, including steering mechanism for carbon-free car bodies to achieve s-bend, that is carbon-neutral core trolley Agency. The car's steering mechanism based on the principle of sine mechanism, in sine mechanism based on optimization and modification. And fine-tuning is used to adjust the steering mechanism of the period, the car of course can change according to the actual need. Steering mechanisms and fine-tuning mechanism is designed to be carbon-free car design is the most important part of is the core institutions meet the contest requirements.

Processing in the car after debugging is complete, proven performance of car design and manufacture meet the contest requirements. Through this design enhances our overall ability and really can really use what they have learned in work and in life.

Key words: carbon-free vehicle; sine mechanism; Single-wheel driving; machining

目  錄

 1 緒  論 4

1.1 無碳小車越障競(jìng)賽命題要求 4

1.2 無碳小車越障競(jìng)賽環(huán)境 4

1.3 設(shè)計(jì)和加工思路 5

1.4 本設(shè)計(jì)的意義 5

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7

2.1 車體 7

2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 9

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 9

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 10

3 技術(shù)設(shè)計(jì) 13

3.1小車齒輪齒數(shù)比的計(jì)算 13

3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 14

3.3后輪半徑與繞線輪半徑計(jì)算 15

3.4標(biāo)準(zhǔn)件及其材料件列表 15

3.5確定非標(biāo)準(zhǔn)件的零件尺寸 16

3.6小車整體裝配效果圖 17

4小車的加工裝配以及調(diào)試 18

4.1需要自行加工的零件及加工方法 18

4.1.1使用亞克力板作為加工原材料的工件 18

4.1.2使用鋁合金作為加工原材料的工件 19

4.1.2使用45號(hào)鋼作為加工原材料的工件 19

4.2 小車的裝配 19

4.3 小車的調(diào)試 20

5 結(jié)果評(píng)價(jià)分析 22

5.1 小車設(shè)計(jì)結(jié)果 22

5.2 小車設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn) 22

5.3 改進(jìn)方向 23

參考文獻(xiàn) 24

附錄 1 小車數(shù)學(xué)模型方程 25

 1 緒  論

當(dāng)今社會(huì)人類活動(dòng)對(duì)自然的污染越加嚴(yán)重，尋求清潔能源的行動(dòng)勢(shì)在必行。無碳車的概念開始應(yīng)運(yùn)而生。無碳車是一種十分環(huán)保的短途代步工具，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點(diǎn)。無碳車的應(yīng)用和推廣對(duì)保護(hù)環(huán)境和人類的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽響應(yīng)了綠色無碳的社會(huì)潮流，提出了無碳小車越障競(jìng)賽命題要求，而我們通過設(shè)計(jì)無碳小車模型，希望可以為無碳小車越障競(jìng)賽命題提供一種將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的新思路。

1.1 無碳小車越障競(jìng)賽命題要求

以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車作為要求，設(shè)計(jì)一種小車，由給定重力勢(shì)能作為能量來源，通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向。給定重力勢(shì)能為4焦耳（取g=10m/s2），競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的重塊（R25×65 mm，普通碳鋼）作垂直下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下期間，必須由小車承載并與小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意簡(jiǎn)圖。

設(shè)計(jì)要求：

（1）要求小車行走過程中完成所有動(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源。

（2）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。

（3）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參賽學(xué)生自主完成。

1.2 無碳小車越障競(jìng)賽環(huán)境

競(jìng)賽場(chǎng)地有兩個(gè)，主場(chǎng)地一作為車賽場(chǎng)地，占地2300平米，場(chǎng)地地面為國(guó)際室內(nèi)球類競(jìng)賽用標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合木地板；主場(chǎng)地二作為加工制作裝調(diào)競(jìng)賽場(chǎng)地，配有普車、普銑、數(shù)車、數(shù)銑和快速成型等比賽用機(jī)床，配有鉗工工作臺(tái)和鉆床等設(shè)施設(shè)備。加工競(jìng)賽需要的通用工卡量具由參賽隊(duì)自帶。

1.3 設(shè)計(jì)和加工思路

5 結(jié)果評(píng)價(jià)分析

分析無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的成品，將小車的實(shí)際性能與理論性能作對(duì)比，并以此來尋找在小車的設(shè)計(jì)和制作過程中的由于設(shè)計(jì)或加工等問題導(dǎo)致的缺陷和問題，并通過分析小車成品的缺陷和問題，改進(jìn)小車的設(shè)計(jì)和制造。

5.1 小車設(shè)計(jì)結(jié)果 

在經(jīng)過對(duì)小車的設(shè)計(jì)優(yōu)化、加工裝配和微調(diào)總結(jié)后，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)競(jìng)賽命題并達(dá)到預(yù)期性能需求的無碳小車。該無碳小車可以能依靠所給定重力勢(shì)能，能夠自動(dòng)啟動(dòng)前行，并在行駛的過程中自動(dòng)行駛出S型軌跡，且在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行駛，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期。  

5.2 小車設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn) 

小車設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)： 

（1） 小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便高效，零件的幾何關(guān)系簡(jiǎn)潔明了，易于計(jì)算和仿真。

（2） 車身使用亞克力板為原理制作，使得小車車身更加輕巧，使用齒輪和帶輪傳動(dòng)，能量傳遞效率高且能力損失少。 

（3） 采用單輪驅(qū)動(dòng)，不需要安裝差速器，減少小車整體的質(zhì)量和成本，同時(shí)具有較大的驅(qū)動(dòng)輪，使小車行駛時(shí)效率比較高、能量損失小，能夠在比較粗糙地面行駛并行走更遠(yuǎn)的距離。 

（4） 微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用了正弦機(jī)構(gòu)的原理，可以減少誤差并能通過調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)糾正小車的行駛軌跡，并調(diào)節(jié)小車的行駛的周期和半徑，有利于小車適應(yīng)轉(zhuǎn)彎繞障和避開障礙物。 

（5） 通過對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整，使小車零件對(duì)加工精度要求降低，減少小車的加工成本，并讓小車更加易于修改、加工、安裝及微調(diào)。 

（6） 由于用于制作小車的原材料價(jià)格比較低且小車的加工成本不高，可以讓小車整體造價(jià)保持一個(gè)比較低的水平，可以在確保小車的性能達(dá)到要求的同時(shí)控制小車的成本。

小車設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)： 

（1） 由于在設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮到理論和實(shí)際的區(qū)別，缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，讓小車?yán)碚撔阅芎蛯?shí)際性能有出入。

（2） 小車的加工受到成本、時(shí)間、加工技術(shù)和加工范圍的限制，導(dǎo)致小車的整體加工精度不高，出現(xiàn)了許多不該出現(xiàn)的加工誤差。

（3） 在不同的地面測(cè)試時(shí)，小車所行駛的距離波動(dòng)比較大，微調(diào)機(jī)構(gòu)微調(diào)滑塊位置很難把握準(zhǔn)確，難以根據(jù)不同類型的地面進(jìn)行合適的微調(diào)，而且微調(diào)時(shí)比較繁瑣和耗時(shí)。

（4） 小車的微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直于地面，在工作時(shí)會(huì)受到重力加速度的影響，使得機(jī)構(gòu)工作時(shí)精準(zhǔn)度收到影響。

（5） 對(duì)各種機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)還不夠全面和透徹，無法根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)出性能更好且足夠簡(jiǎn)便的機(jī)構(gòu)。   

5.3 改進(jìn)方向 

（1） 加工精度和裝配精度是碳小車改進(jìn)的一個(gè)大方向之一。如果能夠找到更加合適的加工工藝可以提高小車零件的加工精度并減少后期的調(diào)試工作，也可以讓小車現(xiàn)實(shí)得到更好的運(yùn)動(dòng)效果，同時(shí)控制小車的成本。

（2） 設(shè)計(jì)性能更加良好的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)，用于提高轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的效率和穩(wěn)定性，同時(shí)提高微調(diào)機(jī)構(gòu)的微調(diào)范圍，讓小車可以更大范圍的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期，提高小車在各種地面的適應(yīng)能力。

（3） 修改微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使其的轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行于地面，減少重力對(duì)微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作時(shí)的影響。

（4） 在設(shè)計(jì)階段對(duì)小車進(jìn)行更多的計(jì)算和仿真。通過更多的計(jì)算和仿真來選擇更好的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，令小車的理論性能得到提高。

（5） 改進(jìn)機(jī)構(gòu)的配合的合理性。通過使機(jī)構(gòu)的配合更加合理，使小車更容易裝配并提高小車零件裝配時(shí)裝配精度。

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畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 教學(xué)單位：機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名 : 指導(dǎo)教師 : 指導(dǎo)單位：機(jī)電工程學(xué)院 完成時(shí)間： 2016 年 3 月 20 日 ＸＸＸＸ學(xué)院教務(wù)處制發(fā) 無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘 要 本文圍繞無碳小車的設(shè)計(jì)，以全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的競(jìng)賽命題為核心，系統(tǒng)地說明了符合比賽要求的無碳小車從設(shè)計(jì)構(gòu)思到參數(shù)計(jì)算以及最后的加工裝配的設(shè)計(jì)思路和步驟。主要介紹了無碳小車的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)、零 件機(jī)械加工工藝、小車零部件的加工方式與加工裝配。 無碳小車主要由 車體 、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 和微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其中 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 為無碳小車實(shí)現(xiàn)行駛 無碳小車核心機(jī)構(gòu)。該小車的 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 根據(jù)正弦機(jī)構(gòu)的原理，在正弦機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化和修改而來。而微調(diào)機(jī)構(gòu)則是用于調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的周期，使小車的行駛軌跡能夠根據(jù)實(shí)際需要而改變。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 和微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是無碳小車設(shè)計(jì)最為重要的一部分，是實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽命題的要求的核心機(jī)構(gòu)。 在小車加工調(diào)試完成后，經(jīng)過驗(yàn)證小車的設(shè)計(jì)與制造符合競(jìng)賽命題的性能要求。通過這次設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了我們的綜合能力，并真正能把所學(xué)知識(shí)真正用在工作和生活中。 關(guān)鍵詞 :無碳小車；正弦機(jī)構(gòu)；單輪驅(qū)動(dòng)；機(jī)械加工 of on of of as to of of is by of to is s on of in on is to of of to is to be is of is in is of in in 目 錄 1 緒 論 .................................................................. 4 碳小車越障競(jìng)賽命題要求 .............................................. 4 碳小車越障競(jìng)賽環(huán)境 .................................................. 4 計(jì)和加工思路 ........................................................ 5 設(shè)計(jì)的意義 .......................................................... 5 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................. 7 體 .................................................................. 7 動(dòng)機(jī)構(gòu) .............................................................. 9 動(dòng)機(jī)構(gòu) .............................................................. 9 向 機(jī)構(gòu) ............................................................. 10 3 技術(shù)設(shè)計(jì) ................................................................ 13 車 齒輪齒數(shù) 比 的計(jì)算 ................................................. 13 動(dòng)學(xué)模型 ........................................................... 14 輪 半徑與 繞線輪半徑計(jì)算 ............................................. 15 準(zhǔn)件及其材料件列表 ................................................. 16 定非標(biāo)準(zhǔn)件 的 零件尺寸 ............................................... 16 車整體 裝配 效果 圖 ................................................... 17 4 小車的加工裝配以及調(diào)試 ................................................... 18 要自行加工的零件及加工方法 ......................................... 18 用亞克力板作為加工原材料的工件 ................................... 18 用鋁合金作為加工原材料的工件 ..................................... 19 用 45 號(hào)鋼作為加工原材料的工件 .................................... 19 車的裝配 ........................................................... 19 車的調(diào)試 ........................................................... 20 5 結(jié)果評(píng)價(jià)分析 ............................................................ 22 車設(shè)計(jì)結(jié)果 ......................................................... 22 車設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn) ................................................. 22 進(jìn)方向 ............................................................. 23 參考文獻(xiàn) .................................................................. 24 附錄 1 小車數(shù)學(xué)模型 方程 ................................................... 25 1 緒 論 當(dāng)今社會(huì)人類活動(dòng)對(duì)自然的污染越加嚴(yán)重，尋求清潔能源的行動(dòng)勢(shì)在必行。無碳車的概念開始應(yīng)運(yùn)而生。無碳車是一種十分環(huán)保的短途代步工具 ，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點(diǎn)。無碳車的應(yīng)用和推廣對(duì)保護(hù)環(huán)境和人類的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽響應(yīng)了綠色無碳的社會(huì)潮流，提出了無碳小車越障競(jìng)賽命題要求，而我們通過設(shè)計(jì)無碳小車模型，希望可以為無碳小車越障競(jìng)賽命題提供一種將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的新思路。 碳小車越障競(jìng)賽命題要求 以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車作為要求，設(shè)計(jì)一種小車，由給定重力勢(shì)能作為能量來源，通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向。給定重力勢(shì)能為 4焦耳（取g=10m/競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為 165 通碳鋼）作垂直下降來獲得，落差 400± 2塊落下期間，必須由小車承載并與小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。圖 1為小車示意簡(jiǎn)圖。 圖 1碳小車示意簡(jiǎn)圖 設(shè)計(jì)要求： （ 1）要求小車行走過程中完成所有動(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源。 （ 2）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。 （ 3）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參賽學(xué)生自主完成。 碳小車越障競(jìng)賽環(huán) 境 競(jìng)賽場(chǎng)地有兩個(gè)，主場(chǎng)地一作為車賽場(chǎng)地，占地 2300平米，場(chǎng)地地面為國(guó)際室內(nèi)球 類競(jìng)賽用標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合木地板；主場(chǎng)地二作為加工制作裝調(diào)競(jìng)賽場(chǎng)地，配有普車、普銑、數(shù)車、數(shù)銑和快速成型等比賽用機(jī)床，配有鉗工工作臺(tái)和鉆床等設(shè)施設(shè)備。加工競(jìng)賽需要的通用工卡量具由參賽隊(duì)自帶。 計(jì)和加工思路 圖 1碳小車設(shè)計(jì)流程圖 設(shè)計(jì)的意義 本設(shè)計(jì)主要的工作有：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定、軟件仿真，加工工藝的設(shè)計(jì)，機(jī)械加工，裝配調(diào)試、實(shí)地測(cè)試。其中最 為重要的是小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是無碳小車的核心機(jī)構(gòu)，只有設(shè)計(jì)好轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，才能讓小車實(shí)現(xiàn)利用重力勢(shì)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制并可以進(jìn)行微調(diào)， 并可以行使更遠(yuǎn)的距離。 設(shè)計(jì) 開始 分析 競(jìng)賽命題 明確 小車性能需求 提出 可行方案 確定方案 分析 Y N 初步設(shè)計(jì) 分析建模 初步確定參數(shù) 評(píng)價(jià) 選擇 材料 N Y 總體與 零件設(shè)計(jì) 機(jī)加工 裝配調(diào)試 改進(jìn) 總結(jié) Y N 完成 通過進(jìn)行無碳的小車的設(shè)計(jì)，我們能夠在進(jìn)行無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程中加強(qiáng)自己的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和合作精神，增加我們對(duì)本專業(yè)所學(xué)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，提高我們的對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的能力，讓自己更好鞏固和理解大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)，為我們?cè)谏鐣?huì)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出創(chuàng)造良好的條件。而設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)不僅 是滿足競(jìng)賽命題要求 ， 更重要的是：結(jié)合我們所學(xué)習(xí)的知識(shí)，發(fā)揮 自己想象力， 設(shè)計(jì)并制作出一臺(tái)僅僅利用重力勢(shì)能作為驅(qū)動(dòng)，利用正弦機(jī)構(gòu)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)向控制和微調(diào)，可以行駛 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本部分主要是說明無碳小車的主要機(jī)構(gòu)，以及該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和該機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。無碳小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為車體、 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng) 機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、和 微調(diào)機(jī)構(gòu) 共五個(gè)方面。其中，車體是小車全部零件的載體、 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 為小車提供動(dòng)力、傳動(dòng) 機(jī)構(gòu) 負(fù)責(zé)傳遞原動(dòng)機(jī)構(gòu) 提供的動(dòng)力、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小車有規(guī)律的轉(zhuǎn)向、微調(diào)機(jī)構(gòu)改變小車行駛軌跡的半徑和周期。 體 對(duì)車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括小車底盤，車輪，軸承座 等為小車提供安裝固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。車體結(jié)構(gòu)作為為無碳小車的上的所有機(jī)構(gòu)提供安裝固定的部件，需要具有良好的硬度和較好延展性，密度低，輕便，同時(shí)還要易于加工，在加工時(shí)不容易變形等特點(diǎn)。在對(duì)比了各種常見的材料的屬性后，初步選定使用鋁或亞力克作為車體結(jié)構(gòu)的材料。 大多數(shù)常見的鋁合金都比較的輕便，而且加工容易，但是由于鋁合金價(jià)格比較高，所以選擇鋁合金作為小車的主體材料。而亞克力硬度較大，具有良好的耐沖擊性，而且易于加工，對(duì)加工精度要求沒有鋁高，而且價(jià)格便宜。亞克力是脆性比較大的，在較薄的情況下受到?jīng)_擊時(shí)容易折斷， 所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要選擇好亞克力的厚度，確保部件不會(huì)因?yàn)槭芰^大而折斷。經(jīng)過考慮，放棄了使用鋁合金作為車體結(jié)構(gòu)的材料，而選擇了亞克力。 小車底盤占小車整體質(zhì)量比重比較大，而且還承載著大部分的小車零件，需要具備較高的穩(wěn)定性和保持較輕的質(zhì)量，所以在設(shè)計(jì)小車底盤的時(shí)候，將底盤部分不需要的面積刪減，同時(shí)部分鏤空，為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)留下活動(dòng)空間。為提高底盤的抗沖擊能力，底盤前方外圍的角采用了倒圓角處理。 圖 2車底盤三維圖 小車一共有三個(gè)車輪，分別為后左輪，后右輪和前輪，三者的設(shè)計(jì)均不同，前輪為導(dǎo)向 輪，后右輪為從動(dòng)輪，后左輪為驅(qū)動(dòng)輪。小車的采用單輪驅(qū)動(dòng)，后左輪是驅(qū)動(dòng)輪直接與傳動(dòng)軸相連安裝，且使用 字型的軸配合，確保不會(huì)空轉(zhuǎn)。后右輪則是從動(dòng)輪則是需要安裝軸承，來保證始終保持從動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)單輪差速。前輪是導(dǎo)向輪，當(dāng)正弦機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，它使轉(zhuǎn)向輪按規(guī)定的角度擺動(dòng)，從而保證小車在一定的周期內(nèi)行走 圖 2車 正弦機(jī)構(gòu)示意圖 為了減少小車的質(zhì)量，從動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪都在保證性能的前提下，盡可能的減少體積，做了大面積的鏤空。 圖 2車 車 輪平面圖 動(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際上 是將重塊豎直下落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，它的作用是為無碳小車提供所有的能量來源。同時(shí)原動(dòng)機(jī)構(gòu)需要滿足一些設(shè)計(jì)要求：（ 1）保持平衡，在重塊下落和小車轉(zhuǎn)向時(shí)，不會(huì)因?yàn)橹匚锏膽T性而失穩(wěn)或翻倒，（ 2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，由于小車的空間不足，無法使用過于繁雜的機(jī)構(gòu)，所以機(jī)構(gòu)需要簡(jiǎn)便牢固，能量轉(zhuǎn)換效率高。 為了兼顧效率、簡(jiǎn)易與經(jīng)濟(jì)，決定采用線輪結(jié)構(gòu)。重塊上系有尼龍線，重塊在下落時(shí)，拉動(dòng)尼龍線， 尼龍線通過 定 滑輪將動(dòng)力傳遞到 安裝在主動(dòng)軸上的 繞線軸上， 帶動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而為小車提供動(dòng)力來源。 圖 2動(dòng)機(jī)構(gòu)三維圖 在圖 ，原動(dòng)機(jī)構(gòu)的頂端為以亞克力為材料的圓形定滑輪支撐架，定滑輪支撐架上安裝有定滑輪，用于 傳遞 有重物下落所產(chǎn)生的 動(dòng)力 。定滑輪支撐架下連接著是三根直徑為 6為 60根碳纖維棒安裝 在底部 支撐架上，用于支撐定滑輪固定架和重物，保證重物下落時(shí)，小車的穩(wěn)定，維持車體的平衡。由于原動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要材料為亞克力和碳纖維棒，盡可以減少整個(gè)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，同時(shí)采用可線輪結(jié)構(gòu)，使得原動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)十分的簡(jiǎn)潔，同時(shí)保證了原動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性 。 動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的 作用 是 把動(dòng)能 和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng) 輪上 ，使 小車精確 地 行駛 在 設(shè)計(jì)的軌道 且 行走出最遠(yuǎn)的軌跡 。所以 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕 等 。 圖 2動(dòng)機(jī)構(gòu)三維圖 常見的簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)方式有：摩擦傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)和蝸桿蝸輪傳動(dòng)等等。由于摩擦傳動(dòng)效率低噪聲較大，鏈條傳動(dòng)與蝸桿蝸輪傳動(dòng)效率低，所以優(yōu)先考慮齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)?？紤]到使用皮帶傳動(dòng)時(shí)由于載荷過大可能會(huì)導(dǎo)致空轉(zhuǎn)的問題，以及幾何空間充分利用和節(jié)省空間的因素，所以我們選定了 1模的齒輪作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選用碳鋼齒。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要繞線軸部分、微調(diào)機(jī)構(gòu) 連接軸部分和主動(dòng)軸部分組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，在繞線軸上安裝的繞線輪纏繞連接重物尼龍線。當(dāng)重物下落時(shí)，拖動(dòng)尼龍線，尼龍線再帶動(dòng)繞線輪，使得繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳動(dòng)到主動(dòng)軸和微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸上，使主動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，為小車傳遞動(dòng)力，而微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸則是負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳動(dòng)到微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，讓微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠正常工作。 向 機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是整個(gè)無碳小車中最為重要的機(jī)構(gòu)，它的作用是通過 將繞線軸轉(zhuǎn)角變化量通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角變化量，從而 實(shí)現(xiàn)無碳小車的轉(zhuǎn)向功能，讓小車可以行走 字型路 線。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要滿足：（ 1） 盡 可能的 減少能量損失 ；（ 2）易于加工；（ 3）能夠?qū)?傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為 合乎要求擺動(dòng)運(yùn)動(dòng) ，帶動(dòng)前 輪轉(zhuǎn) 向 。經(jīng)過考慮 后決定選擇 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為 小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的原型 。 適用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)主要有可以有兩種，其中一種是正弦機(jī)構(gòu)，而另外一種是正切機(jī)構(gòu)。 推桿與導(dǎo)路之間的間隙使推桿晃動(dòng)，導(dǎo)致 此令正切機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤差，對(duì)正弦機(jī)構(gòu)幾乎無影響。 圖 2弦機(jī)構(gòu)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖 圖 2切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖 而在實(shí)際使用中，由于搖桿轉(zhuǎn)角升程 的正切或正弦成比例，所以正弦機(jī) 構(gòu)和正切機(jī)構(gòu)在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生誤差，其誤差值為 與。 由于正切機(jī)構(gòu)在誤差方面要大于正弦機(jī)構(gòu)，故在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的時(shí)候，決定選擇正弦機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，在正弦機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善和優(yōu)化。 圖 2向機(jī)構(gòu)三維圖 在 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我 們 將 用于 提高正弦波的 凸輪機(jī)構(gòu) 簡(jiǎn)化，并將 機(jī)構(gòu) 中的搖桿和推桿 的 自由度限制 ， 使它們只能在 同 一個(gè) 平面 內(nèi) 運(yùn)動(dòng)， 這樣 有利于優(yōu)化機(jī)構(gòu)的 體積和復(fù)雜度，并 減少 誤差和計(jì)算難度。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要 由兩部分組成，一部分為負(fù)責(zé)提供正弦波的類 凸輪 部分，而另一部則是將正弦波轉(zhuǎn)化為小車導(dǎo)向輪 轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向部分 。如 圖 2示 ， 圖中紅色的零件 為 凸輪推桿滑塊 、藍(lán)色 的 零件 為正弦 凸輪柄、橙色 的 工件 為 轉(zhuǎn)向滑塊固定架、深藍(lán)色 的 工件 為 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、淺綠色的 工件為 導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊和綠色的 工件 為凸輪微調(diào)滑塊。 類曲柄機(jī)構(gòu)部分 的 零件有 凸輪推桿 滑塊 、 正弦 凸輪柄、用于 連接 凸輪推桿 滑塊 與 正弦 凸輪柄的連接桿和推桿。轉(zhuǎn)向 部分 的 零件有 ：轉(zhuǎn)向滑塊固定架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊和導(dǎo)向輪車橋桿。 轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu) 工作 時(shí) ，微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸帶動(dòng) 微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng) 。 微調(diào)機(jī)構(gòu) 通過凸輪微調(diào)滑塊與轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu) 中凸輪推桿 滑塊 連接 ，其中 凸輪微調(diào)滑塊和凸輪推桿 滑 塊 之間通過 軸 連接 ， 在凸輪微調(diào)滑塊上 安裝有軸承， 軸 可以 在凸輪微調(diào)滑塊中做出 轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，軸的另一端 鎖死在凸輪推桿 滑塊 ，凸輪推桿 滑塊 可以 做出任意角度的相對(duì) 于凸輪微調(diào)滑塊的相對(duì) 轉(zhuǎn)動(dòng) 。 正弦 凸輪柄通過 桿與 凸輪推桿 滑塊 想 連接，正弦 凸輪柄可以在于凸輪推桿滑塊內(nèi) 作上下滑動(dòng)， 故當(dāng) 微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于 直線 軸承座的 限 位作用 ， 令正弦 凸輪柄始終 垂直于底面， 同時(shí) 由于機(jī)構(gòu)的 約束使其只能 前后 運(yùn)動(dòng) ， 使得 正弦 凸輪柄上 的推桿 只能 作前后往返運(yùn)動(dòng) 。當(dāng) 推桿作前后往返運(yùn)動(dòng) 時(shí)， 推動(dòng) 轉(zhuǎn)向滑塊固定架， 由于推桿 前端 有螺牙 ，所以 在推桿 后退 時(shí)， 轉(zhuǎn)向滑塊固定架依然 與推桿 相連接 。轉(zhuǎn)向滑塊固定架內(nèi)部 安裝有 轉(zhuǎn)向滑塊，兩者之間 可以發(fā)生 任意角度 的相對(duì) 轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊與轉(zhuǎn)向滑塊通過 搖桿連接 ， 搖桿 前端與輪車橋轉(zhuǎn)塊固定 ， 后端可以在轉(zhuǎn)向滑塊中作 相對(duì)滑動(dòng)，而 輪車橋轉(zhuǎn)塊又 與車橋桿通過螺絲鎖死 。 故當(dāng) 推桿 帶動(dòng) 轉(zhuǎn)向滑塊固定架前后運(yùn)動(dòng) 時(shí)，使搖桿的與繞線軸的夾角 不斷發(fā)生 變化， 通過輪車橋轉(zhuǎn)塊將 搖桿的與繞線軸的夾角 的 變化量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角變化量，從而改變小車的施行方向。 另外，在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，還需要解決內(nèi)輪和外輪差速問題。選擇雙輪驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，小車兩個(gè)后輪都同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)輪，兩后輪需要同軸，而且還需要設(shè)計(jì)和 安裝無碳小車專用的差速器，但是由于差速器的加工精度要求太高，而且需要長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，制造成本過于昂貴。故不在小車 上 使用雙輪 驅(qū)動(dòng) 而 是選擇單輪驅(qū)動(dòng) 。 單輪驅(qū)動(dòng) 即把 其中 一個(gè) 后輪 直接安裝 在驅(qū)動(dòng)軸上 跟隨 驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，作為 驅(qū)動(dòng)輪， 另外一個(gè) 后輪通過 使用軸承 與 驅(qū)動(dòng)軸連接 或 安裝在另一 條 軸上，不 跟隨 驅(qū)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng) ，作為 從動(dòng)輪， 從動(dòng)輪 的轉(zhuǎn)速 由 小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的角度 和半徑?jīng)Q定， 因此 能很好 的解決 小車的差速問題 。由于小車采用單輪驅(qū)動(dòng)來解決小車轉(zhuǎn)向時(shí)從動(dòng)輪 和驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差 問題，從結(jié)果上來看，單輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)會(huì)比雙輪驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便許多，效率也會(huì)比使用差速器的 雙輪驅(qū)動(dòng)高，但是單輪驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致小車行駛不穩(wěn)定的問題。通過對(duì)比后，決定使用單輪驅(qū)動(dòng)，來解決小車轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)輪和外輪差速問題。 3 技術(shù)設(shè)計(jì) 將無碳小車的機(jī)構(gòu)方案基本設(shè)計(jì)完成以后 ， 需要根據(jù) 實(shí)際需要 來確定小車各個(gè)機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù) 、建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并優(yōu)化小車零件的參數(shù)。使小車可以行駛更遠(yuǎn) 的距離 ，更好的滿足競(jìng)賽命題的要求，并 為小車 提供更好的性能。 車 齒輪齒數(shù) 比 的計(jì)算 將無碳小車的機(jī)構(gòu)方案基本設(shè)計(jì)完成以后， 還需要初步確定小車的部分參數(shù)，并以此為 基礎(chǔ) ，來推導(dǎo)其他參數(shù)，最后 把 小車的參數(shù) 代 入小車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中 來 驗(yàn)算和優(yōu)化 小車的參數(shù)， 用于減少工作量并 提高 效率。 已知 競(jìng)賽命題中，小車 繞 障 要求如圖 3示 ： （圖中 單位為 圖 3車 繞 障 要求示意圖 如圖 所示 ， 小車 前方每隔一米 就會(huì)放一個(gè) 障礙物 ， 如果 需要 成功 的 避開障礙物小車的行駛 軌跡 就應(yīng)該為正弦 曲線 或 余弦曲線 。 當(dāng)選取 正弦 曲線 為 小車的 行駛 軌跡時(shí) ， 小車的 行駛 軌跡的 周期 不好 確定， 而且隨著 小車行駛距離的 增大 ，小車與 每一次繞過 障礙物 時(shí) 兩者相距的距離 會(huì) 越來越 短，所以選擇了 余弦 曲線 作為小車的行駛軌跡 ，令 小車的軌跡為 。 由圖 3得 ， 和 k 的值為 0， 余弦 曲線的 周期 T 為 2m，所以。 由于小車 繞過 障礙物時(shí)兩者 需要留有一定的 安全 距離，所以 A 一般取 小車的車 寬 的 一半 與安全距離之和 ， 故A=以 小車的軌跡為 。 通過 小車的軌跡曲線公式可以求得小車在一個(gè)周期所行走的距離 約 為 小車能夠 在 后輪 轉(zhuǎn)動(dòng)四圈 后 能夠行駛完一個(gè)周期，所以 可以暫 取小車 后 輪 半徑 為 R=100 小車行駛完一個(gè) 周期 后，小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)該也完成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期。所以，小車的驅(qū)動(dòng)齒輪和微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪齒數(shù) 之比 為 1:4， 但是小車的后輪半徑越大越有利于小車的行駛，故小車 后 輪 半徑取 R=104轉(zhuǎn)動(dòng) 后可行駛完一個(gè)周期， 因此 驅(qū) 動(dòng)齒輪和微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪 也該改為 1:34。同時(shí) 為了增加小車行駛的 圈數(shù) ， 在 驅(qū)動(dòng)齒輪和微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪之間 并 入 一個(gè)齒輪用于連接繞線軸， 取 驅(qū)動(dòng)齒輪和 繞線 齒輪齒數(shù) 之比為 1:3， 故驅(qū)動(dòng)齒輪 、繞線 齒輪齒數(shù) 與 微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪 三者 的齒數(shù)比為 1:3:齒數(shù) 帶入小車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型， 可驗(yàn)證和優(yōu)化 小車 齒輪組的齒數(shù)比。 動(dòng)學(xué)模型 通過以驅(qū)動(dòng)輪 、從動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪三者的軌跡方程 為 依據(jù)， 編寫 為 序 ，進(jìn)行仿真 。在 序中給參數(shù)賦初始值，通過不斷地對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終得出較為合理的軌跡函數(shù)圖像，再與競(jìng)賽 命題中 要求小車所 行走 的軌跡 兩者 來 對(duì)比 ，計(jì)算 優(yōu)化 得出 最合理 的參數(shù)， 再 以 最合理 的參數(shù) 為 依據(jù) 確定 小車的各零件的參數(shù) 。下圖為圖 3圖中曲線為小車 其中一組參數(shù)下的 小車三輪 的 軌跡函數(shù)圖像即 小車的 運(yùn)動(dòng)軌跡圖。 圖 3車軌跡 模擬圖 如圖 3示，從函數(shù)圖像中可以看出，圖曲線曲線光滑連續(xù)，并沒有較大的突變， 周期 和半徑都符合競(jìng)賽命題要求， 此時(shí)的各參數(shù)值可以為理論上的最優(yōu)值。具體值為： 繞線軸齒輪 為齒輪 1 模數(shù)齒數(shù) ， 微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸齒輪為 齒輪 2 齒數(shù) ，驅(qū)動(dòng)軸齒輪 為 齒輪 3 齒數(shù)，齒輪傳動(dòng)比為，帶傳動(dòng)比為，繞線軸半徑 r 為 3，驅(qū)動(dòng)輪 和從動(dòng)輪 半徑 =為 104桿為 120桿為 87 87 輪 半徑與 繞線輪半徑計(jì)算 已經(jīng)摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 : M= 3 其中 U 為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其中亞克力與木地板的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為 故 滾動(dòng) 摩擦力 ： M=5N （ 3 由上式可知當(dāng)小車輪子半徑越大，小車受到 的滾動(dòng)摩擦力越小，就能夠行駛的越遠(yuǎn)。但是由于材料的加工問題、材料的機(jī)械性能不足問題材料、零件的安裝問題與小車零件協(xié)調(diào)性問題，故小車后輪的半徑不能取得太大， 需要在合理范圍內(nèi)。 圖 3車齒輪組 示意圖 如 圖 3示 ， 齒輪 1 為 繞線軸齒輪，齒輪 2 為微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸齒輪 ，齒輪 3 為 驅(qū)動(dòng)軸齒輪 ， 三 者 構(gòu)成了小車的齒輪組系統(tǒng)。 準(zhǔn)件及其材料件列表 表 3編號(hào) 材料及標(biāo)準(zhǔn)件的種類 毛坯尺寸 毛坯數(shù)量 每臺(tái)件數(shù) 1 亞克力板材 200× 200× 3 3 3 2 碳纖棒 Φ 6× 1000 3 3 3 鋁合金板材 12× 20× 200 1 1 4 深溝球軸承 8*14*5 (d*D*B) 18 18 5 深溝球軸承 6*14*5 (d*D*B) 4 4 6 滑輪軸承 6*20*5 (d*D*B) 1 1 7 直齒輪 m=z=14 1 1 8 直齒輪 m=z=42 1 1 9 直齒輪 m=z=46 1 1 10 墊片 0 30 11 螺栓 0 30 12 螺釘 0 30 13 軸套 6*8*2 2 2 14 軸套 8*14*3 2 2 15 45#鋼 Φ 4× 500 1 1 16 45#鋼 Φ 6× 500 1 1 17 45#鋼 Φ 8× 500 1 1 定非標(biāo)準(zhǔn)件 的 零件尺寸 經(jīng)過理論計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)機(jī)構(gòu) 參數(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化 ，最終確定小車各個(gè)機(jī)構(gòu)重要零件的具體尺寸。 推桿長(zhǎng) =120 桿長(zhǎng) =78.5 車整體 裝配 效果 圖 圖 3車整體 裝配效果圖 1 圖 3車整體 裝配效果圖 2 4 小車的加工裝配以及調(diào)試 在本章中，主要是介紹小車各個(gè)零件的具體加工方法、零件原材料的選擇、加工 中遇到的問題、加工后進(jìn)行的裝配過程以及在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及其改進(jìn)方法。 要自行加工的零件及加工方法 小車 的 零件 部分可以 中 的 標(biāo)準(zhǔn)件可以根據(jù) 設(shè)計(jì)要求而購(gòu)買 ， 而 非標(biāo)準(zhǔn)件則需要購(gòu)買毛坯料進(jìn)行加工 ，我們所設(shè)計(jì)的無碳小車需要自行加工零件的原材料主要有亞克力、鋁合金為 45 鋼和碳纖維。 用亞克力板作為加工原材料的工件 亞力克是高分子材料，化學(xué)名稱為 聚甲基丙烯酸甲酯 。亞力克板是由亞克力粒料經(jīng)由擠板機(jī)擠出而成。優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的抗沖擊力性較高的表面硬度和表面光澤，以及較好的高溫性能，同時(shí)擁有在通用塑料比較優(yōu)秀的力學(xué)性能，穩(wěn)定性好，密度較低。缺點(diǎn)是脆性比較大，無法使用線切割工藝來確保加工精度。使用亞力克板作為小車的大部分工件的加工材料，有利于減輕小車的整體重量，同時(shí)具有較好的抗攻擊性，且可以控制成本。 需要以亞力克板為原材料加工的零件主要有小車底盤、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、軸承座、正弦凸輪柄、轉(zhuǎn)向滑塊固定架、定滑輪支架等。 由于加工精 度對(duì)于無碳小車而言十分重要，為了保證零件的加工精度，上訴使用亞力克板為原材料加工的零件全部使用激光切割工藝對(duì)亞力克板進(jìn)行切割，由于激光切割工藝的加工精度較高，所以大部分零件切割出來后可以直接使用。其中部分零件由于側(cè)面存在孔，無法使用激光切割工藝，故使用銑床加工剩余的部分。 ： 圖 4滑輪固定架 用鋁合金作為加工原材料的工件 鋁合金 是日常生活中應(yīng)用最廣泛的一類 有色金屬 結(jié)構(gòu)材料，鋁合金密度低，強(qiáng)度比較高，塑性好。但是由于大部分鋁合金的密度比亞克力的密度高，且硬度不如亞克力，所以并選擇鋁合金作為小車的主體材料，僅作為部分連接件或滑塊的材料。由于 鋁合金 具有許多種型號(hào)，經(jīng)過考慮以后，決定使用 6063 鋁合金板材作為加工原料。 需要以 6063 鋁合金板材為原材料加工的零件主要有：導(dǎo)向輪車橋、導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、凸輪推桿滑塊、凸輪微調(diào)滑塊、凸輪微調(diào)滑塊固定架。 由于以 6063 鋁合金板材為原材料加工的零件尺寸都非常小而且數(shù)量不多，所以決定自行加工。在加工時(shí)，只能先是按照設(shè)計(jì)的要求，將 6063 鋁合金板材切割開粗，之后使用銑床進(jìn)行精確加 工，最后再用砂紙打磨去毛刺。 其中，導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、凸輪推桿滑塊和凸輪微調(diào)滑塊都比較容易加工，只需要將 6063 鋁合金板材開粗為余量不小于 米的毛坯，使用銑床銑精確到數(shù)，再按照?qǐng)D紙的要求進(jìn)行鉆孔、攻牙、打磨等加工工藝即可。至于導(dǎo)向輪車橋和凸輪微調(diào)滑塊固定架則存在一定的加工難點(diǎn)。 導(dǎo)向輪車橋的加工難點(diǎn)是在于其不是用銑床直接 6063 鋁合金板材，而是先使用車床加工出一個(gè)毛坯再使用銑床加工。由于 攻很容易受力過大折斷，所以在使用 攻攻牙的時(shí)必須非常小心。如圖 4示，先使用車床將 6063 鋁合金材料車出一個(gè)臺(tái)階圓柱，上臺(tái)階高 5 毫米直徑為 10 毫米，下臺(tái)階高 50 毫米直徑為 20 毫米。完成后使用銑床在下臺(tái)階銑出四個(gè)個(gè)端面，再按照?qǐng)D紙要依次進(jìn)行鉆孔和攻牙，最后銑用于安裝導(dǎo)向輪的槽。 用 45 號(hào)鋼作為加工原材料的工件 45 號(hào)鋼是常用中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性。在小車中，用作加工各類軸。 需要以 45 號(hào)鋼零件主要有：驅(qū)動(dòng)軸、從動(dòng)軸、繞線軸、定滑輪軸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)推桿、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)搖桿、導(dǎo)向輪車橋桿。 加工方法為：按照?qǐng)D紙的要求，使用車床車出合適的直徑和長(zhǎng)度，之后再進(jìn)行攻牙和打磨。 車的裝配 在小車的工件加工完畢后，將開始對(duì)小車進(jìn)行裝配。對(duì)小車的裝配可以分為以下四個(gè)部分： 車體行駛結(jié)構(gòu)裝配 ： 將各個(gè)機(jī)構(gòu)的軸承座按照?qǐng)D紙的要求安裝在小車底盤上，為了使軸承座和小車底盤連接的更加穩(wěn)固和方便調(diào)試，決定通過螺絲鎖緊將軸承座固定。然后將用于將安裝驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸的軸承安裝在軸承座上，為后面對(duì)驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸進(jìn)行調(diào)試，先不將軸承固定。為 了減少摩擦和提高穩(wěn)定性，每個(gè)軸承座上都安裝上一對(duì)軸承。之后安裝轉(zhuǎn)向輪車橋，為了減少車橋軸和小車底座的摩擦，在小車底盤正反兩面安裝一對(duì)軸承。在轉(zhuǎn)向輪車橋上 安裝前輪，使用螺絲固定。將齒輪安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，暫時(shí)不固定，然后把驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸穿過軸承，安裝在軸承座，把驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪分別安裝在驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸上，使用螺絲固定。 小車原動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配 ： 使用螺絲將原動(dòng)機(jī)構(gòu)底部支撐架和小車底盤鎖緊，然后將將三根碳纖維管，放入原動(dòng)機(jī)構(gòu)底部支撐架的三個(gè)孔內(nèi)，之后將定滑輪支撐架安裝在三根碳纖維管上。把定滑輪放入定滑輪軸上的合適位置，將定滑輪固定軸安裝在定滑輪支撐架上，微調(diào)原動(dòng)機(jī)構(gòu)底部支撐架、碳纖維管和定滑輪支撐架至合適，安裝重物。 小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總裝： 安裝繞線軸軸 承，將齒輪放入繞線軸，之后將繞線軸穿軸承座上軸承，調(diào)試到合適的位置。安裝微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸，把凸輪微調(diào)滑塊安裝在凸輪微調(diào)滑塊固定架調(diào)試，等凸輪微調(diào)滑塊功能可用后，把凸輪微調(diào)滑塊固定架安裝到微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸，之后將凸輪推桿滑塊安裝在凸輪微調(diào)滑塊固定架上，放入正弦凸輪柄，完成微調(diào)機(jī)構(gòu)的安裝。微調(diào)機(jī)構(gòu)安裝完成后，將推桿無螺紋的一側(cè)放入正弦凸輪柄上，在推桿有螺紋一側(cè)安裝轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向滑塊固定架和凸輪推桿滑塊，再在轉(zhuǎn)向滑塊固定架安裝搖桿。將導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊安裝在轉(zhuǎn)向輪車橋軸上并連接搖桿。 小車各機(jī)構(gòu)微調(diào)固定： 將小車的各個(gè)機(jī) 構(gòu)都安裝完畢后，微調(diào)各個(gè)機(jī)構(gòu)組件的位置，直至各個(gè)機(jī)構(gòu)可以正常并流暢的運(yùn)作，完成微調(diào)后將固定每一個(gè)軸承的位置，并鎖緊全部固定螺絲，驗(yàn)證小車是否能正常行駛，如果沒明顯問題，即完成對(duì)小車的裝配工作。 車的調(diào)試 軸承裝配問題：在軸承裝配時(shí)，軸承需要過盈配合。軸承 座上用于安裝軸承的 孔直徑需要比 軸承的直徑 少 右 ，但是即便是使用激光切割 工藝 加工 ，軸承 座 上 的 軸承孔仍然是會(huì)偏大 甚至每個(gè) 軸承孔的大小 都 不一， 使得 軸承都無法 使用原本 計(jì)劃 中的安裝方法 。 發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題后，我們可以采取半徑 補(bǔ)償?shù)?方法， 讓軸承可以固 定在 軸承 座 上 ，但是這樣可能會(huì)導(dǎo)致 軸承 上的軸 發(fā)生 偏心，影響小車的工作。 最好的方法 是對(duì) 軸承 座 重新 加工，并 要求在加工時(shí)，對(duì)加工 材料 進(jìn)行加工誤差補(bǔ)償。 推桿 自由度限制問題 ： 小車裝配 完成后， 發(fā)現(xiàn)小車 的正弦機(jī)構(gòu)并沒有 正常的 工作 。在小車測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu) 中 正弦 凸輪柄和 推桿 會(huì) 由于重力的作用 在 向前移動(dòng)的同時(shí)會(huì)下落 導(dǎo)致 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不能正常工作 。這個(gè) 問題發(fā)生的原因 是如果 需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正常的工作需要 限制推桿 左右 方向和豎直方向的自由度 ，而在轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu) 中的 設(shè)計(jì)中 ，轉(zhuǎn)向滑塊固定架并 不能有限的限制推桿 豎直 方向下的自由度 。解決 這個(gè)問題 需要 設(shè) 計(jì)專門用于限制推桿豎直方向的自由度 的 零件 。 小車的穩(wěn)定性問題：在小車的 調(diào)試過程中 ，發(fā)現(xiàn) 小車的 車身穩(wěn)定性并 不怎么理想 。由 于 小車的 車身穩(wěn)定性與小車的整體構(gòu)造及整個(gè)車的重心有 很多的 關(guān)系，如果要 要使小車的穩(wěn)定性得到良好的改進(jìn)，需要 調(diào)整小車 的 重心 的位置 ，而這需要 對(duì)小車上機(jī)構(gòu)的位置 進(jìn)行調(diào)整，把小車的重心集中在車體中間略微偏后的位置上， 同時(shí) 還 需要 令 重物和尼龍線保持垂直。通過 改進(jìn)后 ，小車的穩(wěn)定性得到良好的改進(jìn) 。 摩擦對(duì)小車 的影響問題 ：在 小車的行駛過程中， 車輪 與地面的 摩擦和 零件之間的摩擦對(duì)車的性有 很大的 影響。在 實(shí)際 調(diào)試中， 小車無法正常啟動(dòng)行駛，經(jīng)過 分析后是由于 車輪與地面的摩擦 系數(shù) 過大或繞線輪半徑過少。在計(jì)算繞線輪半徑 時(shí)， 由于 大部分 可以需要 進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)的 軸和 桿 都在 連接處 安裝 有軸承來盡可能減少摩擦， 因此是 按照理論狀態(tài)下的情況，對(duì)小車的對(duì) 繞線輪半徑進(jìn)行 計(jì)算 ， 導(dǎo)致 在 實(shí)際中 繞線輪半徑過少。 后 通過 加大繞線輪半徑好，小車可以順利啟動(dòng)并 行使 。 加工 誤差的問題： 在實(shí)際中由于存在加工 誤差 的影響，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)性能與實(shí)際表現(xiàn)之中存在差別，令 小車無法達(dá)到最優(yōu)性能。 而解決 這個(gè)問題的方法是 利用 小車的微調(diào)機(jī)構(gòu)的 對(duì)小車進(jìn)行微調(diào)。微調(diào) 機(jī)構(gòu)不僅能用于調(diào) 整 小車運(yùn)動(dòng) 軌跡的周期和半徑， 善用 微調(diào)機(jī)構(gòu)還能用于 來改善由于加工 誤差所導(dǎo)致 的問題。 5 結(jié)果評(píng)價(jià)分析 分析無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的成品，將小車 的實(shí)際性能與理論性能 作對(duì)比，并以此來尋找在小車的設(shè)計(jì)和制作過程中的由于設(shè)計(jì) 或加工等問題導(dǎo)致 的缺陷和問題，并通過 分析小車 成品的 缺陷和問題，改進(jìn) 小車的設(shè)計(jì)和制造 。 車設(shè)計(jì)結(jié)果 在經(jīng)過對(duì)小車的設(shè)計(jì)優(yōu)化、加工裝配和微調(diào)總結(jié)后，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)競(jìng)賽命題并達(dá)到預(yù)期性能需求的無碳小車。該無碳小車可以能依靠所給定重力勢(shì)能，能夠自動(dòng)啟動(dòng)前行，并在行駛的過程中自動(dòng)行駛出 S 型 軌跡，且在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行駛，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期。 車設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn) 小車設(shè)計(jì) 方案的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 小車 的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便高效 ， 零件 的幾何關(guān)系 簡(jiǎn)潔 明了，易于計(jì)算和仿真。 （ 2） 車身 使用 亞克力板為原理制作 ， 使得小車車身更加輕巧， 使用 齒輪和帶輪傳動(dòng)，能量 傳遞效率 高 且 能力損失少。 （ 3） 采用單輪 驅(qū)動(dòng) ， 不需要安裝 差速器， 減少 小車整體的質(zhì)量和成本， 同時(shí)具有 較大的驅(qū)動(dòng)輪， 使 小車行駛時(shí)效率 比較 高 、 能量 損失 小， 能夠在 比較粗糙地面行駛并行走更遠(yuǎn) 的距離。 （ 4） 微調(diào)機(jī)構(gòu) 和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用了正弦機(jī)構(gòu)的原理，可以減少 誤差并能 通過 調(diào)整 微調(diào) 機(jī)構(gòu)參數(shù)， 來實(shí)現(xiàn) 糾正 小車 的行駛軌跡 ，并 調(diào)節(jié)小車的行駛 的 周期和半徑， 有利于 小車適應(yīng)轉(zhuǎn)彎繞障 和 避開障礙物。 （ 5） 通過 對(duì) 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)的調(diào)整，使小車零件對(duì) 加工 精度 要求降 低 ，減少 小車的 加工 成本，并讓 小車更加易于 修改、 加工、安裝 及微調(diào) 。 （ 6） 由于用于制作 小車的 原材料價(jià)格比較低且 小車的 加工成本 不高， 可以讓小車整體造價(jià)保持 一個(gè) 比較低的 水平 ， 可以 在 確保小車的 性能達(dá)到 要求的同時(shí)控制 小車 的成本 。 小車設(shè)計(jì) 方案的缺點(diǎn)： （ 1） 由于在 設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮到 理論 和實(shí)際的區(qū)別 ，缺少 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，讓小車 理論性能 和實(shí)際性能有出入 。 （ 2） 小車的加工受到成本、 時(shí)間、加工技術(shù)和加工范圍的限制，導(dǎo)致小車的整體加工精度不高，出現(xiàn)了許多不該出現(xiàn)的加工誤差。 （ 3） 在不同的地面測(cè)試 時(shí) ，小車所行駛的距離波動(dòng)比較大，微調(diào)機(jī)構(gòu)微調(diào)滑塊 位置很難 把握準(zhǔn)確， 難以根據(jù)不同類型的地面進(jìn)行合適的微調(diào)，而且微調(diào)時(shí) 比較繁瑣 和 耗時(shí) 。 （ 4） 小車的 微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 的 轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直于地面，在工作時(shí)會(huì)受到 重力 加速度 的影響，使得 機(jī)構(gòu) 工作時(shí)精準(zhǔn) 度 收到影響。 （ 5） 對(duì)各種 機(jī)構(gòu) 認(rèn)識(shí)還不夠 全面 和 透徹，無法 根據(jù) 實(shí)際需要 設(shè)計(jì) 出 性能更好且 足夠簡(jiǎn)便的 機(jī)構(gòu)。 進(jìn)方向 （ 1） 加工精度和裝配精度是碳小車改進(jìn)的一個(gè)大方向之一。如果能 夠 找到更加合適的加工工藝可以提高小車零件的加工精度 并 減少后期的調(diào)試工作，也 可以讓小車現(xiàn)實(shí) 得到更好的運(yùn)動(dòng)效果 ， 同時(shí)控制小車的成本。 （ 2） 設(shè)計(jì)性能更加 良好的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu) ， 用于 提高 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的效率和穩(wěn)定性， 同時(shí)提高微調(diào)機(jī)構(gòu)的微調(diào)范圍，讓小車可以更大范圍的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期，提高小車在各種地面的適應(yīng)能力。 （ 3） 修改微調(diào) 機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使其 的 轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行于地面，減少重力對(duì) 微調(diào) 機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 工作時(shí) 的影響。 （ 4） 在設(shè)計(jì)階段對(duì)小車進(jìn)行更多的計(jì)算和仿真。通過更多 的 計(jì)算和仿真來 選擇更好的設(shè)計(jì)方案 和 參數(shù)， 令小車的理論性能得到提高。 （ 5） 改進(jìn) 機(jī)構(gòu)的 配合 的合理性 。 通過 使 機(jī)構(gòu)的 配合更加 合理， 使 小車更容易裝配并提高小車 零件 裝配時(shí) 裝配精度。 參考文獻(xiàn) [1] 顧曉勤 ，譚朝陽(yáng) 學(xué) [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2009. 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