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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(jì)方法………………………………………………...4 第2章、 軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型與計(jì)算………………………………6 2.1 軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型………………………………….6 2.2 軌跡參數(shù)計(jì)算………………………………………….7 第3章、控制機(jī)構(gòu)選型與計(jì)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(jì)…………………...…………………12 3.3 凸輪的設(shè)計(jì)………………………………………...…13 第4章、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型與計(jì)算……………………………………16 4.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型………………..……………………….16 4.2 齒輪系的設(shè)計(jì)…………………….…………………..16 4.2 尺寸參數(shù)校核………………………..……………….17 第5章、動(dòng)力機(jī)構(gòu)選型與計(jì)算………………………………………19 5.1 繞繩輪安裝位置分析……………………………..….19 5.2 力分析…………………………………………..…….20 5.3 前輪轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算………………………...……23 5.4 彈簧勁度系數(shù)的計(jì)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(jì)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(jiǎn)介………………………………….……….….30 第7章、誤差分析及效率計(jì)算………………………….…………..31 7.1 誤差分析 ………………………………...……….31 7.1.1 設(shè)計(jì)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(dòng)效率的計(jì)算…………………………….…………32 7.2.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算……………...…………….32 7.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算…………………………..33 7.2.3 控制機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算……………………….….34 第8章、仿真分析………………….………………………..………35 第9章、綜合評(píng)價(jià)及改進(jìn)方案……………………..………………37 9.1 綜合評(píng)價(jià)………………………….…..…………..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(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽的競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車越障競(jìng)賽”。這次競(jìng)賽包含兩個(gè)競(jìng)賽項(xiàng)目。第一個(gè)項(xiàng)目與往屆競(jìng)賽相同，為小車走“S”形線路繞桿。競(jìng)賽項(xiàng)目二為小車走“8”字形線路繞桿。通過(guò)商量，我們選擇的競(jìng)賽項(xiàng)目為項(xiàng)目二。 1.2 功能分析 根據(jù)本次競(jìng)賽規(guī)定，競(jìng)賽項(xiàng)目二是小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)（長(zhǎng)1525mm、寬1370mm）上，繞相距一定距離的兩個(gè)障礙沿8字形軌跡繞行，繞行時(shí)不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺(tái)。障礙物為直徑20mm、長(zhǎng)200mm的2個(gè)圓棒，相距一定距離放置在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)的中線上。 小車是在重物下落所帶來(lái)的重力勢(shì)能的作用下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。因此，小車需具備能量轉(zhuǎn)換裝置、轉(zhuǎn)向控制裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。 1.3 設(shè)計(jì)方法 在小車的設(shè)計(jì)過(guò)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(gè)方面因素，以保證小車的設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際，削減理論與實(shí)際之間的差距。 小車實(shí)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(jì)時(shí)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(jì)的方法。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。 小車的設(shè)計(jì)方法是保證小車技術(shù)含量的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)方法上，我們?cè)陉P(guān)鍵部分采用參數(shù)化組合設(shè)計(jì)，以保證設(shè)計(jì)精度和方案的可行性。再設(shè)計(jì)流程上，我們循序漸進(jìn)步步為營(yíng)，同時(shí)兼顧全局。下面是我們的設(shè)計(jì)流程圖。 圖1-1 第2章、 軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型及其 計(jì)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(guò)商議，列舉了以下幾種軌跡： 1、雙紐線 2、互補(bǔ)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(diǎn)的曲率半徑為。 通過(guò)分析，雙紐線是所有曲線中經(jīng)過(guò)相同距離的倆個(gè)樁的路程是最短的， 同時(shí)雙紐線曲率又大變小再變大在變小，再回到出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程沒(méi)有曲率突變，所有路程都光滑過(guò)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(jì)的難度相當(dāng)大，通過(guò)繪圖計(jì)算，發(fā)現(xiàn)四桿機(jī)構(gòu)不能同時(shí)滿足轉(zhuǎn)向及時(shí)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(guò)復(fù)雜。 互補(bǔ)正弦曲線，相切圓，折線 正弦曲線可以用四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但是由于在端點(diǎn)處存在去兩次曲率突變。相切圓、“8”字折線可以很簡(jiǎn)答的實(shí)現(xiàn)，但是也存在曲率突變的問(wèn)題，這些問(wèn)題都會(huì)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(shí)現(xiàn)八字運(yùn)動(dòng)，我們最終確定小車的理論軌跡為倆段圓弧通過(guò)倆段公切線連接。這樣既保證了小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)性，又同時(shí)使得軌跡規(guī)律性強(qiáng)，易于控制。 針對(duì)這個(gè)想法，我們?cè)O(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(dòng)，其他倆輪從動(dòng) 方案二、后輪定時(shí)驅(qū)動(dòng)，前輪從動(dòng) 方案三、后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，前輪從動(dòng) 針對(duì)方案一，左輪與主動(dòng)軸通過(guò)鍵連接，后輪通過(guò)軸承與主動(dòng)軸相連，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)的差速，簡(jiǎn)單有效。 針對(duì)方案二，采用齒輪系分別驅(qū)動(dòng)左右后輪，其中用互補(bǔ)的的不完全齒輪定時(shí)驅(qū)動(dòng)左輪右輪。 針對(duì)方案三，通過(guò)在后輪主動(dòng)軸上安裝差速器來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。 通過(guò)分析，方案一不能實(shí)現(xiàn)軌跡圖（2-1），方案二不能實(shí)現(xiàn)軌跡圖（2-2），方案三則能實(shí)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(shí)控制難度較大，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的方式為方案一。 2.2 軌跡參數(shù)計(jì)算 理論軌跡的計(jì)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?yàn)橹睆綖?00mm的圓。 小車運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地尺寸：長(zhǎng)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+2c1500 ……..………………………………..(2-1) 2 (R+2c)1350…………………………………………..(2-2) R100+c ………………………………………….……..(2-3) 又小車轉(zhuǎn)彎時(shí)左輪曲率半徑滿足關(guān)系：= …………(2-4) 轉(zhuǎn)彎時(shí)，小車曲率半徑滿足 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： 圖2-1 由于左輪驅(qū)動(dòng)，右輪從動(dòng)，故需計(jì)算左輪有關(guān)參數(shù)，如圖粉色曲線所示。測(cè)量計(jì)算得：主動(dòng)輪一個(gè)周期走過(guò)的路程為 S=3219.23mm， 其中直線路程為：S=331.66*2=663.32mm, 弧線路程為：S1278.00*2=2556 第3章、 控制機(jī)構(gòu)選型及計(jì)算 3.1 控制機(jī)構(gòu)選型 根據(jù)小車運(yùn)動(dòng)的軌跡，可知小車前輪轉(zhuǎn)向?yàn)殚g歇運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的情況下，設(shè)小車驅(qū)動(dòng)輪的速率恒定為v，周期為T。忽略過(guò)渡階段，設(shè)小車走直線的時(shí)間為t，走弧線的時(shí)間為t。根據(jù)小車一個(gè)周期內(nèi)的軌跡可繪制出小車運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 表3-1 小車運(yùn)動(dòng)循環(huán)分析 0~ t t~ t+ t t+ t~2 t+ t 2t+t~2(t+ t) 小車啟動(dòng)，走直線，前輪轉(zhuǎn)角為0度。 由直線過(guò)渡到曲線，并走直線，前輪右轉(zhuǎn)度。 軌跡由弧線過(guò)渡到直線，前輪回轉(zhuǎn)度。 軌跡由直線再轉(zhuǎn)回到弧線，前輪左轉(zhuǎn)度。歷時(shí)t后回到起始點(diǎn)。 根據(jù)上表分析，由于tt,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(shí)現(xiàn). 令：T=60s，后輪半徑R=70mm,前輪R=20mm,左輪周長(zhǎng)C= 則：左輪一周期內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)為：r= 半個(gè)周期內(nèi)，走直線所需圈數(shù)：r= 走曲線所需圈數(shù)：r= 代入數(shù)據(jù)即可求得: r=7.3194r r=0.7541r r=2.9262r 根據(jù)以上計(jì)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(guò)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(shí)現(xiàn)理論軌跡所需控制簡(jiǎn)單，只需在必要的時(shí)候驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向即可，而不需考慮轉(zhuǎn)向這個(gè)過(guò)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(jiǎn)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(jì)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 由于=38.66，考慮到安裝，d10mm,則：=8.00mm。 圖3-1 3．2 放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由2.1可知，=8.00mm，推程過(guò)大，導(dǎo)致凸輪過(guò)渡區(qū)域過(guò)大，嚴(yán)重影響控制精度。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)放大機(jī)構(gòu)來(lái)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(jì)的方便，我們對(duì)整個(gè)控制機(jī)構(gòu)做了逐步分析計(jì)算以確定其大體尺寸參數(shù)。如圖所示; 圖3-3 設(shè)四桿長(zhǎng)度依次為：a,b,c,d，各桿的方向向量為： ，，，。根據(jù)幾何關(guān)系有： +=+……………………………………………………….(3-1) …………………………..(3-2) …………………………..(3-3) =…………………………………………………………...(3-4) b……………………………………………………….(3-5) ………………………………………………………..(3-6) ………………………………………………………..(3-7) 根據(jù)小車尺寸，考慮到安裝問(wèn)題，選定合適參數(shù)，令a=20mm,mm,又=38.66，可求得控制機(jī)構(gòu)各尺寸參數(shù)如下： b=30mm,c=84mm,=3.76mm,=4.08mm。 3.3 凸輪的設(shè)計(jì)： 凸輪推程為=3.76mm，回程=4.08mm，凸輪基圓半徑為，偏距e=0。T=60s,小車走直線所對(duì)應(yīng)凸輪的轉(zhuǎn)角為==36.88，走弧線所對(duì)應(yīng)的凸輪的轉(zhuǎn)角為=180=143.12。則推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下表所示： 表3-2 凸輪運(yùn)動(dòng)循環(huán)分析 序號(hào) 凸輪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角 推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律 1 0~36.88 如圖位置2所示，前輪轉(zhuǎn)角位0，推桿處于推程為的位置。 2 36.88~180 推桿由上升到+，之后保持遠(yuǎn)休 3 180~216.88 回程，通過(guò)圓弧過(guò)渡，回到位置，并保持休止 4 216.88~360 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(yùn)動(dòng)規(guī)律，為了提高精確度，減少過(guò)渡時(shí)間，并且保證過(guò)渡平滑減少?zèng)_擊，同時(shí)考慮到整體尺寸，設(shè)定凸輪基圓半徑mm,滾子半徑為7mm,則大圓弧半徑為，小圓弧半徑為，可設(shè)計(jì)圖輪輪廓曲線如下圖（3-4）所示： 圖3-4 根據(jù)以上設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)構(gòu)及計(jì)算 4.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型 重物下落產(chǎn)生的動(dòng)力需要經(jīng)過(guò)一定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)速后傳動(dòng)到凸輪以驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使前輪轉(zhuǎn)向。凸輪做整周定速運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)末端構(gòu)件能做整周圓周運(yùn)動(dòng)，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)前端也是整周運(yùn)轉(zhuǎn)構(gòu)件，所以，可以考慮使用帶輪、齒輪、鏈輪為傳動(dòng)主機(jī)構(gòu)。由于小車整體尺寸比較小，傳動(dòng)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(shì)，而且這倆種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)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(jì) 左輪轉(zhuǎn)速： 凸輪轉(zhuǎn)速： 總傳動(dòng)比為：7.3606 因此，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 考慮到小車整體尺寸以及加工精度和難度問(wèn)題，取齒輪的模數(shù)為m=1.5。標(biāo)準(zhǔn)齒輪,各齒輪參數(shù)如下表： 表4-1 齒輪參數(shù) 序號(hào) M Z Alpha(壓力角)/度 d/毫米 da/毫米 df/毫米 db/毫米 b（齒寬）/毫米 1 1.5 20 20 30.00 33.00 26.25 28.19 20 2 1.5 50 20 75.00 78.00 71.25 70.48 10 3 1.5 20 20 30.00 33.00 26.25 28.19 20 4 1.5 59 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Z=,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, 則，分度圓齒厚：s= 齒頂圓半徑 基圓半徑 齒頂圓壓力角： 則齒頂厚度：s 求得：， 代入式：得滿足齒厚條件條件。 所以，所有齒輪都不會(huì)有齒廓變尖的情況。整理設(shè)計(jì)后的齒輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如下圖所示： 圖4-1 第5章、 動(dòng)力機(jī)構(gòu)選型及計(jì)算 動(dòng)力機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的原動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其輸入能量為鐵塊下落所提供的重力勢(shì)能，輸出為驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。就機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)形式而言，用繞繩輪直接連接驅(qū)動(dòng)軸作為動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)最為簡(jiǎn)便，能量損耗最低。因此，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵在于繞繩輪的設(shè)計(jì)。 小車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為啟動(dòng)—穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)—停止三個(gè)階段，在啟動(dòng)階段，小車需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)推動(dòng)小車前進(jìn)，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段要求小車的加速度很小，即驅(qū)動(dòng)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(dòng)能逐漸減少的零，是自動(dòng)的過(guò)程。因此，需要初步計(jì)算出小車的啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩以及穩(wěn)定運(yùn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)力矩。 5.1 繞繩輪安裝位置的確定 理論上，繞繩輪安裝在任何一根軸上都能實(shí)現(xiàn)小車的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，但是，考慮到傳動(dòng)效率以及車體穩(wěn)定性問(wèn)題，把繞繩輪安裝在驅(qū)動(dòng)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(dòng)阻力矩為：，前輪轉(zhuǎn)向阻力矩為： 1、假設(shè)繞繩輪樁在齒輪2的輪軸上，重物下落通過(guò)繞繩輪產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩為，則傳遞到齒輪1所在輪軸上的力矩變?yōu)?，因此齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)存在扭矩改變的問(wèn)題，而 ，若果繞繩輪不安裝在驅(qū)動(dòng)輪輪軸上的話，會(huì)導(dǎo)致齒輪系傳力負(fù)荷過(guò)大，一方面會(huì)降低傳動(dòng)效率，另一方面會(huì)加速齒輪磨損，而且對(duì)齒輪的各方面性能 要求更高。因此，把繞繩輪安裝在驅(qū)動(dòng)輪輪軸最合適。 5.2 控制過(guò)程力分析 根據(jù)小車的軌跡，前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)一個(gè)周期共分為四個(gè)階段，只有在過(guò)渡階段存在力的改變， 轉(zhuǎn)向力矩的計(jì)算; 前輪轉(zhuǎn)向阻力矩為：。 摩擦系數(shù)：各構(gòu)件材料均采用5A05鋁合金，滑動(dòng)摩擦系數(shù)為：，與木板的滾動(dòng)摩阻系數(shù)：0.36/mm，摩擦圓半徑為，各構(gòu)件長(zhǎng)為：，轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)做力分想，析： 階段4： 圖5-1 過(guò)渡階段4，各構(gòu)件的狀態(tài)如圖（5-1）所示，對(duì)構(gòu)件分別做力分析 受力分析圖（5-3）如下 圖5-2-1 圖5-2-2 圖5-2-3 圖5-2-4 圖5-2-5 對(duì)構(gòu)件1有： ………………………………（5-1) 對(duì)構(gòu)件2有： ………………………………………………..(5-2) 對(duì)構(gòu)建3有： …………………………...(5-3) 對(duì)構(gòu)件4有： …………………………..(5-4) 對(duì)構(gòu)件5有： ………………………………………………(5-5) 聯(lián)立上述5式，求得： ………………………(5-6) 忽略摩擦的情況下： 同樣對(duì)各構(gòu)件分別做力分析可求得： …………………………(5-7) 其中： ………………………………………….………..….…(5-8) 代入數(shù)值得：=0.66mm…………………….................................(5-9) ……………………………………………………….(5-10) 5.3 前輪轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)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深為的圓柱。則，前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩為： ……………………(5-11) 積分得： ………………………………………(5-12) 其中：…………………………………………(5-13) 5.4 彈簧勁度系數(shù)的計(jì)算： 為了保證第二過(guò)渡階段彈簧能驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，其勁度系數(shù)與阻力矩滿足以下關(guān)系： ………………………………………………...…..(5-14) ………………...………………………………………..(5-15) 5.5 參數(shù)的獲?。? 在過(guò)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(lái)獲取特殊點(diǎn)參數(shù)，以求得最大的驅(qū)動(dòng)力矩。由于實(shí)際加工與裝配過(guò)程中會(huì)有較大的誤差，因此，這些理論計(jì)算的出的數(shù)據(jù)只能作為一個(gè)參考，實(shí)際繞繩輪的大小可能還需經(jīng)過(guò)一定的調(diào)整。如下圖(5-4)所示： 通過(guò)作一系列的輔助線，量取相應(yīng)的尺寸即可。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心到對(duì)應(yīng)位置滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離即連心線長(zhǎng)為，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。 圖5-3 測(cè)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) d 8.60 13.01 19.84 1.48 11.90 24.30 1.47 39.64 10.06 14.70 2.46 6.35 14.98 4.65 表5-2 階段二數(shù)據(jù) d 42.95 13.41 18.12 1.69 2.98 15.74 4.85 43.98 9.93 13.05 2.72 2.76 26.17 7.82 5.6 質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的確定： 通過(guò)三維造型，設(shè)計(jì)好零件并組裝成裝配圖之后，定義了各個(gè)零件的質(zhì)量屬性，通過(guò)proe分析測(cè)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(jì)算出，在加上鐵塊后，各個(gè)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(cè)得小車重心坐標(biāo)系在n處。對(duì)小車整體受力分析有： ……………………………………………………..(5-16) ………………………………………………………..(5-17) ………………………………………………………(5-18) 代入數(shù)值，求得： 代入式 :0.0003 Nm (R=0.089mm)……………………(5-19) ,第四過(guò)渡階段mm，第二過(guò)渡階段mm， k=24.32 N/m 左輪的滾動(dòng)摩阻：,代入數(shù)值：得8.13Nmm 第四階段：58.20Nmm 55.75Nmm 第二階段： 0.165N =72.06Nmm 68.56Nmm 因此，加在繞繩輪上的最大阻力矩為：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 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： 代入數(shù)據(jù)，解得： =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(jiǎn)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(guò)渡階段，因此，小車實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡將會(huì)與理論軌跡有一定的偏差，為了是小車盡可地能實(shí)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(wú)法改動(dòng)，因此，可以通過(guò)改變前輪轉(zhuǎn)角來(lái)調(diào)整小車的形勢(shì)軌跡。如圖所示： 圖6-1 控制前輪轉(zhuǎn)向的搖桿通過(guò)螺釘固定連接，但是螺釘相對(duì)于搖桿的位置式可調(diào)的，通過(guò)改變其相對(duì)位置來(lái)改變搖桿的長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)前輪的轉(zhuǎn)角 。 第7章、誤差分析及效率計(jì)算 7.1 誤差分析 7.1.1 設(shè)計(jì)誤差 在進(jìn)行小車的設(shè)計(jì)時(shí)，添加了一些理想化設(shè)計(jì)，如在假定小車做勻速運(yùn)動(dòng)的情況下完成整個(gè)軌跡，據(jù)此選定和似的參數(shù)，設(shè)計(jì)出了前輪轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)。實(shí)際中，小車不可能做完全的勻速運(yùn)動(dòng)，必定會(huì)有速度的波動(dòng)，此外，由于小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，不可能突變，過(guò)渡階段很關(guān)鍵地影響著小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，雖然，我們通過(guò)放大機(jī)構(gòu)來(lái)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(jì)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(shí)，采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)，涉及到許多的參數(shù)，如鋁合金與木板的滑動(dòng)摩擦因素以及滾動(dòng)摩阻系數(shù)等，在計(jì)算前輪的變形時(shí)，使用的尼龍?jiān)S用應(yīng)力也與現(xiàn)實(shí)存在一定的差距。因此，在繞繩輪的設(shè)計(jì)上存在一定的誤差，但是這個(gè)誤差可以通過(guò)更換繞繩輪來(lái)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(huì)導(dǎo)致小車運(yùn)動(dòng)的偏差，然而這個(gè)誤差是可以調(diào)節(jié)的。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們考慮到加工的問(wèn)題，使設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)程程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。 7.2 效率的計(jì)算 小車主體由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)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、 、，則小車整體的機(jī)械效率為： 7.2.1動(dòng)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(dòng)摩擦（或者存在極少量的滑動(dòng)摩擦，故可忽略不計(jì)），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(dòng)摩擦因數(shù)為f=0.14，滑輪半徑=22mm，滑輪與滑輪軸組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦圓曲率半徑為。 對(duì)滑輪受力分析如下圖(7-1)所示： 圖7-1 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心由平衡條件可得： ………………………………………….(7-1) ……………………………………………………..(7-2) 聯(lián)立可求得： T=……………………………………………...(7-3) 忽略摩擦的情況下，同理可求得： ……………………………………………….……(7-4) 又， ……………………………………………………….(7-5) 聯(lián)立 代入數(shù)據(jù)，求得：95.9%..............................................(7-6) 7.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算 查閱資料可知，8級(jí)精度的直齒圓柱齒輪在有席油潤(rùn)滑的情況下的傳動(dòng)效率為97%。由于，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩級(jí)齒輪副傳動(dòng)，因此，可計(jì)算出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總機(jī)械效率為： =94.1%............................................................(7-7) 7.2.3轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率的計(jì)算 過(guò)渡階段，前輪轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率可有式 計(jì)算可得。聯(lián)立式 有： ………………………………………………………(7-8) 取最大傳動(dòng)力矩位置的參數(shù)做計(jì)算，求得： =93.6%..................................................................................(7-9) 綜合式(7-6)、(7-7)、(7-9)可得： %..................................................................................(7-10) 第8章、仿真分析 通過(guò)對(duì)小車進(jìn)行機(jī)構(gòu)連接，我們對(duì)小車做了運(yùn)動(dòng)仿真分析。輸出了仿真動(dòng)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(guò)測(cè)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(jì)的角度38.66存在一定的誤差。在時(shí)間上，通過(guò)測(cè)量，過(guò)渡階段主要分配在小車走弧線的階段，過(guò)渡階段的時(shí)間為3.5秒，走直線的時(shí)間為6.02秒，走弧線的時(shí)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(guò)測(cè)量，小車前輪的最大加速度如圖第一個(gè)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(duì)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(gè)別位置加速度較大，大體變化不大，因此，小車在轉(zhuǎn)向時(shí)不會(huì)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(píng)價(jià)及方案改進(jìn) 通過(guò)對(duì)小車的設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)仿真分析，我們對(duì)小車做了整體的綜合評(píng)價(jià)，并提出了改進(jìn)方案。 9.1 綜合評(píng)價(jià) 9.1.1 不足處 1、小車主要由凸輪四桿機(jī)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及繞繩輪動(dòng)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(dòng)效率不夠高。 9.1.2 優(yōu)點(diǎn) 1、小車整體設(shè)計(jì)采用優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，控制精度高。 2、在進(jìn)行機(jī)構(gòu)或零件設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到加工與制造，因此零件相對(duì)簡(jiǎn)單，加工難度低，加工精度高，成本低。 3、小車運(yùn)動(dòng)過(guò)渡階段平穩(wěn)緩和，運(yùn)行穩(wěn)定性高。 9.2 方案改進(jìn) 針對(duì)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(jì)，使小車整體結(jié)構(gòu)盡可能的緊湊。 2、在保證實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的前提下，優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì). 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(jì)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(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社. 2003. 【5】徐紹軍，云忠. 工程制圖. 2版. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社. 2010. 第11章、附錄 附錄1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及裝配圖 11.1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)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 圖11-5