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S 形軌跡無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 針對第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽題目 設(shè)計(jì)一輛通過重力驅(qū)動(dòng) 的純機(jī)械結(jié)構(gòu)的無碳小車 且小車具有周期性越障功能 通過所學(xué)知識(shí) 設(shè)計(jì)并制 作該小車 參加比賽 設(shè)定不同的參數(shù) 借助工程軟件 MATLAB 對小車的軌跡進(jìn) 行仿真計(jì)算 通過分析 設(shè)計(jì)出一輛滿足比賽要求的小車 并且通過調(diào)試證明 小 車能夠穩(wěn)定行駛 具有較高的可靠性 關(guān)鍵詞 無碳小車 越障 軌跡 仿真 0 前言 本文針對第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽關(guān)于 S 形軌跡的要求 設(shè)計(jì)并制作了一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能 并且按照 S 形軌跡穩(wěn)定前行的無碳 小車 小車為三輪結(jié)構(gòu) 前輪為方向輪 后面一輪為驅(qū)動(dòng)輪 一輪為從動(dòng)輪 小車 具有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu) 以適應(yīng) 700 1300mm 間距的不同間距障礙物 1 小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文把小車的機(jī)構(gòu)分為 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 微調(diào)機(jī)構(gòu)與車身 除了軸承 螺栓螺母等標(biāo)準(zhǔn)件可以直接選用外 小車的其余部件均使用 LY102 鋁 合金制作 本文的設(shè)計(jì)目的是使小車各部分的尺寸協(xié)調(diào) 滿足強(qiáng)度要求 實(shí)現(xiàn)不同 距離的越障功能 下面是各個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1 1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用重物下落時(shí)的重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 從而驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)和轉(zhuǎn) 向的機(jī)構(gòu) 重物是 1kg 的標(biāo)準(zhǔn)砝碼 重物周圍是三根均布的鋼管 從而約束重物的 自由度 使重物直線下降 減少了能量損失 保證了小車重心的穩(wěn)定性 重物通過 尼龍線繞在小車的繩輪上 在下降的過程中 帶動(dòng)繩輪的轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換 在實(shí)際測試中 證明了該結(jié)構(gòu)簡單 能量轉(zhuǎn)化率高 成本低等特點(diǎn) 1 2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)部分是原動(dòng)機(jī)構(gòu)和小車主動(dòng)輪動(dòng)力傳遞的樞紐 本文設(shè)計(jì)的小車的傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)由后輪 一級齒輪 及其相關(guān)零件組成 由于小車具有轉(zhuǎn)向的功能 為不干擾 小車的轉(zhuǎn)向 后輪采用差速連接 小車的右后輪為主動(dòng)輪 左后輪為從動(dòng)輪 主動(dòng) 輪與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連 驅(qū)使小車的運(yùn)動(dòng) 從輪輪用軸承空套在后軸上 跟隨小車的運(yùn) 動(dòng) 為了適應(yīng)不同間距越障 同時(shí)增大小車行駛的距離 我們采用多組齒輪嚙合的 方式 將 700 1300mm 的間距大致分為三組 700 900mm 900 1100mm 1100 1300mm 分組后可根據(jù)不同障礙物間距 對應(yīng) 著不同組齒輪的嚙合 從而調(diào)整越障的幅度 與單組齒輪傳動(dòng)相比 這種傳動(dòng)方法 越過的障礙物更多 行走距離更遠(yuǎn) 下圖是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪分布圖 通過移動(dòng)后輪 軸上的齒輪組 則可以切換不同組齒輪的嚙合 圖 3 傳動(dòng)齒輪分布示意圖 根據(jù)本文設(shè)計(jì) 兩后輪輪距為 150mm 且后輪的直徑為 150mm 且保證小車 最逼近障礙物時(shí)的安全距離 即最小振幅為 200mm 下面是三組齒輪嚙合的具體 計(jì)算 在間距為 700 900mm 時(shí) 以滿足最大樁距 900mm 且軌跡曲線為余弦曲線 取 x 為小車軌道中心線位移 y 為小車偏離中心線位移 單位為 mm 則有 90cos 20 x 對弧長進(jìn)行積分得 mdydyf xss 201 800 通過計(jì)算 當(dāng)弧長為 2002mm 時(shí) 最大振幅是 330mm 此時(shí)樁距為 700mm 在間距為 900 1100mm 時(shí) 以滿足最大樁距 1100mm 則有 10cos 21xy 對弧長進(jìn)行積分得 mdydyf xss 23701 20 在間距為 1100 1300mm 時(shí) 以滿足最大樁距 1300mm 則有 130cos 2xy 對弧長進(jìn)行積分得 mdydyf xss 27461 260 因?yàn)槲覀兝镁€切割特種加工齒輪 齒輪的模數(shù)可以是非標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 故針對以 上三組數(shù)據(jù) 結(jié)合后輪的直徑與一個(gè)周期軌跡的弧長 得到三組不同的傳動(dòng)比 計(jì) 算得到 8 5 130 0 5 1 90 25 4 90 7 2 ixixix 1 3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車的關(guān)鍵機(jī)構(gòu) 是小車前進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)的重要保證 我們采用了空間曲柄連桿機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)了小車在行駛過程中 前輪左右周期性的轉(zhuǎn)動(dòng) 該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 穩(wěn)定性較高 連桿之間使用球鉸連接 摩擦阻力較小 方向輪叉 架與車身采用了推力球軸承和一對法蘭軸承 減小轉(zhuǎn)彎過程中的摩擦阻力 提高轉(zhuǎn) 軸的同軸度 保證了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性 圖 6 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖 下面是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的桿長設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)后輪輪距為 150mm 則取曲柄與車中心線距離為 且與轉(zhuǎn)向輪mf5 連接的擺桿長度也為 同時(shí)轉(zhuǎn)向輪間與后軸的距離為 根據(jù)小me5 b138 車運(yùn)動(dòng)軌跡 計(jì)算小車的最大轉(zhuǎn)角為樁距為 700mm 時(shí)的轉(zhuǎn)角 通過計(jì)算在樁距為 700mm 時(shí) 軌跡公式為 70cos 3xy 根據(jù)質(zhì)心處轉(zhuǎn)彎半徑與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系為 為前輪的轉(zhuǎn)角 tanr 根據(jù)小車軌跡在計(jì)算小車的曲率半徑為 y 5 12 得 轉(zhuǎn)角 此時(shí)對應(yīng)曲柄和連桿的最大合長度 93 0tan 0max43 maxl 通過計(jì)算得到最大合長度 且連桿長度 與曲柄長度 分別達(dá)l 1n 到各自的最大值 且根據(jù)長度關(guān)系 得 3 9522 nmnm8 32 5 0axax 同理計(jì)算小車在樁距為 1300mm 時(shí)的最小轉(zhuǎn)角 通過軌跡和曲率半徑公式 得 轉(zhuǎn)角 此時(shí)對應(yīng)曲柄和16 tn 0in1 連桿的最小合長度 minl 通過計(jì)算達(dá)到最小合長度為 且曲柄和連桿分別達(dá)到各自的最ml49 0in 小值 根據(jù)長度關(guān)系 得 49 10 9522 nmmnm04 9 45 9iin 綜上 連桿長度 曲柄長度 單位為 mm 5 832 為本文加工零件提供了參數(shù) 同時(shí)也為調(diào)試時(shí) 提供了連桿長度和曲柄長度的范圍 方便了后期的調(diào)試 圖 7 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維示意圖 1 4 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車柔性的體現(xiàn) 調(diào)整它能使小車能夠適應(yīng)不同的障礙物間距 無碳小車的微調(diào)主要體現(xiàn)在對曲柄長度和連桿長度的微調(diào) 曲柄的長度控制的是小 車行駛的周期即樁距 曲柄長度越長 周期越短 即適應(yīng)障礙物的間距越短 連桿 的長度控制的是方向輪左右轉(zhuǎn)角多少有關(guān) 根據(jù)軌跡對稱性 所以要調(diào)整連桿的長 度 使左右轉(zhuǎn)角盡可能相等 否則軌跡就會(huì)偏離賽道 這決定了小車?yán)@樁的情況 所以曲柄長度和連桿長度的調(diào)整恰當(dāng)與否是比賽時(shí)的關(guān)鍵 因?yàn)檐壽E線對兩者長度 非常敏感的 所以要精確的調(diào)試兩者的長度 本文使用的是類似絲杠的機(jī)構(gòu) 用帶 螺紋的的連桿和曲柄 并用螺母鎖死 調(diào)整時(shí)擰松螺母 旋轉(zhuǎn)螺栓 改變長度 這 樣可以比較精確的調(diào)整曲柄和連桿的長度 提高了小車的可靠性 1 5 車身 車身是一切機(jī)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的載體 其主要承受的是重物的壓力和地面對車輪 的反作用力 為了滿足強(qiáng)度 本文采用 3mm 鋁合金板 對不承受力且不影響強(qiáng)度 的地方 采取鏤空處理 2 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的小車的創(chuàng)新之處在于能適應(yīng)不同的間距 采用不同傳動(dòng)比的齒輪嚙 合 減小了行駛過程中的運(yùn)動(dòng)幅度 從而使小車行駛的距離更遠(yuǎn) 并且通過類似絲 杠的微調(diào)機(jī)構(gòu) 通過擰螺絲的方式調(diào)整曲柄和連桿長度 從而更加方便 精確地調(diào) 整小車的行進(jìn)間距 本文加工出了較高精度的零件 裝配后進(jìn)行了調(diào)試 實(shí)際應(yīng)用 結(jié)果表明 設(shè)計(jì)加工出的小車具有較高的穩(wěn)定性與可靠性 滿足比賽要求 參考文獻(xiàn) 1 王斌 無碳小車 的創(chuàng)新性設(shè)計(jì) J 山西大同大學(xué)學(xué)報(bào) 2012 2 2 楊明忠 朱家誠 機(jī)械設(shè)計(jì) M 武漢理工大學(xué)出版社 2013 3 白雪 唐鵬達(dá) 機(jī)械傳動(dòng)無碳小車的設(shè)計(jì)構(gòu)想 J 工業(yè)設(shè)計(jì) 2011 8 4 趙登峰 陳永強(qiáng) 鄧茂云 機(jī)械原理 M 西南交通大學(xué)出版社 2012 5 杜志強(qiáng) 基于 MATLAB 語言的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 M 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2011 118 120