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無(wú)碳小車(chē),11/9/2019015-12-8,,目錄,,,,,,課題內(nèi)容,整體設(shè)計(jì)思路,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)及模擬仿真，設(shè)計(jì)一種無(wú)碳小車(chē)，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的能量是給定重力的重錘下落的勢(shì)能轉(zhuǎn)換來(lái)的機(jī)械能讓其行走及轉(zhuǎn)向的。給定重力勢(shì)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(lái)獲得，落差400±2mm，重塊落下后，能和小車(chē)一起運(yùn)動(dòng)并被小車(chē)承載，避免鉛垂從小車(chē)上掉落。圖1-1為小車(chē)示意圖。 圖1-1 無(wú)碳小車(chē)示意圖,課題內(nèi)容,小車(chē)運(yùn)動(dòng)要求： 小車(chē)在前行時(shí)能夠按照預(yù)定路線行走，自動(dòng)交錯(cuò)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個(gè)圓棒，沿直線間距1000mm擺放。如圖1-2,圖1-2 運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖,整體設(shè)計(jì)思路,圍繞無(wú)碳小車(chē)的命題要求，對(duì)命題進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析： ①無(wú)碳小車(chē)在整個(gè)行駛過(guò)程中，都是由重錘下落的重力勢(shì)能提供能量，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能利用這勢(shì)能，減少其它不必要結(jié)構(gòu)消耗能量。 ②因?yàn)樘峁┑哪芰坑邢?，要可能減少整個(gè)無(wú)碳小車(chē)的質(zhì)量，無(wú)碳小車(chē)越輕越好，因此盡可能使用輕質(zhì)材料構(gòu)成。 ③無(wú)碳小車(chē)按照“s”型路線行走，要有一定的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)按照一定的規(guī)律周期運(yùn)轉(zhuǎn)，并且穩(wěn)定可靠能及時(shí)響應(yīng)。 ④重錘下落牽動(dòng)繩子,繩子帶動(dòng)繩輪轉(zhuǎn)動(dòng),然后通過(guò)齒輪的傳動(dòng)按照一定轉(zhuǎn)動(dòng)比將轉(zhuǎn)速傳遞給車(chē)輪軸,帶動(dòng)小車(chē)行走。因此要設(shè)計(jì)好齒輪的參數(shù)及傳動(dòng)比,盡量減少齒輪數(shù)量減少能量損失。 ⑤無(wú)碳小車(chē)的車(chē)輪與地面的摩擦越小，小車(chē)行走的越遠(yuǎn)。,整體設(shè)計(jì)思路,基于上述考慮，得出無(wú)碳小車(chē)的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能時(shí)損失的能量少效 率就高；通過(guò)設(shè)計(jì)齒輪的傳動(dòng)比可以改變小車(chē)的初始速度，速度越快，小車(chē)能走得 越遠(yuǎn)；合理的設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠讓小車(chē)按近似于“S”型路線行走；微調(diào)機(jī)構(gòu)能 夠調(diào)節(jié)小車(chē)的轉(zhuǎn)向角度，讓無(wú)碳小車(chē)順利避過(guò)障礙物；合理的選材減輕整車(chē)質(zhì)量， 減少摩擦。因此完整的無(wú)碳小車(chē)應(yīng)當(dāng)包括車(chē)架、傳動(dòng)構(gòu)件、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車(chē)輪、重錘 架。下面簡(jiǎn)要考慮車(chē)架、傳動(dòng)構(gòu)件、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的選用。,整體設(shè)計(jì)思路,車(chē)架 車(chē)架承受的力不大，要求重量輕，加工簡(jiǎn)單，考慮到加工成本等，車(chē)架采用無(wú)機(jī)橡膠加工制作成正方形底板式，尺寸還要進(jìn)一步確定。 傳動(dòng)構(gòu)件 為了使小車(chē)行駛得更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)。 1.齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比精確、工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大。 2.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高。不適合本小車(chē)設(shè)計(jì)。 3. 鏈傳動(dòng)平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確,傳動(dòng)效率高，軸間距離適應(yīng)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(dòng)一般只能用作平行軸間傳動(dòng)，且其瞬時(shí)傳動(dòng)比波動(dòng)，傳動(dòng)噪聲較大。 帶輪傳動(dòng)精確度不高，不適合小車(chē)精確傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)由于制作不便，且制作成本高，故只用齒輪傳動(dòng)。,整體設(shè)計(jì)思路,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車(chē)能否按“S”的路線行走。一般能按特定規(guī)律運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿、齒帶槽、凹槽輪等。 凸輪機(jī)構(gòu)：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓設(shè)計(jì)計(jì)算麻煩，加工比較困難。 曲柄搖桿：優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力小，且面接觸方便潤(rùn)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(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往比較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所長(zhǎng)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。,整體設(shè)計(jì)思路,齒帶槽：通過(guò)在齒帶背后建立特定軌跡凹槽，凹槽連接搖桿，帶動(dòng)搖桿左右有規(guī)律擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：凹槽軌跡容易獲得，制作方便。缺點(diǎn)：如果小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)，齒條也要較長(zhǎng)，齒輪的增加消耗過(guò)多勢(shì)能。 凹槽輪：在輪子面部制作凹槽，凹槽連接搖桿，帶動(dòng)搖桿左右有規(guī)律擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)度。缺點(diǎn)：體積較大。參見(jiàn)圖2-1,圖2-1凹槽輪,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,軌道的設(shè)計(jì) 無(wú)碳小車(chē)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(chē)的行駛路徑不變，對(duì)路徑的研究設(shè)計(jì)，可以大概確定小車(chē)行走路程，初步斷定車(chē)輪的半徑，轉(zhuǎn)向輪的最大角度。 無(wú)碳小車(chē)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(wú)碳小車(chē)越出賽道，避免無(wú)碳小車(chē)與障礙物碰撞，擬定出一下路線圖參見(jiàn)圖3-1：,圖3-1小車(chē)行走路線示意圖,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,把此路線近似于余弦曲線，振幅為300mm，波長(zhǎng)2000mm，軌跡方程近似為： 用Mathematica數(shù)學(xué)軟件求解得s=2388.97mm 可知無(wú)碳小車(chē)行駛一個(gè)周期走過(guò)的路徑為2388.97mm，無(wú)碳小車(chē)的車(chē)輪也近似走了2388.97mm。,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,車(chē)輪尺寸的設(shè)計(jì) 由小車(chē)行走路線的軌跡及方案的初步計(jì)算可知，車(chē)輪半徑越大，小車(chē)走得越遠(yuǎn)，無(wú)碳小車(chē)行走一個(gè)半徑時(shí)，車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈速越小越好。這里設(shè)定車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)3圈，則可以計(jì)算出無(wú)碳小車(chē)的車(chē)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(wú)碳小車(chē)的車(chē)輪半徑后，根據(jù) ds= *d = (3-5) 其中齒輪2于齒輪1的傳動(dòng)比i=,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,可知齒輪1和齒輪2的傳動(dòng)比決定了無(wú)碳小車(chē)初始速度的大小，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)械原理》第七版180頁(yè)齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表確定齒輪1、齒輪2、齒輪3的模數(shù)為2。 無(wú)碳小車(chē)的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求高齒數(shù)越多越好，傳動(dòng)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(dòng)比為4。根據(jù)《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》第3版100頁(yè)各種常用傳動(dòng)比的適用齒數(shù),參見(jiàn)表3-1：,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可計(jì)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(jì)及參數(shù)選擇,轉(zhuǎn)向撥桿的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向撥桿的端面小球直徑10mm，桿長(zhǎng)60mm，桿直徑3mm，桿面有螺紋便于調(diào)節(jié)球面與凹槽輪的長(zhǎng)度，引起轉(zhuǎn)向軸的輕微偏轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)把轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)整合在一起，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、機(jī)構(gòu)輕巧、靈活方便。 凹槽輪的設(shè)計(jì) 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(shí)際的運(yùn)動(dòng)中無(wú)碳小車(chē)的轉(zhuǎn)向角度,參見(jiàn)圖3-2 為了便于設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)角度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,,在轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(guò)長(zhǎng)，太長(zhǎng) 會(huì)影響整體小車(chē)的車(chē)身變長(zhǎng)，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(jiàn)圖3-3。,圖3-3 凹槽中心距示意圖,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,轉(zhuǎn)向輪的設(shè)計(jì) 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(chē)轉(zhuǎn)彎的作用，轉(zhuǎn)向輪不應(yīng)過(guò)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(shí)際中可以通過(guò)選用購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)件用于小車(chē)的制作。軸承的選用標(biāo)準(zhǔn)參考《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社第133頁(yè)滾動(dòng)軸承的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。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(jì) 在整個(gè)無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)方案中，包括后車(chē)輪軸、繩輪軸、槽輪軸、轉(zhuǎn)向軸4跟軸(參見(jiàn)圖3-4至3-7)。根據(jù)無(wú)碳小車(chē)的選用的C6201軸承，這4根最大直徑應(yīng)該為12mm，便于裝配。因?yàn)闊o(wú)碳小車(chē)的動(dòng)力較小，軸承產(chǎn)生的扭矩較小，不再對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核。,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,車(chē)輪軸的尺寸見(jiàn)圖3-4 繩輪軸的尺寸見(jiàn)圖3-5,圖3-4 車(chē)輪軸尺寸,圖3-5 繩輪軸的尺寸,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,槽輪軸尺寸見(jiàn)圖3-6 轉(zhuǎn)向軸尺寸見(jiàn)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(jì)及參數(shù)選擇,槽輪軸尺寸見(jiàn)圖3-6 轉(zhuǎn)向軸尺寸見(jiàn)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(jì)及參數(shù)選擇,完成各種零件的裝配后得到了無(wú)碳小車(chē)的完整裝配圖,圖3-8無(wú)碳小車(chē)的完整裝配圖建模,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,完成各種零件的裝配后得到了無(wú)碳小車(chē)的完整裝配圖,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇,完成各種零件的裝配后得到了無(wú)碳小車(chē)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(yùn)動(dòng)算例，把動(dòng)畫(huà)模擬時(shí)間軸拉到20秒的位置。在無(wú)碳小車(chē)裝配體中，單擊虛擬馬達(dá)，彈出馬達(dá)類(lèi)型對(duì)話窗，選擇旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，然后單擊繩輪面，為繩輪軸添加一個(gè)虛擬馬達(dá)。虛擬馬達(dá)模擬重錘下落時(shí)牽動(dòng)繩子帶動(dòng)繩索轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，設(shè)定虛擬馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為30r/min。 然后按下從頭播放動(dòng)畫(huà)，觀察小車(chē)齒輪、車(chē)輪、凹槽輪、撥桿運(yùn)動(dòng)情況。輸出動(dòng)畫(huà)結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。 對(duì)于建立的無(wú)碳小車(chē)，在沒(méi)有考慮其它摩擦力、阻力、能量損失的情況下，加人虛擬馬達(dá)模擬運(yùn)動(dòng)時(shí)，繩輪能帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，引起齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2又帶動(dòng)齒輪1、齒輪3的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)1.5圈時(shí)，凹槽輪剛好轉(zhuǎn)過(guò)0.5圈，說(shuō)明齒輪1、齒輪2、齒輪3在齒數(shù)設(shè)計(jì)上符合擬定的運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)向要求。 對(duì)于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，凹槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，撥桿球面與凹槽面相切運(yùn)動(dòng)，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(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)。說(shuō)明設(shè)計(jì)的這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有一定的實(shí)用性，能夠帶動(dòng)小車(chē)有規(guī)律的轉(zhuǎn)向。同理可以通過(guò)邊凹槽輪上的凹槽路徑，設(shè)定出特定規(guī)律的路徑，讓無(wú)碳小車(chē)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,,