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無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書 學(xué) 院： 行知工學(xué)分院 班 級(jí)： 機(jī)械132班 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間： 2015 年 6 月 15 日 1.緒論 1.1小車的設(shè)計(jì)命題 設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。給定重力勢(shì)能為 4 焦耳（取 g=10m/s2），設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（￠5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來(lái)獲得，落差 4002mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。如圖1.1所示。 圖1.1 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(lái)源。 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。 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學(xué)生自主完成。 1.2小車的整體設(shè)計(jì)要求 小車設(shè)計(jì)過程需要完成：機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)成本分析和工程管理方案設(shè)計(jì)。命題中的工程管理項(xiàng)要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程計(jì)劃。設(shè)計(jì)能力項(xiàng)要求對(duì)參賽作品的設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項(xiàng)要求綜合運(yùn)用加工制造工藝的知識(shí)。 1.3小車的設(shè)計(jì)方法 在小車的設(shè)計(jì)方法上，我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)明理論方法。采用CAXA、SolidWorks2012等輔助軟件設(shè)計(jì)。 2.設(shè)計(jì)方案 2.1尺寸設(shè)計(jì) 由于小車實(shí)在平面上運(yùn)行，轉(zhuǎn)彎半徑較小，所以定小車的寬度為150mm，長(zhǎng)度為150mm，使其能擁有更佳的靈活性。如圖2.1所示。 圖2.1 2.2最大轉(zhuǎn)角 因?yàn)樾≤囬L(zhǎng)為150mm，當(dāng)繞過最大偏移距離為500mm的圓弧時(shí)能得到最大轉(zhuǎn)角，如圖3.2所示，即可得最大轉(zhuǎn)角位26.897.如圖2.2所示。. . 圖2.2 設(shè)曲柄長(zhǎng)度為10，已知最大轉(zhuǎn)角位26.897，由圖2.3所示可知可得最大偏移距離 圖2.3 偏移距離L=10 /tan（26.897）=19.71mm 2.3后輪直徑設(shè)計(jì) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等要求。 齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高。雖然在經(jīng)濟(jì)方面不是罪劃算，但還是優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。根據(jù)小車的前后輪尺寸和軌跡全長(zhǎng)的比例關(guān)系，通過計(jì)算選取一對(duì)傳動(dòng)比為1:5的齒輪來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。 軌跡設(shè)計(jì)出來(lái)之后，有軌跡可知，測(cè)得小車最大轉(zhuǎn)角為26.897，用CAXA軟件分析可知該軌跡一個(gè)周期的總長(zhǎng)度為3224.394mm，通過CAXA查詢得到各段弧線的長(zhǎng)度及總長(zhǎng)，如圖2.4 2.5所示。 圖2.4 圖2.5 知道各段弧線的長(zhǎng)度之后。可以算出凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)到每個(gè)地方的角度。 第 1 條曲線 ( 樣條 ) 的長(zhǎng)度: 6448.788 第 2 條曲線 ( 直線 ) 的長(zhǎng)度: 4800.000 總長(zhǎng)度: 11248.788 小車運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的長(zhǎng)度是3224.394mm，每運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，前輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)一次，假設(shè)取小車后輪的直徑為180-220mm，則車輪周長(zhǎng)為565.2-690.8mm，則小車后輪應(yīng)該在轉(zhuǎn)動(dòng)4.7-5.7圈時(shí)完成2.4m運(yùn)動(dòng)，所以取轉(zhuǎn)動(dòng)比為i=5。所以定后輪直徑為205mm。 計(jì)算過程為： 經(jīng)CAXA電子模板計(jì)算，小車行進(jìn)一個(gè)周期的周長(zhǎng)S=3224.394mm。 由于小車后輪和小齒輪同處于后輪軸上，所以后輪和大齒輪的傳動(dòng)比為n=5：1。小車行進(jìn)一個(gè)周期，小車后輪轉(zhuǎn)5圈。所以小車后輪周長(zhǎng) L=S/5=3224.394/5=644.8788nm 因此小車后輪直徑 D=644.8788/π=205.375 mm 即小車后輪直徑D=205mm 2.4四桿設(shè)計(jì) 知道這些數(shù)據(jù)后可以在caxa軟件中得出四桿的結(jié)構(gòu)，設(shè)基曲柄的長(zhǎng)度為10mm，連桿的長(zhǎng)度為90mm，求加速度A和速度V。 由公式H=acos?+√（bb-asin?（?）asin?（?）） v，a分別為H的一次求導(dǎo)和二次求導(dǎo)，解得如圖2.6所示 圖2.6 解得如圖2.7 2.8所示 圖2.7 圖2.8 2.5齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由前面的計(jì)算可知，小車的傳動(dòng)比為1:5，設(shè)兩個(gè)齒輪的模數(shù)為相同的1，小齒輪設(shè)計(jì)為齒數(shù)為22，大齒輪設(shè)計(jì)為齒數(shù)為110。兩齒輪的中心距設(shè)計(jì)為60mm，齒厚為相同的5mm。如圖2.9 2.10所示 圖2.9 圖2.10 2.6傳動(dòng)比計(jì)算 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等要求，如圖2.11所示。 圖2.11 即C滑輪/C后輪=（4*6）/（25*102.5）=106.77 因此滑塊下降400mm則小車前進(jìn)42400mm 2.7自由度計(jì)算 無(wú)碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊的形式做空間四桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)件圖如圖2.12所示 圖2.12 F=3*n-2*p1-p2=3*3-2*4=1 自由度為1， 2.8軸的設(shè)計(jì)分析 主軸需要裝有后輪，固定機(jī)架，轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，齒輪以及螺釘。如圖2.13 2.14所示。 對(duì)應(yīng)半徑及長(zhǎng)度從左到右分別3*7 5*16 6*26 7*10 6*76 5*16 3*7 圖2.13 圖2.14 副軸需要裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上,分別裝有曲柄，副軸支撐架2，副軸支撐架，轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，如圖2.15所示。 副軸半徑及長(zhǎng)度從左到右分別5*15 6*26 7*10 6*76 5*15 圖2.15 2.9軸承設(shè)計(jì)分析 主軸及副軸的滾動(dòng)軸承長(zhǎng)度14，內(nèi)徑10，外徑30，如圖2.16所示 圖2.16 前輪滾動(dòng)軸承長(zhǎng)度為3，內(nèi)徑為3外徑為10，如圖2.17所示。 圖2.17 3小車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)輪是直徑為205mm的圓輪，轉(zhuǎn)向輪是直徑為50mm的圓輪，該小車內(nèi)部采用了四桿機(jī)構(gòu)，從而控制小車的轉(zhuǎn)彎，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的周期性s字形運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)如下：重物下降時(shí)采用同軸雙線輪調(diào)速，由繞繩輪帶動(dòng)小車后軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的行進(jìn)。后軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度通過齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而魚眼的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)前輪擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的周期性旋轉(zhuǎn)。整體設(shè)計(jì)圖形如圖3.1所示。 圖3.1 3.2前輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車走s字形的路線。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦，而且結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。采用四桿機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)從動(dòng)件，從動(dòng)件作為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎的動(dòng)力靠四桿來(lái)進(jìn)行，利用凸輪的特性來(lái)對(duì)前輪的拐彎進(jìn)行分時(shí)段的過渡。具體設(shè)計(jì)如圖3.2 所示。 圖3.2 3.3連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎動(dòng)力的傳動(dòng)主要靠連桿機(jī)構(gòu)提供，利用杠桿原理將凸輪所提供的往復(fù)行程進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)前輪的運(yùn)動(dòng)。如圖3.3所示 圖3.3 3.4后輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 小車的兩個(gè)后輪通過轉(zhuǎn)軸連接，重物下降時(shí)因?yàn)椴捎猛S雙線輪調(diào)速，由繞繩輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)繼而后輪軸上的齒輪同時(shí)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車后軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3.4所示。 圖3.4 4.小車整體三維圖 4.1小車裝配圖 圖4.1 圖4.2 圖4.3 4.2小車爆炸圖 圖4.4 圖4.5 5.設(shè)計(jì)總結(jié) 為期一學(xué)期的課程設(shè)計(jì)終于結(jié)束了。期中在家已經(jīng)看過一個(gè)星期的視頻，查閱很多資料，都是無(wú)從下手。后來(lái)通過先確定小車的整體尺寸，畫零部件，設(shè)計(jì)路徑，設(shè)計(jì)凸輪，慢慢找到了方向。在小車的裝配中，出現(xiàn)了很多問題，總是過定義，在慢慢摸索中，終于探究出出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因。在整個(gè)小車的設(shè)計(jì)里，抓住功能實(shí)現(xiàn)的核心：1.要實(shí)現(xiàn)行走路程最遠(yuǎn)；2.避開障礙多。要想實(shí)現(xiàn)功能1，要減少內(nèi)部摩擦損耗，減少與地面摩擦損耗，可根據(jù)不同的地面調(diào)整驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。功能2的實(shí)現(xiàn)，要保證加工裝配精度，對(duì)小車行走影響較靈敏的部件尺寸可微調(diào)。從這兩個(gè)方面著手，設(shè)計(jì)的小車才會(huì)更好。在設(shè)計(jì)凸輪和裝配小車的過程中，讓我不斷溫習(xí)了這學(xué)期學(xué)習(xí)的《機(jī)械原理》課程，在錯(cuò)誤中讓我學(xué)習(xí)了之前我沒學(xué)好的知識(shí)。在這個(gè)課程設(shè)計(jì)中，我還是受益匪淺的。