無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明.doc

作品設(shè)計(jì)說(shuō)明書 摘要我們把小車的設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段：方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、制作調(diào)試。通過每一階段的深入分析、層層把關(guān)，是我們的設(shè)計(jì)盡可能向最優(yōu)設(shè)計(jì)靠攏。方案設(shè)計(jì)階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機(jī)器的構(gòu)成（原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) 五個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分別針對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過綜合對(duì)比選擇出最優(yōu)的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了帶輪軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用帶輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)采用雙輪驅(qū)動(dòng)。技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對(duì)方案建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，借助MATLAB分別進(jìn)行了能運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)而得出了小車的具體參數(shù)，和運(yùn)動(dòng)規(guī)律y以及確定凸輪的輪廓曲線；接著應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行了小車的實(shí)體建模和部分運(yùn)動(dòng)仿真。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等。小車大多零件是標(biāo)準(zhǔn)件，可以購(gòu)買，同時(shí)除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過手工加工出來(lái)。調(diào)試過程會(huì)通過微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律同時(shí)確定小車最優(yōu)的參數(shù)。 關(guān)鍵字： 無(wú)碳小車 參數(shù)化設(shè)計(jì) 軟件輔助設(shè)計(jì) 目錄摘要2一 緒論41.1命題主題41.2小車功能設(shè)計(jì)要求41.3小車整體設(shè)計(jì)要求51.4小車的設(shè)計(jì)方法6二 方案設(shè)計(jì)72.1車架82.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)82.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)82.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)92.5行走機(jī)構(gòu)10三 技術(shù)設(shè)計(jì)103.1建立數(shù)學(xué)模型113.2參數(shù)確定143.3零部件設(shè)計(jì)153.4小車運(yùn)動(dòng)仿真分析18四 小車制作調(diào)試及改進(jìn)204.1小車制作流程204.2小車調(diào)試方法204.3小車改進(jìn)方法20 五 評(píng)價(jià)分析215.1小車優(yōu)缺點(diǎn)215.2小車改進(jìn)方向21六 參考文獻(xiàn)22一 緒論1.1命題主題根據(jù)第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車越障競(jìng)賽”。命題與高校工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際操作能力和工程管理能力”四個(gè)方面的要求。1.2小車功能設(shè)計(jì)要求給定一重力勢(shì)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該自行小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的障礙物（間隔范圍在700-1300mm，放置一個(gè)直徑20mm、長(zhǎng)200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開障礙的多少來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。給定重力勢(shì)能為4焦耳（取g=10m/s2），競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（5065 mm，普通碳鋼制作）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)，不允許掉落。要求小車前行過程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計(jì)完成。1.3小車整體設(shè)計(jì)要求 小車設(shè)計(jì)過程中需要完成：結(jié)構(gòu)方案設(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)。命題中的工程管理能力項(xiàng)要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)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)以要求綜合運(yùn)用加工制造工藝知識(shí)的能力為主。1.4小車的設(shè)計(jì)方法小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，通過對(duì)命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設(shè)計(jì)思路。作品的設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。明確小車任務(wù)要求小車功能分析可行性方案確定方案分析評(píng)價(jià)建模分析初定參數(shù)參數(shù)優(yōu)化零部件設(shè)計(jì)選擇材料 確定尺寸分析評(píng)價(jià)總體設(shè)計(jì)加工制作調(diào)試改進(jìn)分析評(píng)價(jià)結(jié)束 二 方案設(shè)計(jì)為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)（車架 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) ）。行走機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三角形底板直齒傳動(dòng)帶輪傳動(dòng)彈簧儲(chǔ)能式繩輪式骨架式底板雙輪同步曲柄連桿凸輪搖桿雙輪差速無(wú)碳小車車架原動(dòng)機(jī)構(gòu)在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。2.1車架 車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加工成本等，車架采用塑料加工制作成三角式底板。2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重物的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)能。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1. 驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過大傾翻，或重物晃動(dòng)厲害影響行走。2. 到達(dá)終點(diǎn)前重物豎直方向的速度要盡可能小，避免對(duì)小車過大的沖擊。同時(shí)使重物的勢(shì)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)的動(dòng)能，如果重物豎直方向的速度較大，重物本身還有較多勢(shì)能未釋放，能量利用率不高。3.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，便于加工制作。2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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)向機(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。1.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)但其效率不是很高。2.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，不易加工制作。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下可優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，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。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪搖桿、曲柄連桿等等。凸輪搖桿：優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭?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)：凸輪輪廓加工比較困難。曲柄連桿：優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減??；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(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，發(fā)生自鎖的可能性增加。綜合上面分析我們選擇凸輪搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。2.5行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為： 對(duì)于相同的材料為一定值。而滾動(dòng)摩擦阻力 ： 所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)。雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，使小車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏差，但由于小車速度較小時(shí)，可以大大減小差速帶來(lái)的影響。雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。但差速器的構(gòu)造較為復(fù)雜，且由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確。綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)可調(diào)的尺寸，經(jīng)過加工和成本的綜合考慮我們選用雙輪同步驅(qū)動(dòng)。三 技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是完成詳細(xì)設(shè)計(jì)確定個(gè)零部件的的尺寸。設(shè)計(jì)的同時(shí)綜合考慮材料加工成本等各因素。3.1建立數(shù)學(xué)模型通過對(duì)小車建立數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)在輔助設(shè)計(jì)中的作用。因此，我們采用了Matlab軟件輔助設(shè)計(jì)。小車后輪直徑計(jì)算：function D2 =fD2(LC,n)%D2 小車后輪直徑%LC 小車行駛一個(gè)周期的路程%n 小車行駛一個(gè)周期，后輪轉(zhuǎn)的圈數(shù). %(確定n之后，也就確定了后輪軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為n:1)D2=LC/pi/n;End 推桿伸長(zhǎng)量計(jì)算：function Delta = fDelta(theta,yT)%yT 導(dǎo)向桿長(zhǎng)%Delta 凸輪的推桿伸長(zhǎng)量（假定伸長(zhǎng)為正，縮短為負(fù)）%theta 小車前輪轉(zhuǎn)角（假定左轉(zhuǎn)為正） Delta=yT*sin(theta);end小車路徑上某點(diǎn)的曲率半徑計(jì)算：function r = fr(x0,r0,l)%fr 求小車路徑上某點(diǎn)的曲率半徑%r0 零點(diǎn)處曲線的縱坐標(biāo)，r0-y/2>10,y為兩后輪間距%l 兩個(gè)障礙物間距，7001300 % fx01,fx02 分別為fx0的一階導(dǎo)，二階導(dǎo)fx01=r0*pi*sin(pi*x0/l)/l;fx02=r0*(pi2)*cos(pi*x0/l)/(l2);r=(1+(fx012)(3/2)/fx02;end小車前輪轉(zhuǎn)角計(jì)算: function theta = ftheta(r,x )%theta 小車前輪轉(zhuǎn)角（假定左轉(zhuǎn)為正）%r 小車路徑上某點(diǎn)的曲率半徑%x 前輪軸與后輪軸間距theta=atan(x/r);end小車行駛一個(gè)周期的路程計(jì)算：function LC = fLC(r0,l)%運(yùn)用第一類曲線積分，當(dāng)被積函數(shù)為1時(shí)，即求曲線長(zhǎng)度%r0 零點(diǎn)處曲線的縱坐標(biāo)，r0-y/2>10,y為兩后輪間距%l 兩個(gè)障礙物間距，7001300 %LC小車行駛一個(gè)周期的路程x0=sym(x0);%r0=sym(r0); l=sym(l); %使結(jié)果帶有r0和l這兩符號(hào)f=sqrt(1+r02*pi2*(sin(pi/l*x0)2/(l2);LC=int(f,0,2*l);LC=double(LC); %將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)值。結(jié)果帶有符號(hào)時(shí)不能使用end凸輪輪廓曲線繪圖:l=800; %兩個(gè)障礙物間距，7001300 r0=150; %零點(diǎn)處曲線的縱坐標(biāo)，r0-y/2>10,y為兩后輪間距x=200; %前輪軸與后輪軸間距yT=30; %yT 導(dǎo)向桿長(zhǎng)rj=10; %凸輪基圓半徑x1=72; %凸輪軸(軸1)與前輪軸水平間距x2=72; %軸1與軸2間距x3=48; %軸2與軸3間距x0=0;r=fr(x0,r0,l);theta=ftheta(r,x);maxDelta=fDelta(theta,yT); %maxDelta 推桿最大伸長(zhǎng)（或縮短）的量 maxDeltaxT=x1-rj-maxDelta; %xT凸輪的推桿長(zhǎng)度xT i=1;for alpha=0:0.0001:2*pix0=alpha*l/pi;r=fr(x0,r0,l); theta=ftheta(r,x);Delta=fDelta(theta,yT);TL=rj+maxDelta+Delta;n(i)=alpha;m(i)=TL;i=i+1;%hold on;%polar(alpha,TL); %描點(diǎn)法畫出凸輪輪廓%plot(x0,Delta); %查看Delta(推桿伸長(zhǎng)縮短量)隨x0變化而變化的情況%plot(x0,theta); %查看theta（前輪轉(zhuǎn)角）隨x0變化而變化的情況%hold off;endpolar(n,m);%axis equal; %描點(diǎn)時(shí)，使橫縱坐標(biāo)單位間距相等 3.2參數(shù)確定單位：mm前輪軸與后輪軸間距x=200導(dǎo)向桿長(zhǎng)x=30凸輪基圓半徑R=10凸輪軸(軸1)與前輪軸水平間距x=80軸1與軸2間距x=72軸2與軸3間距x=483.3零部件設(shè)計(jì)1.需加工的零件：a驅(qū)動(dòng)軸、傳動(dòng)軸b車輪c.軸承座d.底板e(cuò).凸輪2.可購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)件：內(nèi)圈10的深溝球軸承、7個(gè)不同彈性模量彈簧、M8方形內(nèi)六角螺栓3. 部分加工零件二維圖 3.4小車運(yùn)動(dòng)仿真分析為了進(jìn)一步分析本方案的可行性，我們利用了Solidworks進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。四 小車制作調(diào)試及改進(jìn)4.1小車制作流程4.2小車調(diào)試方法小車的調(diào)試是個(gè)很重要的過程，有了大量的理論依據(jù)支撐，還必須用大量的實(shí)踐去驗(yàn)證。小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容，如車速的快慢，繞過障礙物，小車整體的協(xié)調(diào)性等。（1）小車的速度的調(diào)試：通過小車在指定的賽道上行走，測(cè)量通過指定點(diǎn)的時(shí)間，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小車后半程速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動(dòng)軸，減小過大的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)也增大了小車前進(jìn)的距離。（2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個(gè)機(jī)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單，但損耗能量稍多，同時(shí)避障也不是很好，可以通過改變搖桿與凸輪的接觸實(shí)現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。4.3小車改進(jìn)方法1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化：為了提高能量的利用效率，在不影響使用條件的情況下，可以削減不必要的部分。2.機(jī)構(gòu)優(yōu)化：為了提高能量的轉(zhuǎn)換效率，在稍微增加成本的情況下，可以考慮使用齒輪傳動(dòng)。五 評(píng)價(jià)分析5.1小車優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）小車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制作方便；（2）采用塑料材質(zhì)，質(zhì)量較輕，有利于行駛較遠(yuǎn)的距離。 缺點(diǎn)： 小車精度要求高，使得加工零件成本高，由于差速的存在影響小車的繞彎以及能量的有效利用率。5.2改進(jìn)方向小車主要的缺點(diǎn)是精度要求非常高和存在差速問題，相信改進(jìn)小車的精度和差速問題，小車便能達(dá)到很好的行走效果。