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摘 要
通過對(duì)第二屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練參賽作品“無碳重力勢(shì)能小車”的分析。發(fā)現(xiàn)小車在設(shè)計(jì)方面存在不足。為了改進(jìn)小車的不足之處，對(duì)小車的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。通過每一階段的深入分析把設(shè)計(jì)盡可能向最優(yōu)設(shè)計(jì)靠攏。
根據(jù)小車功能要求，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) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。首先針對(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。確定的方案為：車架采用三角底板式、原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了錐形軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿、行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速、微調(diào)機(jī)構(gòu)采用微調(diào)螺母。然后對(duì)方案進(jìn)行理論分析，綜合考慮零件材料性能、加工工藝等，進(jìn)而得出了小車的具體參數(shù)，和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
關(guān)鍵字：工程訓(xùn)練；參賽作品；重力勢(shì)能小車；
Abstract
Based on the second national college engineering training entries" carbon-free gravitational potential energy car" analysis. Find cart in the design deficiencies. In order to improve the deficiency of the trolley car, a portion of the structure redesign. Through each phase of the in-depth analysis of the design as possible to move closer to optimal design.
According to the functional requirements of the trolley car, divided into frame, driving mechanism, a transmission mechanism, a steering mechanism, a walking mechanism, a fine adjustment mechanism of six modules, modular design. First, for each module performs multiple design, through comprehensive comparison and choose the optimal scheme of combination. Determining the scheme are: frame with triangular bottom plate type, motive mechanism adopts a conical shaft, the drive mechanism adopts gear, steering mechanism with crank rocker, walking mechanism driven by a single wheel to achieve differential, fine tuning mechanism by fine adjustment nut. Then the scheme theory analysis, considering the parts and materials properties, processing technology, and then the specific parameters, and movement rules.
Keywords:engineering training; entries; gravitational potential energy;
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1小車功能設(shè)計(jì)要求 1
1.2小車的設(shè)計(jì)方法 1
第2章 方案設(shè)計(jì) 2
2.1重塊支架 3
2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu) 3
2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4
2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 5
2.5行走機(jī)構(gòu) 6
2.6微調(diào)機(jī)構(gòu) 7
第3章 技術(shù)設(shè)計(jì) 8
3.1影響小車性能主要因素的分析 8
3.1.1能耗規(guī)律分析 8
3.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 10
3.1.3動(dòng)力學(xué)分析 14
第4章 典型零件的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 16
4.1 主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 16
4.2 主動(dòng)齒輪的強(qiáng)度校核 17
4.2.1齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
第五章 典型零件加工工藝的分析及編寫 20
5.1驅(qū)動(dòng)軸加工工藝分析 20
5.1.1零件結(jié)構(gòu)及其工藝性分析 20
5.1.2零件技術(shù)要求分析 20
5.2 驅(qū)動(dòng)軸加工工藝編寫 21
結(jié)論 22
致謝 23
附錄 24
參考文獻(xiàn) 299
Catalog
Chinese abstract I
Abstract II
First chapter Introduction 4
1.1 Car functional design repuirements 4
1.2 Car design method 4
The second chapter Scheme design 2
2.1 A heavy block bracket 3
2.2 Driving mechanism 3
2.3 Transmission mechansim 4
2.4 Steering mechansim 5
2.5 Walking mechansim 6
The third chapter Technical design 7
3.1 Analysis of the factors affecting the performance car 8
3.1.1 Energy dissipation analysis 8
3.1.2 Kinematic analysis 8
3.1.3 Dynamics analysis 14
The fourth chapter Typical part desgin and strength check 16
4.1 Driving gear desgin 16
4.2 Driving gear strength 17
3.1.3 Dynamics analysis 17
The fifth chapter Typical part machining analysis preparationof 20
5.1 Drive shaft processing technology analysis 20
5.1.1 Parts of the structure and process analysis 20
5.1.2 Technical requirements of 20
5.2 Drive axle processingpreparation 21
Conclusion 22
Thank 23
Appendix 24
Reference 29
0
第1章 緒論
1.1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（每間隔1米，放置一個(gè)直徑20mm、高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綜合評(píng)定成績(jī)。
給定重力勢(shì)能為5焦耳（取g=10m/s2），競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1kg的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，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。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為60×20 mm的實(shí)心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。
1.2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)命題的分析得到了比較清晰開闊的設(shè)計(jì)思路。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。
小車的設(shè)計(jì)是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)方法上考慮優(yōu)化設(shè)計(jì) 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法。
第2章 方案設(shè)計(jì)
通過對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。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)計(jì)（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) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。設(shè)計(jì)圖框如圖2-1
圖2-1 設(shè)計(jì)步驟
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)。
圖2-2 方案選擇
2.1重塊支架
車架不用承受很大的力，精度要求低。但考慮到重量以及小車轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力造成重塊晃動(dòng)從而使小車不穩(wěn)定等，重塊支架采用鋁合金制作成三角底板式。
2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)
原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來看繩輪最優(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，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。
2. 到達(dá)終點(diǎn)前重塊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)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。
3. 由于不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場(chǎng)地小車是需要的動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。
4. 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。
圖2-1-1 繞線軸
基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的錐形螺旋槽原動(dòng)機(jī)構(gòu)。如上圖可以通過改變繩子繞在繞線軸上不同位置來改變其輸出的動(dòng)力。
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. 不用其它額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。
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。不適合本小車設(shè)計(jì)。
3. 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。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(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，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的周期回?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：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄滑塊等等。
凸輪：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)：凸輪輪廓加工比較困難。
在本小車設(shè)計(jì)中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動(dòng)摩擦）因此不采用
曲柄連桿+搖桿
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，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；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。
在小車設(shè)計(jì)中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大，故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜。對(duì)于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調(diào)機(jī)構(gòu)來解決。
曲柄搖桿
結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但和凸輪一樣有一個(gè)滑動(dòng)的摩擦副，其效率低且急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)構(gòu)。
綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+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。
有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為
文獻(xiàn)[7]
對(duì)于相同的材料為一定值，滾動(dòng)摩擦阻力
文獻(xiàn)[7]
所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。
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)，單輪驅(qū)動(dòng)。
雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。
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實(shí)現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。但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，但影響有多大會(huì)不會(huì)影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。
單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為主動(dòng)輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與主動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動(dòng)精度比利用單向軸承高。
綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，采用單輪?qū)動(dòng)。
2.6微調(diào)機(jī)構(gòu)
一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿+滑塊方案，并且曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。
微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用微調(diào)螺母式如圖2-6-1
圖2-6-1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
第3章 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影響小車性能主要因素的分析
通過對(duì)小車的能耗規(guī)律、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)小車的優(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。
3.1.1能耗規(guī)律分析
為了簡(jiǎn)化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機(jī)理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，理想情況下認(rèn)為重塊的重力勢(shì)能都用在小車克服阻力前進(jìn)上。則有
文獻(xiàn)[1]
式中 ──為第i個(gè)輪子對(duì)地面的壓力
──為第i個(gè)輪子的半徑
──為第i個(gè)輪子行走的距離
──為小車總質(zhì)量
為了更全面的理解小車的各個(gè)參數(shù)變化對(duì)小車前進(jìn)距離的變化下面分別從1.輪子與地面的滾動(dòng)摩阻系數(shù)、2.輪子的半徑、3.小車的重量、4.小車能量轉(zhuǎn)換效率。四方面考慮。
由文獻(xiàn)[10]知道一般材料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。圖3-1-1為當(dāng)車輪半徑分別為（222mm，70mm）摩阻系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5.....mm時(shí)小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖。
由圖3-1-1可知滾動(dòng)摩阻系數(shù)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)影響非常顯著，因此在設(shè)計(jì)小車時(shí)也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。
同時(shí)可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進(jìn)的距離也提高一倍。因此應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，充分潤(rùn)滑。
圖3-1-2為當(dāng)摩阻系數(shù)為0.5mm，車輪半徑依次增加10mm時(shí)的小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖。
圖3-1-1
圖3-1-2
由圖3-1-2可知當(dāng)小車的半徑每增加1cm小車便可多前進(jìn)1m到2m。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮盡可能增大輪子的半徑。
圖3-1-3
3.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
涉及的物理量：
──驅(qū)動(dòng)輪半徑
──齒輪傳動(dòng)比
──驅(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距
──驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距
──驅(qū)動(dòng)軸（軸2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離
──曲柄軸（軸1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離
──曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑
──搖桿長(zhǎng)
──連桿長(zhǎng)
──繞線軸的半徑
圖3-1-4
a、驅(qū)動(dòng)：
當(dāng)重物下降dh時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸（軸2）轉(zhuǎn)過的角度為d，
則有
文獻(xiàn)[1]
則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過的角度
文獻(xiàn)[1]
小車移動(dòng)的距離為（以A輪為參考）
文獻(xiàn)[1]
b、轉(zhuǎn)向：
當(dāng)轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動(dòng)軸間的夾角為時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為
則與滿足以下關(guān)：
文獻(xiàn)[1]
解上述方程可得與的函數(shù)關(guān)系式
文獻(xiàn)[1]
c、小車行走軌跡
只有A輪為驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時(shí)，
則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為
文獻(xiàn)[1]
小車行走ds過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度
文獻(xiàn)[1]
當(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為時(shí)，有
d、小車其他輪的軌跡
以輪A為參考，則在小車的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，B的坐標(biāo)、C的坐標(biāo)
在地面坐標(biāo)系中，有
整理上述表達(dá)式有：
求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過設(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運(yùn)動(dòng)軌跡如圖
圖3-1-5
3.1.3動(dòng)力學(xué)分析
a、驅(qū)動(dòng)
重物以加速度向下加速運(yùn)動(dòng)，繩子拉力為，有
文獻(xiàn)[11]
產(chǎn)生的扭矩
文獻(xiàn)[11]
式中 ──考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)。
驅(qū)動(dòng)輪受到的力矩，曲柄輪受到的扭矩，為驅(qū)動(dòng)輪A受到的壓力，為驅(qū)動(dòng)輪A提供的動(dòng)力，有
文獻(xiàn)[11]
式中 ──考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)
文獻(xiàn)[11]
b、轉(zhuǎn)向
假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為，其大小可由赫茲公式求得
文獻(xiàn)[9]
由于b比較小，故
對(duì)于連桿的拉力，有
c、小車行走受力分析
設(shè)小車慣量為，質(zhì)心在則此時(shí)對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的慣量為
文獻(xiàn)[11]
小車的加速度為：
整理上述表達(dá)式得：
第4章 典型零件的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核
4.1 主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)
主動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)如圖4-1-1
圖4-1-1
4.2 主動(dòng)齒輪的強(qiáng)度校核
4.2.1齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
（1）按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪
（2）選用7級(jí)精度
（3）材料選擇。由參考文獻(xiàn)[9]表10—1選擇大齒輪材料為L(zhǎng)D6061鋁合金，硬度為280HBS，小齒輪材料為黃銅，硬度為280HBS
（4）選大齒輪齒數(shù)z1=120，小齒輪的齒數(shù)為z2=30
2． 按齒面強(qiáng)度設(shè)計(jì)
(1) 確定各式計(jì)算數(shù)字
試選載荷系數(shù)。
1） 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。
大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
2） 由參考文獻(xiàn)[10]查得，大齒輪做懸臂布置，選取齒寬系數(shù)。
3） 由參考文獻(xiàn)[10]查得，鋁合金的彈性影響系數(shù)
4） 由參考文獻(xiàn)[10]查得，按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限；大齒輪的接觸疲勞極限。
5） 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
6） 由參考文獻(xiàn)[10]查得，接觸疲勞壽命系數(shù)；
7） 計(jì)算接觸疲勞需用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1
（2）計(jì)算
1）試算大齒輪分度圓直徑d1t，代入中較小的值。
2）計(jì)算圓周速度v
3）計(jì)算齒寬
4）計(jì)算齒寬與齒高之比。
模數(shù)
齒高
5）計(jì)算載荷系數(shù)。
根據(jù)，7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)，直齒輪；
由參考文獻(xiàn)[9]查得使用系數(shù)；
由參考文獻(xiàn)[9]用插值法查得7級(jí)精度，大齒輪相對(duì)支撐為懸臂布置 。
由 ，，由參考文獻(xiàn)[10]查得；故載荷系數(shù)
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
7）計(jì)算模數(shù)
3．幾何尺寸計(jì)算。
表3 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算結(jié)果
名稱
符號(hào)
計(jì)算公式
小齒輪
大齒輪
模數(shù)
m
0.75
齒數(shù)
z
變位系數(shù)
x
嚙合角
分度圓直徑
d
中心距
a
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒輪寬度
B
B1=10
B2=4
第5章 典型零件加工工藝的分析及編寫
5.1驅(qū)動(dòng)軸加工工藝分析
驅(qū)動(dòng)軸是無碳小車的一個(gè)典型零件，它主要用來支承傳動(dòng)零部件，傳遞扭矩和承受載荷。該軸按給定的生產(chǎn)綱領(lǐng)600件/年，則生產(chǎn)批量為50件/月，生產(chǎn)類型屬于中批生產(chǎn)。而生產(chǎn)
類型的不同，則其工藝特征也不同，則該驅(qū)動(dòng)軸的工藝應(yīng)結(jié)合中批生產(chǎn)的工藝特征來考慮。
5.1.1零件結(jié)構(gòu)及其工藝性分析
該軸為細(xì)長(zhǎng)小臺(tái)階軸，由外圓柱面、螺紋和鍵槽組成，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但長(zhǎng)徑比L/d>12屬撓性軸，剛性差，工藝性差，加工時(shí)極易造成彎曲變形，但可以使用中心架來防止其變形，能夠保證以高生產(chǎn)率和低成本制造。
5.1.2零件技術(shù)要求分析
1. 尺寸精度
該軸的主要尺寸精度要求在幾處臺(tái)階軸處，即安裝軸承和安裝齒輪的部位，精度較高，均是6級(jí)精度，過渡配合。可通過在MG1320E高精度磨床上磨削加工，均能保證其要求。
2. 形狀與位置精度分析
該軸沒有形狀精度要求，只有3處階梯軸段對(duì)兩處基準(zhǔn)的徑向圓跳動(dòng)的要求，屬位置精度要求，精度較高，最高值為0.008mm，且該軸長(zhǎng)徑比比較大，屬細(xì)長(zhǎng)軸類零件，該徑向圓跳動(dòng)要求屬于加工關(guān)鍵，加工時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，可通過以兩端中心孔為工藝基準(zhǔn)（精基準(zhǔn)）和中心架來保證其圓跳動(dòng)的位置精度要求；兩處鍵槽的對(duì)稱度要求較高，為0.01mm，在普通銑床上很難保證，應(yīng)使用數(shù)控銑床來完成，但必須以兩端中心孔為工藝基準(zhǔn)再輔以千斤頂做輔助支撐。
3. 表面粗糙度分析
表面粗糙度最低值為Ra 1.6μm，要求不高，通過磨削可以保證。
4. 零件選材及熱處理分析
該軸雖屬臺(tái)階軸，但外圓直徑尺寸相差不大，且強(qiáng)度要求不高，毛坯選用棒料即可。該軸選用了比較常用的45圓鋼，切削性能良好，加工時(shí)不需采取特殊工藝措施，刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或YT類硬質(zhì)合金均可。選材合理。熱處理調(diào)質(zhì)硬度170-230HBS，容易達(dá)到。
5.2 驅(qū)動(dòng)軸加工工藝編寫
驅(qū)動(dòng)軸加工工藝卡片詳見附錄
結(jié)論
從對(duì)試制的樣品小車進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)來看小車的優(yōu)點(diǎn)：
（1）小車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，單級(jí)齒輪傳動(dòng)，損耗能量少。
（2）多處采用微調(diào)機(jī)構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物。
（3）采用大的驅(qū)動(dòng)輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)。
（4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過快。
小車的缺點(diǎn)：
（1） 小車精度要求高，使得加工零件成本高。
（2） 微調(diào)各個(gè)機(jī)構(gòu)都很費(fèi)時(shí)，避障穩(wěn)定性差，時(shí)而偏左，時(shí)而偏右。
小車需要的改進(jìn)方向：
（1） 小車最大的缺點(diǎn)是精度要求非常高，改進(jìn)小車的精度要求。
（2） 使調(diào)整簡(jiǎn)單，小車便能達(dá)到很好的行走效果。
致謝
為期近四個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，將近尾聲，大學(xué)生活也即將結(jié)束，畢業(yè)前的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對(duì)四年來所學(xué)知識(shí)的一次系統(tǒng)復(fù)習(xí)和綜合運(yùn)用。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，復(fù)習(xí)并運(yùn)用了以前所學(xué)過的知識(shí)，是在老師的帶指導(dǎo)下接觸和學(xué)習(xí)新知識(shí)的過程，更是將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到生產(chǎn)生活具體實(shí)踐的一次練習(xí)。其實(shí)知識(shí)并不難學(xué)，也并不是最重要的；重要的是知識(shí)的運(yùn)用，也就是說學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)遠(yuǎn)比知識(shí)本身更重要。只有通過不斷的練習(xí)，通過老師的指點(diǎn)和同學(xué)的幫助，才能將課本知識(shí)熟練的運(yùn)用到生產(chǎn)生活實(shí)踐中，為人類社會(huì)造福。在這一過程中，老師的指導(dǎo)非常重要，沒有老師的細(xì)心指導(dǎo)我不可能順利完成設(shè)計(jì)。
尤其是李光輝導(dǎo)師的科學(xué)研究精神，惜時(shí)如金的工作態(tài)度深深地影響了我，使學(xué)生受益匪淺。在此表示衷心感謝，并致以崇高的敬意。同時(shí)也感謝所有關(guān)心、支持和幫助過我的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)。由于學(xué)生水平有限，論文難免有不足和錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)各位專家、教授批評(píng)、指正，再次表示感謝。
附錄
后軸加工工藝卡
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