无碳小车说明书

目录1引言..................................................................11.1小车功能设计要求.................................................11.2小车设计思路.....................................................12设计方案..............................................................22.1底板.............................................................32.2原动机构.........................................................42.3传动机构.........................................................42.4转向机构.........................................................52.5行走机构.........................................................62.6调节机构.........................................................63技术设计..............................................................73.1功能关系及驱动力矩分析...........................................73.2小车轨迹计算.....................................................83.3无急回特性曲柄摇杆机构分析.......................................93.4相关参数确定....................................................104小车调试及性能评估...................................................115小车改进方法及评价分析...............................................125.1小车的改进方法..................................................135.2小车优点........................................................135.3小车缺点........................................................126部分装配图...........................................................137结论.................................................................15致谢语.................................................................15参考文献...............................................................16附图2015届机械设计制造及其自动化专业毕业设计说明书11引言1.1小车功能设计要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的重块铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。1.2小车的设计思路小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。作品的设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法。采用了Inventor、UG、CAD等软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程（如图1）图1张杭：“8”字型无碳小车设计2设计方案通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。下面为我们设计图框（图2）图2在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。如图32015届机械设计制造及其自动化专业毕业设计说明书3图32.1底板底板作为小车的主要支撑部分，承受着整车以及重物的重量，而且由于初始时重物较高，导致整车的重心较高。因此要求车架要具有较大的强度、重心较低，而且便于零件的安装。我们通过考虑到上述要求外，还考虑到整车重量以及加工成本等因素，最终采用整体底板，直接通过加工中心在铝板上进行加工。2.2原动机构原动机构工作原理，重物块下降的势能通过定滑轮传递给绕线轴，绕线轴上的齿轮与传动机构的齿轮啮合，推动整车前进。绕线轴设计为梯形状，如图4所示：张杭：“8”字型无碳小车设计1、小齿轮2、驱动轮3、大齿轮4、绕线轴5、重物6、定滑轮图4原动机构简图根据梯形原理，将绕线轴做成梯形以满足：1．在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。2．起动后，绕线轴半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。3．当物块距小车很近时，绕线轴的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车底盘2.3传动机构传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单、重量轻等。首先，在设计中考虑了齿轮和带轮两种方式。带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点，但其效率及传动精度并不高，所以带轮传动不适合本本小车设计。而齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定的特点，并且齿轮价格适中。因此综合实用性、经济性、可靠性等内容，最终选择齿轮传动。如图52015届机械设计制造及其自动化专业毕业设计说明书51、重物2、连杆3、承重轮4、曲柄5、绕线轮6、大齿轮7、驱动轮8、小齿轮9、导向轮10、摇杆11、定滑轮图5小车传动机构简图2.4转向机构转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要具有尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件易加工等基本条件。同时还需要有特殊的运动特性，能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现走固定“8”字路线的功能。能实现该功能的机构有：曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、不完全齿齿轮+曲柄摇杆机构、槽轮机构+摇杆等等。在综合各种方案，从经济性，实用性、精确性等各方面考虑，我们曲柄摇杆传动结构，如图6所示。1、重物2、连杆3、曲柄4、绕线轮、5、定滑轮6、摇杆7、导向轮图6小车转向机构简图张杭：“8”字型无碳小车设计转向机构采用空间曲柄摇杆机构。绕线轴还直接和曲柄相连带动曲柄旋转，曲柄再通过连杆（连杆两端的运动副为球铰）带动摇杆前后摆动，由于前轮与摇杆固连为一体，小车前进时，前轮左右摆动就可实现周期性的“8”字绕桩，以此类推，小车不断地重复“8”字，进行运动。如图7所示：图7小车的转向轨迹示意图2.5行走机构行走机构即为三个轮子，通过对比有机玻璃、铝板、铝塑板制作的轮子，有机玻璃强度、硬度适中，价格合理，重量轻，但是长时间承载重物车轮会发生变形并且加工过程中会产生大量的热会然材料发生加工变形，不利于控制加工精度；摩擦力太大，车子行驶过程中会消耗很多能量。铝板有良好的加工性能，以及适合的硬度，由于小车最后在乒乓球台上运行，需要适当的摩擦力，适当的硬度。因此选用6061铝板来加工轮子。小车在转弯的时候，为了避免两个轮子的转速不同而产生的纯滚动现象，所以需要解决小车转弯时的差速问题，因此需要添加差速驱动装置，可以通过差速器、单向轴承或单轮驱动来实现差速。（1）差速器涉及到最小能耗原理，结构较复杂，多齿轮进行啮合，精度要求较高，因此不适合小车设计。（2）单向轴承使其中速度较大的轮子成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着实现差速，但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确。（3）单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，另一个为从动轮（承重轮）。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，传动精度比利用单向轴承高，但前进速度不如差速器稳定。综合考虑到装配、制作、结构性等方面问题，择优选择采用单轮驱动来解决差速问题。2.6调节机构调节机构在小车设计中是相当重要的机构，可以满足小车在不同场地以及不同情况下实现走8字路线。其次，前面确定了转向采用空间曲柄摇杆方案，由于曲柄摇杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上调节机构，对误差进行修正。微调机构用来调整装配误差以及使小车的运动轨迹更加精确稳定，设计小车的调节装置分为粗调和微调两个部分，其中粗调机构可以实现较大转弯幅度的调整。在微调机构中我们设计的是放大微调机构，放大微调机构采用杠杆原理。其功能是在进行微量调节时，在长杠杆一侧调整一个较大刻度值，而在与摇杆相连的杠杆另一端就会得到一个较小的值。这样就会保证微调的精确度从而使小车的运动轨迹更加精确。调节装置如图8所示：2015届机械设计制造及其自动化专业毕业设计说明书7图8曲柄摇杆机构调节示意图曲柄微调螺栓摇杆长度调节张杭：“8”字型无碳小车设计3技术设计3.1功能关系及驱动力分析通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走。设0m为重物的质量，h为重物下落的距离，0d为绕线轴的半径，f为小车受到的摩擦力，R为小车驱动轮的半径，i为原动齿轮与驱动齿轮的传动比，1M为小车的原动力矩，M为小车受到的驱动力矩,S为小车前进的距离。001gdmM由能量守恒定律得：由此可得小车运动的距离克服运行阻力：（如图9受力分析）车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力惯性阻力（N）=P0×a(小车启动加速度)静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流阻力等基本阻力(N)=P0gw式中：g重力加速度；w运行阻力系数，实验得出经验数据，约0.01。F0＞P0(a+gw)地面对小车摩擦阻力Ff，Ff=P0g×f（摩擦系数）不打滑条件F0＜Ff=P0g×f2015届机械设计制造及其自动化专业毕业设计说明书9图9驱动轮受力分析结论：为了增大小车行走距离，为了避免能量损失不打滑，在保证能够驱动小车行走的前提下，F0越小越好。适当的提高机械传动效率，简化无碳小车机构设计能够有效的使小车的行驶距离变远。3.2小车轨迹的计算驱动轮半径齿轮传动比驱动轮A与转向轮横向偏距驱动轮B与转向轮横向偏距驱动轴（轴2）与转向轮中心距离曲柄轴（轴1）与转向轮中心距离曲柄的旋转半径摇杆长