精選無碳小車說明書張杭：“8〞字型無碳小車設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u304671引言 引言1.1小車功能設(shè)計要求給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物〔每間隔1米，放置一個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒〕。以小車前行距離的遠近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。給定重力勢能為4焦耳〔取g=10m/s2〕，用質(zhì)量為1Kg的重塊鉛垂下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。要求小車前行過程中完成的所有動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。1.2小車的設(shè)計思路小車的設(shè)計一定要做到目標明確，通過對命題的分析我們得到了比擬清晰開闊的設(shè)計思路。作品的設(shè)計需要有系統(tǒng)性標準性和創(chuàng)新性。設(shè)計過程中需要綜合考慮材料、加工、制造本錢等給方面因素。小車的設(shè)計是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計方法上我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)創(chuàng)造理論方法。采用了Inventor、UG、CAD等軟件輔助設(shè)計。下面是我們設(shè)計小車的流程〔如圖1〕圖12設(shè)計方案通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個局部進行模塊化設(shè)計〔車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)〕。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。下面為我們設(shè)計圖框〔圖2〕圖2在選擇方案時應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造本錢等各方面因素，同時盡量防止直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。如圖3圖32.1底板底板作為小車的主要支撐局部，承受著整車以及重物的重量，而且由于初始時重物較高，導(dǎo)致整車的重心較高。因此要求車架要具有較大的強度、重心較低，而且便于零件的安裝。我們通過考慮到上述要求外，還考慮到整車重量以及加工本錢等因素，最終采用整體底板，直接通過加工中心在鋁板上進行加工。2.2原動機構(gòu)原動機構(gòu)工作原理，重物塊下降的勢能通過定滑輪傳遞給繞線軸，繞線軸上的齒輪與傳動機構(gòu)的齒輪嚙合，推動整車前進。繞線軸設(shè)計為梯形狀，如圖4所示：1、小齒輪2、驅(qū)動輪3、大齒輪4、繞線軸5、重物6、定滑輪圖4原動機構(gòu)簡圖根據(jù)梯形原理，將繞線軸做成梯形以滿足：在起始時原動輪的轉(zhuǎn)動半徑較大，起動轉(zhuǎn)矩大，有利起動。起動后，繞線軸半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。當物塊距小車很近時，繞線軸的半徑再次變小，繩子的拉力缺乏以使原動輪勻速轉(zhuǎn)動，但是由于物塊的慣性，仍會減速下降，原動輪的半徑變小，總轉(zhuǎn)速比提高，小車緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車底盤2.3傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等。首先，在設(shè)計中考慮了齒輪和帶輪兩種方式。帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點，但其效率及傳動精度并不高，所以帶輪傳動不適合本本小車設(shè)計。而齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定的特點，并且齒輪價格適中。因此綜合實用性、經(jīng)濟性、可靠性等內(nèi)容，最終選擇齒輪傳動。如圖5重物2、連桿3、承重輪4、曲柄5、繞線輪6、大齒輪7、驅(qū)動輪8、小齒輪9、導(dǎo)向輪10、搖桿11、定滑輪圖5小車傳動機構(gòu)簡圖2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵局部，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要具有盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件易加工等根本條件。同時還需要有特殊的運動特性，能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)走固定“8〞字路線的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、不完全齒齒輪+曲柄搖桿機構(gòu)、槽輪機構(gòu)+搖桿等等。在綜合各種方案，從經(jīng)濟性，實用性、精確性等各方面考慮，我們曲柄搖桿傳動結(jié)構(gòu)，如圖6所示。1、重物2、連桿3、曲柄4、繞線輪、5、定滑輪6、搖桿7、導(dǎo)向輪圖6小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用空間曲柄搖桿機構(gòu)。繞線軸還直接和曲柄相連帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄再通過連桿〔連桿兩端的運動副為球鉸〕帶動搖桿前后擺動，由于前輪與搖桿固連為一體，小車前進時，前輪左右擺動就可實現(xiàn)周期性的“8〞字繞樁，以此類推，小車不斷地重復(fù)“8〞字，進行運動。如圖7所示：圖7小車的轉(zhuǎn)向軌跡示意圖2.5行走機構(gòu)行走機構(gòu)即為三個輪子，通過比照有機玻璃、鋁板、鋁塑板制作的輪子，有機玻璃強度、硬度適中，價格合理，重量輕，但是長時間承載重物車輪會發(fā)生變形并且加工過程中會產(chǎn)生大量的熱會然材料發(fā)生加工變形，不利于控制加工精度；摩擦力太大，車子行駛過程中會消耗很多能量。鋁板有良好的加工性能，以及適合的硬度，由于小車最后在乒乓球臺上運行，需要適當?shù)哪Σ亮?，適當?shù)挠捕?。因此選用6061鋁板來加工輪子。小車在轉(zhuǎn)彎的時候，為了防止兩個輪子的轉(zhuǎn)速不同而產(chǎn)生的純滾動現(xiàn)象，所以需要解決小車轉(zhuǎn)彎時的差速問題，因此需要添加差速驅(qū)動裝置，可以通過差速器、單向軸承或單輪驅(qū)動來實現(xiàn)差速?！?〕差速器涉及到最小能耗原理，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多齒輪進行嚙合，精度要求較高，因此不適合小車設(shè)計。〔2〕單向軸承使其中速度較大的輪子成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著實現(xiàn)差速，但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運動不準確。〔3〕單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，另一個為從動輪〔承重輪〕。從動輪與驅(qū)動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，傳動精度比利用單向軸承高，但前進速度不如差速器穩(wěn)定。綜合考慮到裝配、制作、結(jié)構(gòu)性等方面問題，擇優(yōu)選擇采用單輪驅(qū)動來解決差速問題。2.6調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)機構(gòu)在小車設(shè)計中是相當重要的機構(gòu)，可以滿足小車在不同場地以及不同情況下實現(xiàn)走8字路線。其次，前面確定了轉(zhuǎn)向采用空間曲柄搖桿方案，由于曲柄搖桿機構(gòu)對于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上調(diào)節(jié)機構(gòu)，對誤差進行修正。微調(diào)機構(gòu)用來調(diào)整裝配誤差以及使小車的運動軌跡更加精確穩(wěn)定，設(shè)計小車的調(diào)節(jié)裝置分為粗調(diào)和微調(diào)兩個局部，其中粗調(diào)機構(gòu)可以實現(xiàn)較大轉(zhuǎn)彎幅度的調(diào)整。在微調(diào)機構(gòu)中我們設(shè)計的是放大微調(diào)機構(gòu)，放大微調(diào)機構(gòu)采用杠桿原理。其功能是在進行微量調(diào)節(jié)時，在長杠桿一側(cè)調(diào)整一個較大刻度值，而在與搖桿相連的杠桿另一端就會得到一個較小的值。這樣就會保證微調(diào)的精確度從而使小車的運動軌跡更加精確。調(diào)節(jié)裝置如圖8所示：曲柄微調(diào)螺栓搖桿長度調(diào)節(jié)曲柄微調(diào)螺栓搖桿長度調(diào)節(jié)圖8曲柄搖桿機構(gòu)調(diào)節(jié)示意圖3技術(shù)設(shè)計3.1功能關(guān)系及驅(qū)動力分析通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走。設(shè)為重物的質(zhì)量，為重物下落的距離，為繞線軸的半徑，為小車受到的摩擦力，為小車驅(qū)動輪的半徑，為原動齒輪與驅(qū)動齒輪的傳動比，為小車的原動力矩，為小車受到的驅(qū)動力矩,為小車前進的距離。由能量守恒定律得： 由此可得小車運動的距離 克服運行阻力：〔如圖9受力分析〕車體運行阻力包括慣性阻力和靜阻力慣性阻力〔N〕=P0×a(小車啟動加速度)靜阻力一般包括根本阻力、彎道阻力、坡道阻力、氣流阻力等根本阻力(N)=P0gw式中：g重力加速度；w運行阻力系數(shù)，實驗得出經(jīng)驗數(shù)據(jù)，約0.01。F0＞P0(a+gw)地面對小車摩擦阻力Ff，F(xiàn)f=P0g×f〔摩擦系數(shù)〕不打滑條件F0＜Ff=P0g×f圖9驅(qū)動輪受力分析結(jié)論：為了增大小車行走距離，為了防止能量損失不打滑，在保證能夠驅(qū)動小車行走的前提下，F(xiàn)0越小越好。適當?shù)奶岣邫C械傳動效率，簡化無碳小車機構(gòu)設(shè)計能夠有效的使小車的行駛距離變遠。3.2小車軌跡的計算驅(qū)動輪半徑齒輪傳動比驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距驅(qū)動軸〔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)半徑搖桿長連桿長軸的繩輪半徑a、驅(qū)動：當重物下降時，驅(qū)動軸〔軸2〕轉(zhuǎn)過的角度為，那么有那么曲柄軸〔軸1〕轉(zhuǎn)過的角度小車移動的距離為〔以A輪為參考〕b、轉(zhuǎn)向：當轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動軸間的夾角為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為那么與滿足以下關(guān)：解上述方程可得與的函數(shù)關(guān)系式c、小車行走軌跡只有A輪為驅(qū)動輪，當轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時，如圖：那么小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為小車行走過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度當小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有3.3無急回特性曲柄搖桿機構(gòu)計算壓力角和傳動角選定在曲柄搖桿機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，傳動角是變化的，為了保證機構(gòu)正常工作，必須算出最小傳動角。如〔圖10〕圖10連桿機構(gòu)的壓力角和傳動角結(jié)論：轉(zhuǎn)向機構(gòu)的力不需要太大功率，為了更好的增大擺角，讓小車轉(zhuǎn)彎的軌跡飽滿，因此適當?shù)脑龃髩毫?。a曲柄長度b連桿長度c搖桿長度d機架長度根據(jù)的擺角，最小傳動角，根據(jù)查表計算出各構(gòu)件的相對長度a：24mmb：195mmc：40mmd：196mm3.4參數(shù)確定〔詳細尺寸見附圖〕曲柄長：24mm連桿：195mm搖桿：40mm機架：196mm；總傳動比：6驅(qū)動輪直徑：150mm表一齒輪設(shè)計參數(shù)齒輪名稱材質(zhì)模數(shù)齒數(shù)分度圓直徑內(nèi)孔直徑厚度齒輪16061鋁0.5120606mm5mm齒輪2黃銅0.520105mm5mm4小車調(diào)試及性能評估小車在制作過程中，由于加工精度以及裝配精度的影響，計算的理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間存在較大的差距，因此小車的調(diào)試在小車的運行中起著重要的作用。小車調(diào)試包括：小車的初始位置、車速的快慢、小車的平穩(wěn)性、小車前進的距離、小車的轉(zhuǎn)向幅度等等?！?〕小車整體穩(wěn)定性調(diào)試：通過小車在指定的平地上行走，經(jīng)過屢次試驗，發(fā)現(xiàn)小車在后半段，速度增大會導(dǎo)致小車在轉(zhuǎn)彎時由于離心力過大，小車出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象。改正措施：第二次設(shè)計小車時將底盤加寬，重心降低。〔2〕小車速度的調(diào)試：通過小車在指定平地上行走，經(jīng)過屢次試驗，發(fā)現(xiàn)小車在后半段，速度增大轉(zhuǎn)向不穩(wěn)。改正措施：將繞線軸車小了2mm，降低了速度、減小過大的驅(qū)動力，同時也增大了小車前進的距離。如果設(shè)備允許、并且精度可以到達要求，保證小車正常驅(qū)動的情況下，可以盡量將繞線軸車的越細越好?！?〕小車運行軌跡調(diào)試：通過小車在指定的平地上行走，經(jīng)過屢次試驗發(fā)現(xiàn)，小車的右轉(zhuǎn)角過大，左轉(zhuǎn)角小，這樣導(dǎo)致：a)、小車轉(zhuǎn)的“8〞字幅度太大；b)、小車在行走幾個周期后出現(xiàn)轉(zhuǎn)向偏差。糾正措施：調(diào)節(jié)了搖桿的長度，使左右轉(zhuǎn)向時搖桿帶動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過相同角度?！?〕小車繞“8〞字不同中心距運動時調(diào)試：通過調(diào)整粗調(diào)和微調(diào)機構(gòu)使小車能夠繞過不同中心距的“8〞字。通過屢次試驗記錄數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律。在不同中心距的“8〞字下運行記錄調(diào)整位置，并做好標記。這次“8〞字形小車設(shè)計符合畢業(yè)設(shè)計初衷的要求,經(jīng)過安排進度,進行了創(chuàng)新性小車設(shè)計，探討了提高小車運行圈數(shù)的方法，解決了小車運行的運動換向機構(gòu)驅(qū)動及周期性轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵性問題,提高了小車的運行精度,確定了小車的結(jié)構(gòu)參數(shù)及總體方案，本小車結(jié)構(gòu)合理,操作簡單,運行軌跡符合設(shè)計要求,經(jīng)計算，小車運行的總長度為L： 式中：L為小車運行總長度，i為齒輪傳動比，D為驅(qū)動輪直徑，為重物到地面的距離。小車理論上走過的8字圈數(shù)為：式中：l為校車運行一個圓的周長，R為小車繞8字時的半徑。這里，總傳動比i=6，驅(qū)動輪直徑D=150mm，小車運動軌跡半徑R=200mm，驅(qū)動軸b=8mm，代入公式求得小車運行的總長度為：小車運行的“8〞字時，運行的圈數(shù)為：5小車改良方法及評價分析5.1小車的改良方法〔1〕小車的尺寸設(shè)計偏大，在啟動時容易將障礙物撞到，改良小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計，比方把整個車的尺寸按比例縮小，這是可能會發(fā)生小車中心偏高，可以考慮為小車加上配重。〔2〕空間四桿機構(gòu)對加工精度要求很高，可以通過曲柄加上刻度，然后進行調(diào)節(jié)。〔3〕理論計算的各種參數(shù)得出的軌跡與實際運行軌跡存在較大差距，因此應(yīng)該在調(diào)試時，增多試驗的次數(shù)，按照控制變量法對參數(shù)進行逐個修改，在原有設(shè)計尺寸上根據(jù)場地進行適當修改。5.2小車優(yōu)點充分參考動力學(xué)原理、機械原理、機械設(shè)計等對小車進行設(shè)計，使小車整體布局更加合理，能量轉(zhuǎn)化效率大大提高。結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。〔3〕設(shè)計、制作了放大微調(diào)機構(gòu)，使微調(diào)更加精確。〔4〕采用了單輪驅(qū)動代替差速器。多齒輪嚙合組成的差速器由于自己制作的齒輪精度不高，所以差速器存在較大的摩擦系數(shù)、嚙合度不高。而單輪驅(qū)動摩擦系數(shù)較小，并且可以試想差速正好解決了這一問題?！?〕采用了大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠。5.3小車缺點〔1〕小車精度要求高，使得加工零件本錢高，以及微調(diào)各個機構(gòu)都很費時，穩(wěn)定性較差?！?〕摩擦力較大，傳動耗能太多?！?〕小車的啟動位置設(shè)計不合理，在啟動時容易撞竿。6局部裝配圖〔詳細見附圖〕驅(qū)動輪繞線輪承重輪連桿搖桿 驅(qū)動輪繞線輪承重輪連桿搖桿曲柄長度刻度曲柄長度刻度曲柄曲柄曲柄長度微調(diào)螺釘曲柄長度微調(diào)螺釘驅(qū)動輪安裝座驅(qū)動輪安裝座搖桿安裝孔，高度可調(diào)節(jié)搖桿安裝孔，高度可調(diào)節(jié)前叉前叉導(dǎo)向輪導(dǎo)向輪7結(jié)論通過這次畢業(yè)設(shè)計，在準備過程和方案設(shè)計過中我都學(xué)到和感受到了很多東西，了解了很多機械設(shè)計和機械傳動等相關(guān)知識。創(chuàng)新是最重要的，通過查看之前工程綜合訓(xùn)練競賽的作品，其實無碳小車很多東西都是一樣的，已經(jīng)是最優(yōu)的選擇了。例如：繞線軸的梯形設(shè)計、車盤的三角形設(shè)計等，這些已存在的最優(yōu)方案，可以在參數(shù)及外形上根據(jù)自身設(shè)計的需求，稍作調(diào)整即可。我需要的是在核心部位進行創(chuàng)新，發(fā)揮想象，更好地到達設(shè)計需求。例如：在小車的差速問題、小車的轉(zhuǎn)向問題以及小車的微調(diào)機構(gòu)等核心局部上進行創(chuàng)新，做到與眾不同。通過“8〞字形小車的設(shè)計我更加了解了機械原理，工程實踐的意義，更深刻地體會到書本學(xué)習(xí)與實際操作的不同與聯(lián)系，也讓我明白了將理論學(xué)習(xí)與實踐相結(jié)合的重要性。并且，在這次畢業(yè)設(shè)計中，了解并熟悉了對一項方案從頭到尾的設(shè)計流程，增強了自己在創(chuàng)新設(shè)計方面的能力。同時也提高了自己的綜合實踐創(chuàng)新以及實際操作動手能力。經(jīng)過近三個月的畢業(yè)設(shè)計，由資料的收集、方案的選擇比擬和論證，到設(shè)計與分析計算，再到圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學(xué)四年本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，有了一個系統(tǒng)的認識和利用，同時對設(shè)計的理解更加深刻和準確。畢業(yè)設(shè)計雖然到達了預(yù)期目標，但是由于經(jīng)驗知識水平的局限，設(shè)計難免有不到之處。致謝語為期一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了，回想選題時充滿迷茫，不知從何下手，從搜集資料、擇優(yōu)方案、設(shè)計制作、調(diào)試以及初稿到反復(fù)修正期間經(jīng)歷了喜悅、聒噪、痛苦和彷徨，設(shè)計的過程中心情是如此復(fù)雜。如今，伴隨著畢業(yè)設(shè)計最終成稿，心中充滿了喜悅，畢竟是自己點點滴滴制作完成的。在此，我要感謝母校為我提供了良好學(xué)習(xí)環(huán)境，使我能夠在此專心學(xué)習(xí)，陶冶情操。同時我還要衷心的感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)對我們實物制作的大力支持，特別是金工實習(xí)中心師傅的指導(dǎo)，最后特別要感謝的是我的導(dǎo)師錢利霞老師，從開始設(shè)計方案的選取、實物的制作以及在論文的設(shè)計和措辭等方面宋老師始