無碳越障小車設(shè)計(jì)

攀枝花學(xué)院Panzhihua University本科畢業(yè)設(shè)計(jì)無碳越障小車設(shè)計(jì)題 目： 無碳越障小車設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 2010 級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 4 班 指導(dǎo)教師： 職 稱： 實(shí)驗(yàn)師 年五月攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要摘 要目前全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，帶來環(huán)境問題愈發(fā)明顯，傳統(tǒng)能源逐漸衰竭，鑒于此無碳小車的研制具有十分重要的意義。針對(duì)題目要求擬定了無碳越障小車的總體設(shè)計(jì)方案，通過計(jì)算分析完成了無碳越障小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制了裝配圖和部分主要零件圖，通過 pro/E 模擬仿真驗(yàn)證了預(yù)定功能，并制作出了實(shí)體樣機(jī)，通過實(shí)體樣機(jī)的演示達(dá)到了規(guī)定功能。關(guān)鍵詞：無碳越障小車；環(huán)保；機(jī)械設(shè)計(jì)攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） AbstractIAbstractNowadays, the global economy developing rapidly ,brings increasingly obvious environment problems and the traditional energy is going to failure gradually. So the development of carbon-free car is great significance. Studying out the scheme design based on the requirments if this subject, finishing the physical design of the carbon-free car by computational analysis ,drawing the assembly drawing and part of the main parts drawing, vertify the reservation function by pro/Es simulation and making the physical prototype, finally reached the required function by the entity prototype presentation. Key words ：carbon-free car, environmental protection ,machine design攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄II目 錄摘 要 .IAbstractII目 錄 III1 任務(wù)分析 11.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目分析 .11.2 無碳越障小車的設(shè)計(jì)要求 .11.3 無碳越障小車的原理分析 .32 無碳越障小車方案設(shè)計(jì) 52.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 52.1.1 滑輪的設(shè)計(jì) 52.1.2 繞繩輪的設(shè)計(jì) 62.1.3 重物支撐架的設(shè)計(jì) 72.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 72.2.1 齒輪的設(shè)計(jì) 72.2.2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 92.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .102.4 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .122.4.1 行走機(jī)構(gòu)方案的選擇 122.4.2 后輪尺寸的計(jì)算 132.5 微調(diào)機(jī)構(gòu)的選擇 .132.6 無碳越障小車的總體設(shè)計(jì) .142.7 無碳越障小車部分零件設(shè)計(jì) .152.7.1 無碳越障小車的底板設(shè)計(jì) 162.7.2 無碳越障小車支架的設(shè)計(jì) 163 無碳越障小車的制作 183.1 三維模型的建立與運(yùn)動(dòng)仿真 .183.2 部分零件的工藝 .193.2.1 前輪叉架的工藝 203.2.2 前輪的工藝 213.2 無碳越障小車的裝配與調(diào)試 .214 題目的成果及意義 234.1 題目的完成情況 .234.2 題目的創(chuàng)新 .234.3 改進(jìn)方向 .23結(jié)論 25參考文獻(xiàn) 26致謝 27附錄 28攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 任務(wù)分析01 任務(wù)分析1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目分析本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主題為“無碳越障小車” 。要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在完成一套符合本命題要求的可運(yùn)行裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)爭性運(yùn)行考核。設(shè)計(jì)的作品要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理報(bào)告。小車設(shè)計(jì)過程中需要完成：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?！盁o碳越障小車，顧名思義，意思就是能以 S 形軌跡繞過一排間距可調(diào)的障礙物并且能節(jié)約能源的小車。該題目為全國第三屆大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽題目，小車前進(jìn)的動(dòng)力直接由重物下落過程中減少的重力勢(shì)能提供，只通過重力勢(shì)能與機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，使得小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)。行駛的路線近似于正弦曲線，呈周期性變化，而且障礙物的間距在 900mm1100mm 之間可調(diào)。其中，難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如何才能讓小車在 900mm1100mm 的范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)，是亟待解決的問題。1.2 無碳越障小車的設(shè)計(jì)要求設(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)換來的。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（50×65 mm，普通碳鋼）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(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。圖 1 為小車示意圖。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 任務(wù)分析1圖 1： 無碳小車示意圖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源。通過查閱資料和市場(chǎng)調(diào)研，我們初步確定了 3 種方案。（1） 重物下落時(shí)，小車不行走，將重物的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為彈性勢(shì)能儲(chǔ)存在發(fā)條中，重物靜止后發(fā)條釋放能量驅(qū)動(dòng)小車行走。這是參照市場(chǎng)上大多數(shù)玩具車能量儲(chǔ)存的方式。但是存在的問題是小車的速度難于控制，同時(shí)必須考慮重物靜止后如何觸發(fā)發(fā)條帶動(dòng)小車行走（的機(jī)構(gòu)）機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)在能量轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)損失更多的能量；（2）重物下落時(shí)，小車向前行走，利用飛輪儲(chǔ)存能量。重物靜止后，飛輪釋放能量可繼續(xù)帶動(dòng)小車行走一段距離。這是參照火車輪子的儲(chǔ)能原理。存在的問題是：由于設(shè)計(jì)了直徑大且重的飛輪，所以小車開始啟動(dòng)時(shí)所需要的啟動(dòng)力矩較大，能量消耗大。同時(shí)要增加一個(gè)零件，會(huì)增大成本。（3）重物下落時(shí)，直接帶動(dòng)小車行走，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本也較低。所以綜合考慮最終確定采用第 3 種方案。繞在小車軸上線的一端通過定滑輪連接在重物上，重物下落直接通過繩子帶動(dòng)小車前行。為了避免重物下落時(shí)因?yàn)樾≤嚨男凶叨鴶[動(dòng)，影響小車行進(jìn)的軌跡，甚至使小車傾翻，因此在小車上設(shè)計(jì)了阻止小車擺動(dòng)的 3 根豎桿，3 根豎桿由套圈固定，桿與下落重物圓周相切，形成一個(gè)圓柱形狀，使之下落穩(wěn)定。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。小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑 20mm、高 200mm 的多個(gè)圓棒，障礙物沿直線等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來綜合評(píng)定成績。見圖 2。圖 1： 無碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖根據(jù)對(duì)題目分析，可以知道無碳小車的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何將重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)小車行走的距離最長和小車前行時(shí)如何避開道路上設(shè)置的障礙物。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 任務(wù)分析2其設(shè)計(jì)思路為：查閱相關(guān)資料，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，寫出調(diào)研分析報(bào)告，擬定將給定重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的結(jié)構(gòu)和小車自動(dòng)避障的機(jī)構(gòu)，確定小車一個(gè)周期行進(jìn)的路線和長度，確定后輪尺寸和前后輪的傳動(dòng)比，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，小車車架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，小車各零件的設(shè)計(jì)（包括材料和結(jié)構(gòu)） ，主要零件配合部分尺寸及公差的確定、形狀、位置的確定。1.3 無碳越障小車的原理分析通過對(duì)小車的功能分析小車需要完成將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的功能，完成自動(dòng)行走及自行避開障礙物等動(dòng)作。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，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)） 。為了得到令人滿意方案，我們采用采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，以方便尋求到更多種可行的方案和構(gòu)思。通過對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目分析可知小車的前進(jìn)路線，我們可以將它近似地看成余弦函數(shù) xAycos其中 A 為振幅， 為頻率。函數(shù)的圖像就類似于小車前進(jìn)的路線，如圖 1-1,1-2,1-3 為障礙物間距不同時(shí)對(duì)應(yīng)的函數(shù)圖像。由于小車要適應(yīng)不同距離的障礙物的場(chǎng)地，所以函數(shù)的周期是變化的，因此對(duì)應(yīng)的函數(shù)圖像也是不同的。由 MATLAB 可以算出不同間距時(shí)對(duì)應(yīng)的軌跡的振幅及周期長度，作出間距變化對(duì)應(yīng)距離表 1.1。表 1.1 不同間距對(duì)應(yīng)的余弦函數(shù)圖像長度表 2.1 為小車在障礙物取不同間距時(shí)在場(chǎng)地上行走時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際前進(jìn)的距離。通過分析表 1.1 中的數(shù)據(jù)可取小車行走一個(gè)周期的距離 S 約為 2800mm，以保證當(dāng)障礙物間距在 900-1100mm 范圍內(nèi)時(shí)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)我們可以使小車能夠準(zhǔn)確的繞過障礙物。圖 1-1,1-2,1-3 為當(dāng)小車場(chǎng)地的障礙物取不同的間距時(shí)小車行走一個(gè)周期所經(jīng)過的路程的軌跡。為了保證小車順利的繞過障礙物，并且盡可能的前進(jìn)更遠(yuǎn)的路程，通過表 1.1 我們可以確定小車的起始位置，即距離中線 300mm500mm 的范圍內(nèi)，以滿足小車越障要求。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 任務(wù)分析3在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面的客觀因素，同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，這樣才能夠使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。圖 1-1 間距為 900mm 的余弦曲線圖 1-2 間距為 1000mm 的余弦曲線攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 任務(wù)分析4圖 1-3 間距為 1100mm 的余弦曲線攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)52 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)2.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1.1 滑輪的設(shè)計(jì)小車的原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滑輪懸掛，其上掛有一根伸縮性較小棉線，在棉線的一端掛有一重塊，另一端則纏繞在小車驅(qū)動(dòng)軸的繞線筒上，中間懸掛在支撐架上的滑輪上。當(dāng)重塊下落時(shí)通過棉線拉動(dòng)動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)繞線筒旋轉(zhuǎn)，以此通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小車后輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)小車向前行駛。帶輪設(shè)計(jì)成錐形，在起始時(shí)原動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，有利起動(dòng)。起動(dòng)后，原動(dòng)輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物塊距小車很近時(shí)，原動(dòng)輪的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于物塊的慣性，仍會(huì)減速下降，原動(dòng)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。小車上的定滑輪由 3 根直徑為 6mm 的碳鋼絲桿支撐，將提供能量的重物通過定滑輪懸掛在有效高度為 400±2mm 的重物支撐架上使其自由落下，為小車前進(jìn)提供能量。同時(shí)保證重物在下落的過程中不會(huì)晃動(dòng)。圖 2-1 由于質(zhì)量為 1Kg 的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）通過棉線繞過定滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在定滑輪上形成一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩 M，由公式：式 2-1FR可知滑輪半徑（動(dòng)力臂）越大，形成的驅(qū)動(dòng)力矩就越大。根據(jù)這個(gè)結(jié)論，我們可以在保證車身長度一定的前提下，把定滑輪的半徑盡可能的取得大的值。為了保證重物在下落過程中保持勻速，我們?cè)诨喩侠@棉線時(shí)，在滑輪上多繞幾圈，這樣可以有效減慢重物下降的速度，提高能量的利用率。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)6圖 2-2 小車的滑輪2.1.2 繞繩輪的設(shè)計(jì)驅(qū)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。在我們所學(xué)過得架構(gòu)中能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對(duì)繞繩輪還有其它的具體要求。（1）驅(qū)動(dòng)力要適中，這樣才不至于在小車拐彎時(shí)速度過大發(fā)生傾翻，或者是重塊晃動(dòng)厲害影響小車的行走。（2）應(yīng)該使重物塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)無碳小車的前進(jìn)上，但是如果重物塊在豎直方向上的速度比較大，重物本身就會(huì)還有較多動(dòng)能未釋放，這樣的后果就是能量利用率不高。所以我們要控制重物下落的速度。（3）到小車在到達(dá)終點(diǎn)前重塊在豎直方向上的速度要盡可能小，這樣能夠避免發(fā)生碰撞而造成損失能量。（4）由于不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦不一樣，在不同的場(chǎng)地上面無碳小車小車是需要的驅(qū)動(dòng)力也不一樣的。因此在調(diào)試的時(shí)候也不知道需要多大的驅(qū)動(dòng)力才能恰到好處。因此驅(qū)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。（5）機(jī)構(gòu)簡單，效率高。繞繩輪設(shè)計(jì)有大直徑輪，便于小車啟動(dòng)，重物下落時(shí)，直接帶動(dòng)小車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車前進(jìn)，這種方法很易實(shí)現(xiàn)，又方便制作。也可以通過調(diào)整使小車的速度平緩的前進(jìn)，同時(shí)也方便轉(zhuǎn)向。同時(shí)為了防止重物因轉(zhuǎn)向等的原因搖擺導(dǎo)致小車倒翻，在重物下落垂直上用絲桿固定重物下落軌跡。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上我們?cè)O(shè)置的傳動(dòng)比是 1:6，這樣能使重物下落相同高度能有更遠(yuǎn)的行駛路程。因?yàn)檎w小車摩擦很小，所以我們的繞線部分直接纏繞在直徑 10mm 的繞繩輪上使小車達(dá)到更遠(yuǎn)的行駛路程。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)7圖 2-2 小車?yán)@繩輪模型2.1.3 重物支撐架的設(shè)計(jì)重物支撐架的作用是固定滑輪，懸掛重物的支架。重物支撐架的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：重物支撐桿和重物支撐架。重物支撐桿支架采用 3 根 M5 的碳鋼絲桿成等邊三角形分布，可以防止重物在下降的過程中晃動(dòng)。支撐桿的長度為 450mm。重物支撐架采用硬鋁制成，要求三個(gè)孔的相對(duì)位置要完全和地板上的三個(gè)孔的位置匹配，不然重物支撐桿就會(huì)傾斜，影響小車的正常運(yùn)行。重物支撐板的三個(gè)空的直徑為 6mm，通過螺母在重物支撐桿上固定。支撐架上有兩個(gè) 5mm 的孔，用于滑輪的軸的徑象定位。重物支撐板的結(jié)構(gòu)如圖 2-3.圖 2-3 重物支撐架2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.2.1 齒輪的設(shè)計(jì)表 2.2 齒輪參數(shù)序號(hào) 模數(shù) 齒數(shù) 中心孔/mm 分度圓直徑/mm 厚度/mm大齒輪 0.75 96 20 72 3小齒輪 0.75 16 6 12 5攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)8圖 2-2 齒輪的三維模型表 2.2 各種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)傳動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。要求較高的制造和安裝精度，成本較高；不適宜遠(yuǎn)距離兩軸之間傳動(dòng)鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)比較,它可以在兩軸中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力;能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚(yáng)的不良環(huán)境中工作;和帶傳動(dòng)比較 ,它能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小;傳遞效率較高,一般可達(dá) 0.950.97鏈條的鉸鏈磨損后,使得節(jié)距變大造成脫落現(xiàn)象;安裝和維修要求較高.鏈輪材料一般是結(jié)構(gòu)鋼等帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單,適用于兩軸中心距較大的傳動(dòng)場(chǎng)合;傳動(dòng)平穩(wěn)無噪聲,能緩沖、吸振;過載時(shí)帶將會(huì)在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護(hù)作用不能保證精確的傳動(dòng)比；帶輪材料一般是鑄鐵等；質(zhì)量較大蝸桿渦輪傳動(dòng)有比較大的傳動(dòng)比，非常緊湊的結(jié)構(gòu)；傳動(dòng)平穩(wěn)；噪聲??； 能夠自鎖；傳動(dòng)摩擦損失比較大，效率也很低，不適合傳遞大功率和長期連續(xù)工作；成本比較大；蝸桿傳動(dòng)置適用傳動(dòng)比大；傳遞功率低得機(jī)械上傳動(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。常用的傳動(dòng)方式包攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)9括：齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、蝸桿渦輪傳動(dòng)。由表 2.2 的各種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較，我們選擇一級(jí)齒輪組傳動(dòng)作為無碳越障小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。選擇一級(jí)齒輪組可以避免二級(jí)齒輪傳動(dòng)帶來的較大的阻力和較大的傳動(dòng)誤差。為了使小車前行距離遠(yuǎn)，理論上后輪的直徑越大越好，但后輪太大，啟動(dòng)時(shí)所需力矩較大且消耗的能量也大。按照傳動(dòng)比的選擇原則，同時(shí)考慮到小車在行駛時(shí)要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確和加工工藝性，將傳動(dòng)比初步確定為 1：6，大齒輪齒數(shù)為 96，小齒輪齒數(shù)為 16。即帶輪轉(zhuǎn)一圈車輪轉(zhuǎn) 6 圈，較大的傳動(dòng)比和后輪直徑可以使小車前進(jìn)更遠(yuǎn)的距離。為了減輕小車的重量，將大齒輪確定為 3mm 厚的片齒輪，質(zhì)量為硬鋁。選擇小模數(shù)齒輪可以有效的減小小車前進(jìn)時(shí)的阻力， 模數(shù)太小又會(huì)增加制造難度、加工成本和齒輪的使用壽命。所以，將齒輪的模數(shù)確定為 0.75。齒輪通過軸套與軸配合，這樣可以保證齒輪的軸向和徑向定位?？紤]到現(xiàn)有的加工能力，齒輪采用線切割機(jī)床進(jìn)行加工。表 2.2 為選擇的一對(duì)齒輪參數(shù)，圖 2-2 齒輪的三維模型。2.2.2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)圖 2-3 軸上零件的布置攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)10由于小車是一級(jí)齒輪組傳動(dòng)，曲柄連桿搖桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)向，所以我們只需要兩根傳動(dòng)軸，這樣既減輕了小車的質(zhì)量又減小了傳動(dòng)誤差。兩根傳動(dòng)軸的材料選用硬鋁，采用階梯軸的方式對(duì)軸上零件進(jìn)行軸向定位，另外利用軸套對(duì)齒輪，繞繩輪，曲柄盤和后輪進(jìn)行徑向定位。兩根傳動(dòng)軸的中心距 a 的計(jì)算 42)169(75.02)(1 zm小車軸上零件的布置如圖 2-3 所示。2.3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇是無碳小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，這直接決定著無碳小車的使用功能。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦和耗能，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)必須要簡單，零部件已獲得等基本條件，另外還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。該機(jī)構(gòu)的功能要求能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足校車轉(zhuǎn)向基本要求的來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)前輪輪來回轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)拐彎避過障礙物的功能。根據(jù)題意，小車在前行時(shí)要求能夠自動(dòng)避開賽道上每間隔 1 米，放置的一個(gè)直徑 20mm、高 200mm 的彈性障礙圓棒，說明小車行駛的路線是周期性變化的。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)所學(xué)知識(shí)，只要能實(shí)現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作，所以平面四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、圓柱凸輪、端面凸輪等均可。但是考慮到各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及加工的工藝，難易程度和制造成本，我們必須對(duì)小車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行正確的選擇。選擇要求是穩(wěn)定性好，導(dǎo)向精度高加工方便等。于是我們對(duì)主要的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)做了如表 2.1 分析。（1）凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，凸輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，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)：該機(jī)構(gòu)只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可讓從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且考慮到運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性，我們將可以將凸輪設(shè)計(jì)成外凸輪，他的形狀應(yīng)該為一個(gè)橢圓，這樣加工可以比較簡單。而且可以省去了中間環(huán)節(jié)，另外還可以簡化機(jī)構(gòu)，提高傳遞效率。在條件允許下，可以采用此結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)：凸輪輪廓的加工要求的精度相當(dāng)高，一旦磨損變形，則不能達(dá)到預(yù)期運(yùn)動(dòng)軌跡，另外由于凸輪機(jī)構(gòu)無法微調(diào)，磨損后直接報(bào)廢，間這樣就接提高了校車的成本。因此建議如果沒有更適合機(jī)構(gòu)，可選擇此機(jī)構(gòu)。（2）曲柄連桿搖桿機(jī)構(gòu)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)需利用彈簧等輔助力封閉來保持接觸。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)11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)生自鎖的可能性大，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性爺比較大；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。小車在前行時(shí)要求能夠自動(dòng)避開賽道上間隔 1 米，放置的一個(gè)直徑 20mm、高200mm 的彈性障礙圓棒，小車行駛的路線是周期性變化的，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)所述，只要能實(shí)現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作。我們最初選用的是雙凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件分別連接在前輪軸上的左右側(cè)，兩個(gè)凸輪安裝在后輪軸上，起始角度相差 180°，以此達(dá)到前輪轉(zhuǎn)向的目的。但是凸輪形狀不易確定，需在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行校正，工作量太大；高副接觸，摩擦力大，使小車轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定，不容易控制；同時(shí)高副接觸也使凸輪容易磨損，穩(wěn)定性不高。另外還考慮了使用圓柱凸輪的方案，但因其車身寬度、傳動(dòng)比的限制，使其轉(zhuǎn)向擺角不大，且成型后不易再改進(jìn)等原因未被采納。最終，我們選擇了曲柄連桿搖桿機(jī)構(gòu)，搖桿以前叉中心為擺動(dòng)中心，連桿一端與曲柄連接，另一端在固定于車架上的關(guān)節(jié)球軸承，并推動(dòng)搖桿擺動(dòng)，帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。在設(shè)計(jì)時(shí)主要通過減少曲柄長度，增大連桿長度，來使搖桿擺動(dòng)加速、減速對(duì)稱，從而使小車走光滑對(duì)稱的“S”型路線。為了調(diào)試時(shí)便于調(diào)整，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄、連桿長度都可以調(diào)整。以調(diào)整小車行駛時(shí)軌跡振幅的大小。兩后輪在小車避障轉(zhuǎn)彎處行駛路徑不等，依據(jù)三輪車的驅(qū)動(dòng)原理，我們選擇采用單邊驅(qū)動(dòng)的方式使小車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。根據(jù)表 2.1 所示的各種導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的有點(diǎn)和缺點(diǎn)，并結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，我們選擇曲柄連桿搖桿機(jī)構(gòu)作為無碳越障小車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。盡管安裝苦難，但是通過長時(shí)間的調(diào)試，我們依然能夠很準(zhǔn)確的找到使小車?yán)@過不同間距障礙物的連桿長度。而且由于曲柄連桿搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄調(diào)節(jié)特別方便，所以實(shí)際花去的總時(shí)間也和其他導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相差不大。對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)為了便于調(diào)試，曲柄、連桿長度均可以調(diào)整。而且在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少急回特性的影響，我們采取了增大搖桿長度，減小曲柄長度。由于該機(jī)構(gòu)為空間機(jī)構(gòu)，我們把機(jī)構(gòu)通過球面副連接。根據(jù)市面上現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)球面副，為了保證小車的質(zhì)量輕便，在零件的選擇上就要首選質(zhì)量輕，體積小的零件。通過對(duì)一些五金店的產(chǎn)品進(jìn)行比較，我們選擇和桿端關(guān)節(jié)軸承 SA3T/K POSA3T/K球頭直徑 3mm 外螺紋正牙作為連接連桿，曲柄和搖桿三者的運(yùn)動(dòng)副。兩種關(guān)節(jié)軸承的球孔均為 3mm。連桿應(yīng)具備使關(guān)節(jié)軸承在軸上固定并可調(diào)節(jié)位置的功能。因此連桿使用 3mm 的自行車條幅，兩端用板牙車絲。如圖 2-1 所示為無碳小車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的三維模型。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)12圖 2-1 小車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維模型2.4 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.4.1 行走機(jī)構(gòu)方案的選擇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)。（1）雙輪同步驅(qū)動(dòng)雖然行走比較穩(wěn)定，但在轉(zhuǎn)彎時(shí)，外輪會(huì)與地面產(chǎn)生滑動(dòng)，我們都知道滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦更加損耗能量，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，故不選擇此驅(qū)動(dòng)。（2）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)差速的原理是但其中一個(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。（3）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)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。就如一輛兒童自行車外加兩個(gè)車輪，既保證了前進(jìn)，我保證了初學(xué)者能在一個(gè)比較穩(wěn)定的環(huán)境下騎車。從動(dòng)輪與驅(qū)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。小車的前進(jìn)方式有單輪驅(qū)動(dòng)和雙輪驅(qū)動(dòng)兩種。由于小車的軌跡為正弦曲線，所以兩后輪一個(gè)周期行駛的距離不等，所以需要采用單輪驅(qū)動(dòng)。最先考慮采用在后輪軸上安裝差速器，兩輪交替單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，在原理上不存在問題，但差速器加工困難，網(wǎng)上可以買差速器，但必須設(shè)計(jì)與后輪連接的部分，增加了制造零件的個(gè)數(shù)、這部分的制造精度要求也較高，增加了整個(gè)小車的成本。而且實(shí)際運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了精度過高不宜調(diào)整的問題，不滿足單件生產(chǎn)的精確性和大批量生產(chǎn)的流水作業(yè)；調(diào)整為一根后輪軸裝兩個(gè)后輪，采用單邊為主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，前輪受轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制而轉(zhuǎn)向，在未排除其他機(jī)構(gòu)的機(jī)械調(diào)試影響之前行駛路線稍顯不穩(wěn)定，反復(fù)的試驗(yàn)后證明該方法簡單有效。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)132.4.2 后輪尺寸的計(jì)算由 1.3 可知，無碳越障小車的前進(jìn)路線近似于余弦函數(shù)式 2-1xAycos我們以障礙物間距為 1mm 為基準(zhǔn)，A=0.3 時(shí)函數(shù)關(guān)系為式 2-23.0對(duì)函數(shù)求導(dǎo)式 2-3xdxysin.'對(duì)這個(gè)函數(shù)進(jìn)行曲線積分式 2-4 8.2si3.011220 S由式 3-4 可知小車每個(gè)周期前進(jìn)的距離 S=2.8m，由 1.3 可知小車的傳動(dòng)比為1:6?？梢杂?jì)算小車后輪直徑 d式 2-58.26di解之得 d=148mm。小車行駛一個(gè)周期時(shí)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為 6，而前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)往復(fù)一次。為了使小車前行距離遠(yuǎn)，理論上后輪的直徑越大越好，但后輪太大，啟動(dòng)時(shí)所需力矩較大且消耗的能量也大。假定小車行駛曲線頂峰離障礙物的安全距離為 300mm，障礙物間距 1000mm,推算出一個(gè)周期內(nèi)小車的運(yùn)動(dòng)軌跡長 s=2827mm。在前進(jìn)過程中，一個(gè)周期小車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)往復(fù)一次，根據(jù)計(jì)算，取傳動(dòng)比為 i=6:1，可由公式（d=s/i）計(jì)算，后輪直徑取 d=150mm。2.5 微調(diào)機(jī)構(gòu)的選擇由于曲柄連桿機(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。另外根據(jù)題目的要求，無碳小車需要繞過不同距離的障礙物。這就需要我們通過改變曲柄的長度來改變小車的路線。常用的曲柄長度調(diào)節(jié)裝置有：曲柄，曲柄盤，微調(diào)螺母等。結(jié)合現(xiàn)有的加工設(shè)備，加工工藝和加工成本，所以選擇曲柄盤作為微調(diào)機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)向和避障，如圖所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的曲柄半徑和連桿長度可微調(diào)，曲柄采用帶有若干不同距離小孔的圓盤，每個(gè)小孔在徑向方向相差 0.22mm，如圖可根據(jù)小車不同繞行間距選擇相應(yīng)孔位與連桿相連接，在連桿上標(biāo)有刻度，通過螺紋微調(diào)精確調(diào)整其長度，讓小車轉(zhuǎn)向幅度均勻，繞行路線穩(wěn)定。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)14圖 2-2 曲柄盤2.6 無碳越障小車的總體設(shè)計(jì)圖 2-3 小車結(jié)構(gòu)簡圖小車的前后軸支架、重物支架、傳動(dòng)齒輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等其他安裝材料都在車身上方，方便操作，同時(shí)降低了車身的高度，減小了小車翻轉(zhuǎn)的可能，有利于小車行攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)15駛的穩(wěn)定性。小車底盤整體要低于輪軸，離地面只有 10mm，需要充分降低重心，否則容易在行進(jìn)過程后半段車速較高時(shí)可能翻車，且負(fù)重后對(duì)小車的轉(zhuǎn)向靈敏度也有一定的影響，最大限度的避免了翻車的危險(xiǎn)。整個(gè)車身設(shè)計(jì)則較窄，轉(zhuǎn)向靈活，質(zhì)量輕，載荷分布均勻，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放置在后輪軸處，以免車身受集中載荷而導(dǎo)致車身變形。重物由 3 根直徑為 6mm 的碳鋼絲桿包圍，讓重物穩(wěn)定的下落，避免了小車在前進(jìn)過程中產(chǎn)生晃動(dòng)從而使小車重心不穩(wěn)而導(dǎo)致翻車。小車采用后輪軸驅(qū)動(dòng)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制前輪轉(zhuǎn)向同時(shí)發(fā)生的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向與直線前進(jìn)的良好配合。無碳小車前窄后寬，大致呈三角形，小車的車身不能太寬，后輪軸的直徑不能太大，否則轉(zhuǎn)向不靈活，累積周期性轉(zhuǎn)向的位移差，對(duì)小車起動(dòng)的橫向偏移位置影響很大。在后輪軸前方，固定了兩個(gè)平行四邊形的 PVC 板（用來橫置齒輪軸） ，整個(gè)車身形狀似魚，且結(jié)構(gòu)簡單、輕巧靈活。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2-3所示。2.7 無碳越障小車部分零件設(shè)計(jì)小車零件總體來說結(jié)構(gòu)要簡單易于加工。零件我們基本用鋁件，這樣不僅質(zhì)量較輕，而且硬度高，剛性好。前后輪材料為有機(jī)玻璃。小車各零件的設(shè)計(jì)，涉及到結(jié)構(gòu)、形狀大小與相對(duì)位置尺寸，要求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加工難度適中，易于裝拆，材料購買方便，成本較低。相關(guān)零件的設(shè)計(jì)如下： （1）本組小車車身、支架上端的定滑輪、承重支座均采用鋁板，材料輕便、強(qiáng)度足夠，車身的形狀大小不規(guī)則，采用整體降低重心、前輪相對(duì)地面位置抬高的方法，合理分配重心，避免小車前進(jìn)過程中由于摩擦力過大、轉(zhuǎn)向打滑、加速度過快等原因造成的翻車；（2）支架采用 M5 的碳鋼絲桿，上端是固定定滑輪的鋁架，定滑輪為鋁制品。（3）前后輪由有機(jī)玻璃制成，其拉伸強(qiáng)度、耐磨性和抗蠕變性都強(qiáng)于一般的材料，摩擦系數(shù)較小利于小車實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。兩后輪間距較??；前輪采用 2 的軸和軸承相配合。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，為使小車的轉(zhuǎn)向更靈敏，需要將輪側(cè)磨出 45 度的倒角；（4）在選擇齒輪材料時(shí)，主要是考慮齒輪機(jī)構(gòu)所承受的沖擊載荷和磨損等問題。采用的硬鋁；（5）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，使用了一根材料輕便的 3 鋁棒，其前端為一球形鉸。（6）小車前輪與軸為了減少摩擦，相互之間安裝軸承，前輪與軸的配合為過盈配合，后輪與軸采用過盈配合。（7）小車的車輪采用軸套與軸連接，增大了車輪與軸的接觸面積，見笑了車輪的晃動(dòng)。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)162.7.1 無碳越障小車的底板設(shè)計(jì)小車所有零部件均以底盤為基礎(chǔ)進(jìn)行裝配，主要采用螺釘或螺栓連接，方便拆卸和調(diào)整，部分零件為了便于定位，采用了螺釘鎖緊的方法。為了降低摩擦提高旋轉(zhuǎn)精度，小車前叉、驅(qū)動(dòng)軸、后軸以及滑輪上均裝有軸承，軸承與支撐零件均采用過盈配合。小車的底板設(shè)計(jì)成流線型，流線美觀外形，有側(cè)翼，可以包絡(luò)前輪和后輪，避免小車撞桿時(shí)被卡住。小車的底板由 7.6mm 有機(jī)玻璃制成，底板上面有部分鏤空，可以減輕小車質(zhì)量。圖 2-4 小車底板模型2.7.2 無碳越障小車支架的設(shè)計(jì)小車的支架包括前輪支架和后輪支架，我們都采用有機(jī)玻璃制造，支架與底板的連接采用螺釘連接，方便拆卸。由于右邊的軸承在同一條直線上，所以我們?cè)O(shè)計(jì)兩種支架。支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖 2-5 所示的形狀，凸出的部分可以增加支架與底板的接粗面積以增加支架的穩(wěn)定性。支架的孔與軸承的配合采用基軸制過盈配合。圖 2-5 兩種形狀的支架右邊的支架將錢軸和后軸的軸承固定在一條直線上，裝配時(shí)以右邊的叉架為基準(zhǔn)裝配，設(shè)計(jì)的時(shí)候也以右邊的叉架為基準(zhǔn)，這樣可以減少裝配過程中前軸后軸上攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無碳越障小車方案設(shè)計(jì)17各個(gè)零件之間的軸向誤差。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄183 無碳越障小車的制作3.1 三維模型的建立與運(yùn)動(dòng)仿真圖 3-2 小車三維模型展示三維建模就是通過使用具有三維建模功能的軟件，對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好尺寸的零件進(jìn)行虛擬模型的制作以及對(duì)機(jī)器各個(gè)零部件之間進(jìn)行裝配。通過三維建?？梢允刮覀冎庇^的了解零件的外形以及機(jī)器內(nèi)部零件與零件之間的關(guān)系。建立三維模型可以讓我們更直觀的看到小車的實(shí)際結(jié)構(gòu)，以及各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系和各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系，另外能夠讓我們檢查零件分布是否合理和小車整體布局是夠合理，讓我們?cè)谥谱餍≤嚨倪^程中有一個(gè)參照。接下來我們通過使用 proe 建立小車的三維模型，確定了裝配關(guān)系，并生成零件圖，為我們接下來制作無碳越障小車做好了準(zhǔn)備。使用 pro/E 對(duì)小車進(jìn)行三維建模，類似于對(duì)無碳小車的虛擬加工，這就要求我們要充分考慮無碳小車零件的結(jié)構(gòu)是否合理，零件加工的難易程度。另外還要考慮所涉設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否利于裝配，零件與零件之間是否有干涉，零件之間的位置尺寸是否合理。這樣的可以減段設(shè)計(jì)的周期，如果有不合理的地方，方便我們對(duì)方案的更改。有利于設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更加合理的小車。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄19圖 3-1 小車三維模型展示小車的運(yùn)動(dòng)仿真可以驗(yàn)證我們對(duì)小車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及各個(gè)部分機(jī)構(gòu)的選擇是否正確。小車的通過第二章對(duì)小車的整體以及各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)有了無碳小車的各個(gè)部分的參數(shù)。并進(jìn)行了了運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)我們的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果是我們的機(jī)構(gòu)選用以及對(duì)小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行合理的。 。通過以上設(shè)計(jì)，我們成功地建立的小車的三維模型，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)合理性的修改，同時(shí)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。錄制了運(yùn)動(dòng)仿真的視頻，以幫助了解小車的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。三維建模既可以增加我們對(duì)軟件使用的熟練程度，又可以讓我們學(xué)習(xí)到更多的深層次的功能。小車的三維模型如圖 3-1，3-2 所示。3.2 部分零件的工藝大部分零件都是由我們自己加工，共使用了數(shù)銑、激光雕刻、線切割、數(shù)車、普車、鉗工 7 大工種，其中，數(shù)控車床、數(shù)控銑床、普通車床加工（后輪軸、齒輪軸、前叉、齒輪套筒、后輪套筒、繞線筒） ，線切割加工（大齒輪、小齒輪） ，激光雕刻加工（底板、前后支座等各類有機(jī)玻璃零件） ，鉗工車間裝配（鉆孔、攻絲、組攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄20裝） 。3.2.1 前輪叉架的工藝圖 3-3 前輪叉架零件圖前輪叉架是與轉(zhuǎn)向龍頭，連桿，曲柄盤一起構(gòu)成周期轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。要求有：（1）必須具有對(duì)稱性在裝上前輪后要求輪子不會(huì)歪，且恰好處于前叉叉架的中心位置因此對(duì)前叉用了兩個(gè)對(duì)稱度進(jìn)行約束。（2）前叉上裝配有軸承，與軸承約束的圓柱面，采用基孔制的過度配合，軸的精度為 IT6。（3）5 的軸端與轉(zhuǎn)向橫梁配合，一般鉆孔時(shí)孔都會(huì)比鉆頭大一些，所以這里采用基軸制精度為 IT7。(4)為保證便于拆裝，槽口處粗糙不宜太大，所以 Ra=0.8。根據(jù)前叉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，多數(shù)表面的加工都選擇外圓和端面作為定位基準(zhǔn)。這樣選擇的優(yōu)點(diǎn)是基準(zhǔn)統(tǒng)一，而且大多數(shù)表面的定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，可以避免基準(zhǔn)不重合誤差，有利于保證加工精度。前輪叉架的作用是支撐龍頭導(dǎo)向和固定前輪。左邊的階梯軸可以分別對(duì)龍頭、前輪支撐架進(jìn)行軸向定位，同軸度要求高。右邊的叉架用于對(duì)前輪的固定，對(duì)稱度要求高。對(duì)其工藝編排如下：攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄21（1）夾外圓，車端面，車外圓 25,長度為 80mm。（2）車外圓 8，長 39；車外圓 5 長 30；然后車外圓 4 長 17。（3）切斷反向裝夾修另一端面，使工件長 79。（4）夾持外圓 8，銑矩形面外形尺寸 20×15 到位，銑槽 10 深 32 尺寸到位。（5）取下用虎鉗裝夾已加工平面，銑槽寬 4 深 9.5（到底）底為半徑為 2 的半圓尺寸到位。3.2.2 前輪的工藝本無碳小車要求轉(zhuǎn)向靈活、平穩(wěn)。因此，該前輪的主要技術(shù)要求有：（1）加工精度： Ø5 采用 Ø4.9 的鉆頭進(jìn)行加工，該尺寸與軸承配合。（2）位置精度： Ø35 的軸心線與 Ø5 的同軸度要求為 0.10mm。圖 3-4 前輪零件圖根據(jù)無碳小車前輪的工藝分析對(duì)前輪的工藝做如下編排：（1）平端面，車外圓 Ø35，倒角。（2）打中心孔，鉆 Ø5 孔，倒角。（3）切斷，長度尺寸為 5 mm。（4）倒角，去毛刺，終檢。3.2 無碳越障小車的裝配與調(diào)試小車所有零部件均以底盤為基礎(chǔ)進(jìn)行裝配，主要采用螺釘或螺栓連接，方便拆卸和調(diào)整，部分零件為了便于定位，采用了螺釘鎖緊的方法。為了降低摩擦提高旋轉(zhuǎn)精度，小車前叉、驅(qū)動(dòng)軸、后軸以及滑輪上均裝有軸承，軸承與支撐零件均采用緊配合。小車的裝配是在老師的指導(dǎo)下由我們自己裝配的。小車裝配好后，需要一定的磨合時(shí)期，并且要不斷探索初始位置與軌跡路線的規(guī)律。小車對(duì)跑道要求比較高，必須是木質(zhì)地板，因?yàn)槟镜匕宓哪Σ烈驍?shù)較小。還有木地板安裝時(shí)一定要保證水平，因?yàn)樾≤嚹芰枯^小，而且會(huì)影響前進(jìn)軌跡。小車要跑出一條固定的 S 形軌跡最重要的是需要一個(gè)固定而且準(zhǔn)確的起始位置。（1）小車在調(diào)試過程中遇到了一下問題，主要是： 無碳越障小車受環(huán)境的影響較大，比如地板摩擦力大小、地板的水平度。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄22無碳越障小車的能量利用率低。 2小車的調(diào)試的重復(fù)性不高，調(diào)試時(shí)就算是在小車的各種參數(shù)都一定的情況下， 3在同一地點(diǎn)，同一角度出發(fā)，小車跑出的結(jié)果有時(shí)會(huì)有較大差異。 裝配精度不能夠很好控制，由于小車對(duì)精度的要求較高，在現(xiàn)有設(shè)備及裝配 4條件下，我們并不能很好的達(dá)到裝配需要的要求。特別是在連桿長度的調(diào)節(jié)時(shí)，誤差較大，而且不能很好的做到定量調(diào)節(jié)。 小車的后輪與底板之間有較大距離，如果碰到障礙物后，障礙物有時(shí)會(huì)卡在 5后輪與底板之間，影響小車的前進(jìn)。（2） 經(jīng)過不斷的探索，找到了優(yōu)化改進(jìn)的方法：通過大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，積累經(jīng)驗(yàn)，尋找規(guī)律。 1適當(dāng)改變繞線筒的尺寸，以適應(yīng)各種不同摩擦的地板，使小車能穩(wěn)定的行駛 2更遠(yuǎn)距離。造成小車穩(wěn)定性不高的主要原因有零件之間連接不夠牢固，螺距及齒輪間隙 3過大以及軸承自身內(nèi)圈與外圈的松動(dòng)。針對(duì)這些原因，檢查各零件間的連接是否需要粘接加固，選用適當(dāng)螺距的螺釘及板牙，提高齒輪的加工精度，選用高質(zhì)量的軸承以提高穩(wěn)定性。 零件加工方面，在現(xiàn)有設(shè)備的條件下，改善加工工藝，有利于提高加工精度； 4零件裝配方面，請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的鉗工老師負(fù)責(zé)組裝，以提高裝配精度及穩(wěn)定性。 改變小車底板形狀，將后輪包覆在底板的輪廓內(nèi)。 5適當(dāng)加潤滑油及石油醚，減小因小車自身摩擦而消耗的能量。 6適當(dāng)減小部分零件尺寸，讓小車在不影響性能的情況下?lián)碛凶钶p質(zhì)量，以便 7獲得更多動(dòng)能。通過討論研究決定將后輪直徑減小，從而減小小車行駛振幅和力矩，讓小車 8便于啟動(dòng)和行駛更遠(yuǎn)距離。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄234 題目的成果及意義4.1 課題的完成情況 主要設(shè)計(jì)研究內(nèi)容有：設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)換裝置。 1a.給定一個(gè)重塊，提供重力勢(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。能量轉(zhuǎn)換方案：直接采用重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)小車。 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在小車獲得能量以后，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)規(guī)定路徑的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案：平面連桿機(jī)構(gòu)。 設(shè)計(jì)前后輪傳動(dòng)比和傳動(dòng)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案:齒輪傳動(dòng) （傳動(dòng)比： 1:6） 。 間距調(diào)整機(jī)構(gòu)：采用調(diào)整曲柄長度和連桿長度來實(shí)現(xiàn)滿足不同間距障礙的要求。 小車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（包括車身大小、重物下落、傳動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向裝置位置的確定） 小車制作（包括材料的選擇、加工方案的確定、裝配和調(diào)試）4.2 課題的創(chuàng)新（1）用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn) 900-1100mm 間距的連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）零部件之間均采用螺栓連接，便于拆卸。（3）輪傳動(dòng)，并在齒輪上做好標(biāo)記，解決拆卸后軌跡重復(fù)性不好的問題。（4 繞線輪采用兩段不同大小的直徑，以便適應(yīng)不同的地板，而且充分利用能量。（5）構(gòu)更簡單，性能更穩(wěn)定（6）采用大的驅(qū)動(dòng)輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)，（7）小車的底盤較低，重心更低，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。4.3 作品的改進(jìn)方向由于設(shè)計(jì)時(shí)考慮的問題不周全以及一些客觀因素的限制，該無碳越障小車在設(shè)計(jì)制作過程中肯定會(huì)存在許多不足的地方，以下是在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的部分問題及其改進(jìn)的方向和方法。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄24小車最大的缺點(diǎn)是多處都有摩擦，減小了傳動(dòng)效率，同時(shí)多處的精度要求都非常高，改進(jìn)小車的多處摩擦，改進(jìn)精度要求，使能調(diào)整簡單，小車便能達(dá)到很好的行走效果。本組小車采用螺栓連接各處，雖然少了許多的故障出現(xiàn)，但有過多的能量損耗，導(dǎo)致前進(jìn)距離減小。于是想法改進(jìn)，使小車能量損失減少，同時(shí)故障出現(xiàn)的次數(shù)減少，穩(wěn)定性能較好，避障多，前進(jìn)遠(yuǎn)。由于重物支撐桿沒有在小車中軸線上，可能導(dǎo)致小車在左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，重心的偏置產(chǎn)生較大的慣性矩，從而需要車輪產(chǎn)生更大的摩擦力矩來平衡。重心調(diào)制也很必要。根據(jù)實(shí)際需要，可以通過添加附帶重物，使小車的重心達(dá)到調(diào)節(jié)。另外，由于重物塊在下落時(shí)，由于左右搖晃會(huì)加劇小車不穩(wěn)定性，故需添加輔助結(jié)構(gòu)，使物塊能在豎直線上運(yùn)動(dòng)?？梢杂眉?xì)線或鐵絲在重物支撐桿頂端和底盤之間，套出一個(gè)固定豎直軌道，是物塊豎直下落，而且不能過大地左右搖晃。4.4 課題的意義本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的小車在第一代無碳小車的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，吸收了工程綜合能力訓(xùn)練競(jìng)賽時(shí)部分其他學(xué)校的小車的一些特點(diǎn)制作的。通過這次無碳越障小車的設(shè)計(jì)和制作，我可以將我在比賽中學(xué)到東西通過實(shí)物展示出來，可以給以后參加比賽的同學(xué)作個(gè)參照，讓他們少走彎路。真正地體現(xiàn)了我們參加比賽的意義。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄254.5 成果展示圖 4.1 無碳越障小車實(shí)物照片