8字形無碳小車

1、四川大學(xué)錦江學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）無碳小車機械設(shè)計及其自動化專業(yè)【摘要】 “無碳小車”是2013年第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽主題。此次競賽分為兩個小組，即“s”和“8”字組，我們本次的分組是“8”字組，所謂“8”字就是讓小車在重物重力勢能的作用下讓小車在半張標(biāo)準(zhǔn)的乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上繞“8”字，并且在繞行的過程中能自動避開障礙物（障礙物的距離在300-500mm的范圍變化），在小車的整個設(shè)計過程中，采用了現(xiàn)代設(shè)計發(fā)明理論方法，如參數(shù)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等，并運用了autocad 、proe等軟件輔助設(shè)計。設(shè)計過程嚴(yán)謹(jǐn)，各個零部件的運動軌跡都從數(shù)學(xué)的角度得到了論證。

2、將小車的設(shè)計分為四個過程：方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、制作調(diào)試、設(shè)計總結(jié)，通過對每個過程的深入的研究，嚴(yán)格控制每個過程，盡可能使小車的整體效果更佳。 方案設(shè)計過程依據(jù)據(jù)比賽對小車功能的要求，我們根據(jù)機器的構(gòu)成（原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架 、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)六個模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計。對每個模塊采用多方案設(shè)計的設(shè)計原則，根據(jù)實際情況進(jìn)行綜合比對，選擇出最優(yōu)的組合。最終選擇的方案是：車架采用三角底板式、原動件采用了錐形軸的、傳動機構(gòu)采用了齒輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用用曲柄連桿、行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速、微調(diào)機構(gòu)采用微調(diào)螺母螺釘。在轉(zhuǎn)向機

3、構(gòu)中，采用了不完全齒輪，在不完全齒輪的設(shè)計中，最重要的是參數(shù)的確定，通過小車軌跡的研究，最終確定合適的參數(shù)。技術(shù)設(shè)計過程先對方案設(shè)計過程中所選方案進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從理論上進(jìn)行分析和論證，根據(jù)理論力學(xué)對小車進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析，然后用proe對小車進(jìn)行實體建模，在建模的過程中對小車的每個零部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等 由于小車的受力不大，所以大量采用膠接，小車加工完成后，通過小車的實際運動，對小車進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它達(dá)到最佳狀態(tài)。 最后總結(jié)本次比賽的得與失，在以后的工作學(xué)習(xí)中努力去彌補自己的不足?！娟P(guān)鍵詞】： 無碳小車 “8”字形 自動避障 不完全齒輪設(shè)計 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 傳動

4、系統(tǒng)carbon-free car【abstract 】 carbon-free car is in 2013 the third session of the national college students engineering training comprehensive ability competition thesis topic. the competition is divided into two groups, namely the s and 8 the word group, we the group is 8 the word group, the so-call

5、ed 8 the word is to let the car under the action of the gravitational potential energy of let the car in half a standard table tennis (length 1525 mm, 1370 mm wide) around the eight word, and can automatically avoid obstacles in the process of round (obstacle distance changes in the range of 300 mm

6、to 500 mm), in the whole design process of car, i used the modern design theory, such as parameterized counsels, system design, and using the autocad, proe software aided design, etc. trajectory of every parts and components in the design process is rigorous, all from the perspective of mathematical

7、 demonstration. i will car design is divided into four stages: project design, technical design and production of commissioning and design summary, through in-depth study of each process, strict control of each process, as far as possible to make the car the overall effect is more better. design pro

8、cess, according to event based on the car function requirements, we according to the composition of the machine (prime mover structure, transmission mechanism, actuators, control part, auxiliary part) put the car into the frame, engine structure, transmission mechanism, steering mechanism, travel me

9、chanism, fine-tuning mechanism of six modules, carries on the modular design. for each module adopts the design principle of the design, make a comprehensive comparison according to actual condition, choose the optimal combination. final selection scheme is: the frame adopts triangle plate type, the

10、 original piece by using the cone shaft, gear transmission mechanism adopted travel mechanism and steering mechanism with the crank connecting rod, differential, fine-tuning mechanism is realized by using single wheel drive using trimming nut screw. in steering mechanism, we used the incomplete gear

11、 design, in the design of incomplete gear, the most important is the determination of parameters, we through the car track research, finally determine the appropriate parameters. technology design process we selected in the process of the design plan for mathematical modeling, analysis and theoretic

12、al demonstration, according to the theory of mechanics of kinematics and dynamics analysis was carried out on the car, and then use proe to entity modeling, the car in the process of modeling squadron car design of each component in detail, considering parts material performance, processing technolo

13、gy, cost etc produced in the process of debugging in addition to bearing all the parts are made by our own manual processing, due to the stress of the car is not big, so we meet with glue in great quantities, car processing is completed, through the actual movement of the car, adjusted for the car,

14、make it to your best. finally summarizes the gain and loss of the game, in the later work and study hard to make up for the shortage. 【keywords】: carbon-free car 8 glyph automatic obstacle avoidance incomplete gear design steering mechanism the transmission system i目 錄1 緒論11.1 論題背景11.2 小車功能設(shè)計要求11.3

15、“8”字形的實現(xiàn)21.4 小車的設(shè)計方法22 方案設(shè)計32.1 車架52.2 原動機構(gòu)52.3 傳動機構(gòu)62.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)72.5 行走機構(gòu)82.6 微調(diào)結(jié)構(gòu)92.7 方案設(shè)計總結(jié)103 技術(shù)設(shè)計103.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)103.1.1 小車的軌跡103.1.2 軌跡的計算113.1.3 小車的轉(zhuǎn)向原理113.1.4 小車的最大轉(zhuǎn)角123.2 初選齒輪參數(shù)133.2.1 傳動比的確定133.2.2 齒輪模數(shù)的確定133.2.3 齒輪其它參數(shù)的確定134.齒輪的計算（注：以下公式均來自邱宣懷.機械設(shè)計.第四版）144.1 齒面接觸疲勞強度計算144.2 校核計算154.3 確定傳動主要尺寸165 軸承

16、的選取186 軸的選取207 總結(jié)217.1 小車的優(yōu)缺點217.2 設(shè)計心得21參考文獻(xiàn)22附錄：小車裝配圖（3d）23致 謝241 緒論1.1 論題背景為了促進(jìn)各高校提高工程實踐和工程訓(xùn)練教學(xué)改革和教學(xué)水平，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計意識、綜合工程應(yīng)用能力與團(tuán)隊協(xié)作精神，促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)知識與綜合能力的培養(yǎng)、理論與實踐的有機結(jié)合，養(yǎng)成良好的學(xué)風(fēng)，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件，開辦了由教育部、財政部資助的全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽，而本次競賽的主題就是無碳小車。1.2 小車功能設(shè)計要求圖121 無碳小車示意圖 圖122：競賽項目所用乒乓球臺及 障礙設(shè)置圖設(shè)計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量

17、轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1kg的重塊（5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差4002mm（見圖1-2-1）。小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm 見圖1-2-2）上，繞相距一定距離的兩個障礙沿8字形軌跡繞行，繞行時不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個圓棒，相距一定距離放置在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺的中線上，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來綜合評定成績。要求1 小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。要求2 小車具有轉(zhuǎn)向控制

18、機構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競賽場地。 要求3 小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。1.3 “8”字形的實現(xiàn)圖1-3-1 小車軌跡設(shè)計圖通過不完全被齒輪的間歇運動來實現(xiàn)“8”字形，當(dāng)不完全齒輪（此時處于不帶齒的部分）與曲柄軸的齒輪未嚙合時，前輪保持原有的轉(zhuǎn)向角不變，小車做圓周運動，即圖1-3-1描紅的部分。當(dāng)不完全齒輪（此時處于帶齒的部分）與曲柄軸的齒輪嚙合時，小車前輪的轉(zhuǎn)向角發(fā)生變化使小車走圖1-3-1描黑部分。周而復(fù)始使小車重復(fù)走“8”字1.4 小車的設(shè)計方法 小車的設(shè)計一定要做到目標(biāo)明確，通過對命題的分析我們得到了比較清晰

19、開闊的設(shè)計思路。作品的設(shè)計需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計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)發(fā)明理論方法。下面是我們設(shè)計小車的流程（圖131） 圖131 小車的流程圖2 方案設(shè)計 通過對小車功能的分析，小車需完成重力勢能的轉(zhuǎn)化、驅(qū)動自身行走、自動避障（包括小車的調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于適應(yīng)障礙物之間距離的變化）。為了使小車的設(shè)計和制作的方便，可以將小車分為六個模塊，即車架 、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)。為了使小車的性能更好，我做了多種可行的方案，通過綜合

20、比較，最終確定合適的方案,方案設(shè)計如表201表201方案設(shè)計車 架三角式底板骨架式底板原動機構(gòu)繩輪式彈簧儲能式傳動機構(gòu)鏈輪式直齒輪表201方案設(shè)計(續(xù)表)傳動機構(gòu)蝸桿傳動斜齒輪帶傳動轉(zhuǎn)向機構(gòu)曲柄搖桿凸輪機構(gòu)圓柱凸輪普通凸輪差速轉(zhuǎn)向行走機構(gòu)雙輪同步單輪驅(qū)動雙輪差速驅(qū)動微調(diào)機構(gòu)微調(diào)螺母滑槽在在選擇方案時應(yīng)該綜合考慮無碳小車的功能、材料、加工和制作成本等因素，同時在設(shè)計應(yīng)避免自己的主觀意識，使選擇的方案是綜合最優(yōu)。圖小車功能圖圖4小車成本圖圖小車制作圖2.1 車架車架不用承受很大的力,對加工精度要求低,考慮到加工的難易程度和取材的方便,車板選擇3mm厚的鋁，而且鋁板的強度也夠，將鋁板加工成三角底板式

21、(如圖2-1-1)。圖2-1-1 車架2.2 原動機構(gòu) 原動機構(gòu)是一種將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化小車驅(qū)動力的機構(gòu)，而實現(xiàn)此功能的方案有很多種，考慮工作效率和機構(gòu)的簡潔，原動機構(gòu)采用繩輪式，此機構(gòu)摩擦力為滾動摩擦，從大大地減少了能量的消耗。與此同時，小車在實際運動過程中還應(yīng)滿足下列要求： 1.小車在運動過程中速度不能太快，速度太快會使小車在拐彎處側(cè)翻或重物搖晃的厲害，影響小車的行進(jìn)。因而驅(qū)動力不能太大。2.小車啟動后在前進(jìn)的過程中，由能量守恒定律m2gh=m1v12+m2 v22+w(m1為小車總質(zhì)量，m2重物的質(zhì)量，v1小車的速速，v1重物下落的速度，v2重物下落的高度，g重力加速度，w摩擦力做功總

22、和) 可以看出：要使重物的重力勢能盡可能多的轉(zhuǎn)成小車的動能應(yīng)該減少小車下落的速度以提高能量的利用率。3.小車在前進(jìn)的過程中,在不同時期需要不同的驅(qū)動力,例如啟動時和啟動后需要的驅(qū)動力不同。因此小車的驅(qū)動力要可調(diào)。為了滿足以上要求，設(shè)計如圖（如圖2-1-1）所示所示的機構(gòu)，此機構(gòu)可以通過繞線輪不同位置有不同的半徑來實現(xiàn)驅(qū)動力的可調(diào)(半徑不同提供的轉(zhuǎn)矩就不同,半徑越大提供的轉(zhuǎn)矩就越大)，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。圖2-1-1 原動機構(gòu)2.3 傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)是將原動機構(gòu)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力傳遞給轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪使小車運動和轉(zhuǎn)向。傳動機構(gòu)的精度和傳遞效率將直接影響小車的運動的軌跡和小車運動的路程，而且傳動機構(gòu)還

23、應(yīng)具有傳動穩(wěn)定、可靠、機構(gòu)簡單、質(zhì)量輕等特性。常見的傳動方式有很多，適合無碳小車傳動方式有：1.帶傳動。它具有能緩和載荷沖擊、運行平穩(wěn)、制造和安裝精度要求不高、過載保護(hù)、可以適應(yīng)較大的中心距等優(yōu)點，但帶傳動的傳動效率低，而且不能保持準(zhǔn)確的傳動比。2.鏈傳動。它具有沒有滑動、傳動尺寸比較緊湊、不需要很大的張緊力、傳動效率高等優(yōu)點，但鏈傳動只能用于平行軸，而且傳動過程中瞬時速度不均勻，制造成本也高。3.蝸桿傳動。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、沖擊震動小和有很大的單級傳動比，但蝸桿傳動效率低，對材料要求高，成本高。4.齒輪傳動。它具有工作可靠、使用壽命長、瞬時傳動比為常、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、功率和速度

24、適用范圍很廣等優(yōu)點。因此基于上述的幾種傳動機構(gòu)的優(yōu)缺點，齒輪傳動最適合小車的傳動，而且齒輪還能變位安裝。2.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是小車的關(guān)鍵部分，它將直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能減少摩擦消耗的能量，結(jié)構(gòu)件簡單，最重要的是轉(zhuǎn)向機構(gòu)要具有能使小車按照預(yù)先設(shè)計好的軌跡行走的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，從而帶動轉(zhuǎn)向輪左右擺動使小車自動避開障礙物繞“8”字。能實現(xiàn)此功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)加搖桿、曲柄連桿加搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。1.凸輪機構(gòu)：凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它通常為主動件作等速轉(zhuǎn)動，通過與推桿高副接觸使推桿做任意預(yù)先設(shè)計好的往復(fù)運動。優(yōu)點

25、：只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預(yù)期的運動規(guī)律，而且響應(yīng)速度快，機構(gòu)簡單緊湊，運動可靠。缺點：凸輪機構(gòu)輪廓線與推桿之間為點、線接觸，易磨損，凸輪的加工制作比較困難。2.曲柄連桿加搖桿：曲柄連桿加搖桿是一種桿件構(gòu)件組成的連桿機構(gòu)。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，其運動副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制作容易，而且連桿機構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對保證工作的可靠性有利。在連桿機構(gòu)中，可改變各桿件的相對長度得到不同的運動規(guī)律。缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設(shè)計較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就

26、使機構(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，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構(gòu)中做平面復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。3.曲柄搖桿：結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。但是存在急回運動4.差速轉(zhuǎn)彎：差速拐是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障。根據(jù)小車的功能要求，小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)必須滿足以下條件：1.結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。2.小車軌跡對稱，因此小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)不能存在急回運動。

27、3障礙物間的距離可變，轉(zhuǎn)向機構(gòu)也要可調(diào)。綜合上述的傳動方式的優(yōu)缺點設(shè)計了如圖2-4-1所示的機構(gòu)。此機構(gòu)不但具有曲柄連桿機構(gòu)的優(yōu)點，而且沒有急回特性,設(shè)計簡單,加工容易,此機構(gòu)最大的優(yōu)點原動件和從動件的運動成正弦關(guān)系。圖2-4-1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)2.5 行走機構(gòu) 行走機構(gòu)是3個輪子，在輪子的設(shè)計應(yīng)從輪子的半徑、厚度、材料等三個方面綜合考慮。由摩擦理論可知，摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為為： 注: 對于相同的材料為一定值。滾動摩擦阻力,由公式可以看出滾動摩擦力與輪子的半徑成反比，因此輪子的半徑越大，所受滾動摩擦力越小,小車跑得更遠(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。 小車行駛的軌

28、跡是曲線，在行駛的過程中，后輪會產(chǎn)生差速。后輪的驅(qū)動方式大致有三種，即：雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。雙輪同步驅(qū)動：小車是按曲線行駛的，因此小車兩后輪所走的路程并不相同，采用雙輪同步驅(qū)動必然導(dǎo)致在行駛的過程總有一個后輪打滑，由于滑動摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滾動摩擦力，從而損失了大量的能量，同時小車前進(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：雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(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，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運動。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成

29、為主動輪，這樣交替變換著。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(zhǔn)確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。單輪驅(qū)動：單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。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，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。綜上所訴：根據(jù)各驅(qū)動機構(gòu)的特點，結(jié)合實際情況，單輪驅(qū)動效率高、傳動精度高，適合小車。不用附加差速器或單向軸承。圖2-5-1 單輪驅(qū)動2.6 微調(diào)結(jié)構(gòu) 一臺完整的機器包括：原動機、傳動機、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機

30、構(gòu)就屬于小車的控制部分。小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)選擇了正弦機構(gòu)，在各桿件的在加工時存在加工誤差，裝備時存在裝備誤差，因此小車的結(jié)構(gòu)中必須包括有微調(diào)機構(gòu)，微調(diào)機構(gòu)的作用就是調(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)機構(gòu)可以采用下面兩種方式微調(diào)螺母式、滑塊式如圖261。圖261 微調(diào)機構(gòu) 2.7 方案設(shè)計總結(jié) 以上關(guān)于小車的方案設(shè)計, 由于理論分析與實際情況有差距，只能通過理論分析得出較優(yōu)的方案而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們設(shè)計了一種機構(gòu)簡單的小車，通過小部分的改動便可以改裝成其它方案，再通過試驗比較得到最優(yōu)的小車。3 技術(shù)設(shè)計 技術(shù)設(shè)計階段的目標(biāo)是完成詳細(xì)設(shè)計確定個零部件的的尺寸

31、。設(shè)計的同時綜合考慮材料加工成本等各因素。3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接控制著小車所走的軌跡，它決定著小車在繞“8”字的過程中偏離預(yù)先設(shè)計的軌跡的偏離程度。3.1.1 小車的軌跡 軌跡的設(shè)計至關(guān)重要,它會直接影響小車最終成績,同時也影響著轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計?！?”字形的軌跡有很多種，由于方案設(shè)計中轉(zhuǎn)向機構(gòu)所選的是正弦機構(gòu)，所以軌跡采用正弦加圓(如圖311)，此軌跡可以通過不完全齒輪的間歇運動來實現(xiàn)，但在設(shè)計中需要注意控制好不完全的間歇比和不完全齒輪的自鎖機構(gòu)。 圖311 小車軌跡3.1.2 軌跡的計算小車的軌跡是由正弦曲線加圓組成的,曲線的振幅a=350mm 波長 =800mm 設(shè)正弦曲線的長度為l

32、1 ，圓弧長度為l2 ,正弦曲線部分的函數(shù)表達(dá)式為： x則正弦曲線的長度為： 圓弧的長度為: 將數(shù)據(jù)帶入上式有: l1 = l2 = 2198 mm注：在計算正弦曲線的長度時，由于此積分不是常規(guī)積分，因此會給計算帶來帶來難度，但在計算時可以用極限的思想設(shè)計個c程序去計算，大大降低了難度。由上述計算可知：圓弧曲線的長度l2和正弦曲線的長度l1之比為1：1。因此不完全齒輪的間歇比可取1:1。3.1.3 小車的轉(zhuǎn)向原理小車的簡圖如圖312 圖312 小車簡圖由機械原理可知，小車的速度瞬心為前輪垂直方向和后輪連線的交點，即o點。因此小車在前進(jìn)的過程過是繞o點做圓周運動，轉(zhuǎn)向輪所轉(zhuǎn)的角度不同，速度瞬心的

33、位置也不同，各個輪子的回轉(zhuǎn)半徑也不同，因而軌跡也不同。3.1.4 小車的最大轉(zhuǎn)角所謂最大轉(zhuǎn)角就是小車在前進(jìn)的過程轉(zhuǎn)向輪向左或向右轉(zhuǎn)過的最大角度,即小車走圓弧段的轉(zhuǎn)角。當(dāng)小車出去最大轉(zhuǎn)角時，其幾何關(guān)系如下圖： 圖313設(shè)小車的最大轉(zhuǎn)角為，則由幾何關(guān)系可知： =aoh 小車的最大回轉(zhuǎn)半徑為rmax=350mm 前后輪之間的距離|ah|=200mm將|ao|=rmax=350mm |ah|=200帶入上式有： 所以最大轉(zhuǎn)角位：=aoh=arcsinaoh=353.2 初選齒輪參數(shù)3.2.1 傳動比的確定齒輪的傳動比也是決定小車性能的關(guān)鍵因素,它影響著小車所走路成的遠(yuǎn)近,大的傳動比會使小車跑得更遠(yuǎn),但

34、是如果小車的傳動比過大,小車將很難被驅(qū)動,因此傳動比也不要過大。小車的傳動比與主動輪的直徑的關(guān)系如下表：傳動比i12345驅(qū)動輪直徑d700350233.3333175140 表321 傳動比與后輪直徑的關(guān)系因此傳動比可選： i=4 d=1753.2.2 齒輪模數(shù)的確定模數(shù)m是齒輪的一個重要參數(shù),齒距p與的比值，即 m=p/模數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，下表是國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t 1357-1987 所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列。 表322 圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（gb/t 1357-1987）由于小車在原地繞“8”字，為了使小車一直按所設(shè)計的路線走，就必須使小車的精度足夠高，因此齒輪要選擇模數(shù)較小的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，根據(jù)上

35、表（表322），齒輪的模數(shù)可選擇m=1。3.2.3 齒輪其它參數(shù)的確定 小車的齒輪采用標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)的漸開線齒輪，齒輪的其他參數(shù)如下表： 表323 齒輪其它參數(shù)齒輪類別齒輪參數(shù)大齒輪小齒輪齒數(shù)10025壓力角20。20。表323 齒輪其它參數(shù)（續(xù)表）齒輪類別齒輪參數(shù)大齒輪小齒輪分度圓直徑100mm25齒頂圓直徑102mm27齒根圓直徑97.5mm22.5mm4.齒輪的計算（注：以下公式均來自邱宣懷.機械設(shè)計.第四版）根據(jù)小車的功能和求,小車的轉(zhuǎn)動選用知齒輪。齒輪選用的材料、熱處理及對應(yīng)的硬度如下：小齒輪 gr 調(diào)制處理 硬度260hb大齒輪 45鋼 調(diào)制處理 硬度 240hb4.1 齒面接觸疲勞強度

36、計算 經(jīng)上網(wǎng)查得，無碳小車后輪與地面的摩擦因數(shù)為0.7，小車前進(jìn)遇到的阻力f大約為1n。轉(zhuǎn)矩為 t1=f*r=1*87.5=87.5mm.n齒輪寬系數(shù) 由表12.13 取=0.8接觸疲勞極限 由圖12.17 =710mpa =580mpa初步計算的許用接觸應(yīng)力h h1=0.9*=0.9*710=639mpa (式12.15) h2=0.9*=0.9*580=522mpa ad值 由表12.16 取 ad=90初步計算小齒輪 d1ad (式12.14) =90*=6.78mm初步計算齒寬 b= d1=5.4mm 取b=5mm4.2 校核計算圓周速度 v=0.10m/s精度等級 由表12.6 選擇

37、7級精度齒數(shù)z和模數(shù) m 初取齒數(shù) z1=25 z2=i*z1=25*4=100 所以 m=0.4 取 m=1 則 d1=m*z1=25mm d2=m*z2=100mm使用系數(shù)ka 由表12.9 ka=1.35動載系數(shù)kv 由表12.9 kv =1.07齒間載荷分布系數(shù)kh 由表12.10先求 f=14 =2.9 n/mm 100n/mm端面重合度 a=1.88-3.2*()cos (直齒輪 =0) （式12.6） =1.88-3.2*（）=1.72重復(fù)度系數(shù)z z=0.87 (式12.10) 由此得： kh=1.32齒向載荷分布系數(shù)kh 由表12.11 kh=a+b1+0.6()2 ()2+

38、c*10-3 =1.11+0.16*1+0.6*()2*()2+0.47*0.16*10-3 =1.11載荷系數(shù)k k=kakvkhkh=1.35*1.07*1.32*1.11=2.12 (式12.5)彈性系數(shù)ze 由表12.12 ze=189.8節(jié)點區(qū)域系數(shù)zh 由圖12.16 zh=2.5接觸最小安全系shmin 由表12.14 shmin=1.05總工作時間th th=2*300*8*0.25=1200h應(yīng)力循環(huán)次數(shù)nl nl1= th*200*60=1.44*106 nl2= nl1/4=3.6*105接觸壽命系數(shù)zn 由圖12.18 zn=1.35許用接觸應(yīng)力h =789mpa (式

39、12.11) =690mpa驗算 h=zezhz (式12.8) =189.9*2.5*0.87 =163.77mpa 所以 hh2 計算結(jié)果表明，接觸疲勞較適合，齒輪尺寸無需調(diào)整4.3 確定傳動主要尺寸實際分度圓直徑d 因模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)時，齒數(shù)已確定，但未圓整，故分度圓的直徑不會改變，即： d1=mz1=1*25=25 d2=mz2=1*100=100中心距a a=62.5齒寬b 取b=10齒根彎曲強度驗算： 重合度系數(shù)y y=0.25+=0.25+=0.69 (式12.18)齒間載荷分布系數(shù)kfa 由表12.10 kfa=1.1齒向載荷分布系數(shù)kf b/h=2 由表12.14 kf=1.07載

40、荷系數(shù)k k=kakvkfkf=1.35*1.07*1.1*1.07=1.70齒形系數(shù)yf 由圖12.21 kf1=2.5 kf2=2.21應(yīng)力修正系數(shù)ys 由圖12.22 ys1=1.58 ys2=1.82彎曲疲勞極限fmin 由圖12.23c fmin1=600mpa fmin2=450mpa彎曲最小安全系數(shù)sflim 由表12.14 sflim=1.25彎曲壽命系數(shù)yn 由圖12.24 yn1=1.12 yn2=1.4尺寸系數(shù)yx 由圖12.25 yx=1.0許用彎曲應(yīng)力f f1=537.6mpa （式12.19） f2=504mpa驗算： f1=yf1ys1y (式12.16) =*2

41、.5*1.58*0.69=3.24 mpa h1 f2=f1=3.24*=3.16mpa h2傳動無過載 ，不作靜強度驗算5 軸承的選取 常見的軸承如下表： 表5-0-1 滾動軸承的主要類型及其代號軸承類型結(jié)構(gòu)簡圖、承載方向類型代號尺寸系列代號組合代號特性調(diào)心球軸承1(1)1(1)(0)222(0)323 12221323主要承受徑向載荷，也可同時承受少量的雙向軸向載荷。外圈滾道為球面，具有自動調(diào)心性能。 內(nèi)外圈軸線相對偏斜允許 23，適用于多支軸，彎曲剛度小的軸以及難于精確對中的支承。調(diào)心滾子軸承222222221322233031324041213222223230231232240241

42、用于承受徑向載荷，其承載能力比調(diào)心球軸承約大一倍，也能承受少量的雙向軸向載荷。外圈滾道為球面，具有調(diào)心性能，內(nèi)外圈軸線相對偏斜允許0.52，適用于多支點軸、彎曲剛度小的軸以及難于精確對中的支承表5-0-1 滾動軸承的主要類型及其代號(續(xù)表)推力調(diào)心滾子軸承222929394292293294可以承受很大的軸向載荷和一定的徑向載荷。滾子為鼓形，外圈滾道為球面，能自動調(diào)心，允許軸線偏斜 23，轉(zhuǎn)速可比推力球軸承高，常用于水輪機軸和起重機轉(zhuǎn)盤等圓錐滾子軸承333333333302031320222329303132302303313320322323329330331332能承受較大的徑向載荷和單向

43、的軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較低。 內(nèi)外圈可分離，故軸承游隙可在安裝時調(diào)整，通常成對使用，對稱安裝。適用于轉(zhuǎn)速不太高、軸的剛性較好場合。雙列深溝球軸承44(2)2(2)34243主要承受徑向載荷，也能承受一定的雙向軸向載荷它比深溝球軸承具有較大承載能力推力球軸承單向555511121314511512513514推力球軸承的套圈與滾動體多半是可分離的。單向推力球軸承只能承受單向軸向載荷，兩個圈的內(nèi)孔不一樣大，內(nèi)徑較小的是緊圈與軸配合，內(nèi)孔較大的是松圈，與機座固定在一起。極限轉(zhuǎn)速較低，適用于軸向力大而 轉(zhuǎn)速較低的埸合。雙向555222324522523524雙向推力軸承可承受雙向軸向載荷，中間圈為緊圈，與軸配合，另兩圈為松圈。 高速時，由于離心力大，球與保持架因摩擦而發(fā)熱嚴(yán)重，壽命較低。常用于軸向載荷大、轉(zhuǎn)速不高處。表5-0-1 滾動軸承的主要類型及其代號(續(xù)表)深溝球軸承666616666617371819(0)0(1)0(0)2(0)3(0)461763761861916060626364主要承受徑向載荷，也可同時承受少量雙向軸