無(wú)碳越障小車(chē)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、攀枝花學(xué)院Panzhihua University本科畢業(yè)設(shè)計(jì)無(wú)碳越障小車(chē)設(shè)計(jì)題 目： 無(wú)碳越障小車(chē)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 譚曉波 學(xué) 號(hào)： 201010601154 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān) 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： 楊濤 職 稱(chēng)： 實(shí)驗(yàn)師 二零一四年五月攀枝花學(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(lái)環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)明顯，傳統(tǒng)能源逐漸衰竭，鑒于此無(wú)碳小車(chē)的研制具有十分重要的意義。針對(duì)題目要求擬定了無(wú)碳越障小車(chē)的總體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)計(jì)算分析完成了無(wú)碳越障小車(chē)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(guò)pro/E模

2、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(guò)實(shí)體樣機(jī)的演示達(dá)到了規(guī)定功能。關(guān)鍵詞：無(wú)碳越障小車(chē)；環(huán)保；機(jī)械設(shè)計(jì)I攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） AbstractAbstractNowadays, 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 signific

3、ance. 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 physica

4、l 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） 目錄目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1 緒論11.1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.2 課題的基本內(nèi)容及研究意義21.3 本課題擬采用的研究手段32 無(wú)碳越障小車(chē)設(shè)計(jì)42.1 任務(wù)分析42.2 無(wú)碳越障小車(chē)總體方案設(shè)計(jì)42.3 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)

5、計(jì)62.3.1 滑輪的設(shè)計(jì)62.3.2 繞繩輪的設(shè)計(jì)82.3.3 重物支撐架的設(shè)計(jì)82.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)92.4.1 齒輪的設(shè)計(jì)92.4.2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)112.5 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)112.6 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)132.6.1 行走機(jī)構(gòu)方案的選擇132.6.2 后輪尺寸的計(jì)算142.7 微調(diào)機(jī)構(gòu)的選擇152.8 無(wú)碳越障小車(chē)的總體設(shè)計(jì)162.9 無(wú)碳越障小車(chē)部分零件設(shè)計(jì)172.9.1 無(wú)碳越障小車(chē)的底板設(shè)計(jì)172.9.2 無(wú)碳越障小車(chē)支架的設(shè)計(jì)183 無(wú)碳越障小車(chē)的制作193.1 三維模型的建立與運(yùn)動(dòng)仿真193.2 部分零件的工藝203.2.1 前輪叉架的工藝213.2.2 前輪的工藝223.3

6、無(wú)碳越障小車(chē)的裝配與調(diào)試224 課題的成果及創(chuàng)新244.1 課題的成果244.2 課題的創(chuàng)新24結(jié)論25參考文獻(xiàn)26附錄27致謝32II攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論1 緒論1.1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)無(wú)碳越障小車(chē)是工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的題目。如表1所示是第三屆工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中“S”型的小車(chē)全國(guó)前二十名。表1 第三屆工程綜合能力訓(xùn)練競(jìng)賽排名項(xiàng)目I參賽隊(duì)隊(duì)號(hào)總名次上海大學(xué)141西南石油大學(xué)062河南理工大學(xué)383山東理工大學(xué)274太原理工大學(xué)465安徽工程大學(xué)416北京理工大學(xué)457天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)028哈爾濱工業(yè)大學(xué)329華北電力大學(xué)0910桂林電子科技大學(xué)3711河南

7、科技大學(xué)4212重慶大學(xué)城市科技學(xué)院2913廈門(mén)大學(xué)3314北京航空航天大學(xué)3615福州大學(xué)0116上海工程技術(shù)大學(xué)2217湖南工程學(xué)院3518江西理工大學(xué)3919沈陽(yáng)建筑大學(xué)0520他們的車(chē)大致由車(chē)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)模塊組成。從六個(gè)部件分別對(duì)他們的小車(chē)進(jìn)行了分析得出如下結(jié)論：（1）車(chē)架材料都是選用密度比較小的硬質(zhì)材料（有機(jī)玻璃、硬鋁等）。（2）原動(dòng)機(jī)構(gòu)都是通過(guò)滑輪懸掛，不過(guò)有些小車(chē)的滑輪很大而且掛重物的線繩還在滑輪上繞有一定的圈數(shù)（我猜想可能是用于控制重物下降的速度，但具體作用還是有待驗(yàn)證）。（3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都是選用小模數(shù)的高傳動(dòng)比一級(jí)齒輪組來(lái)進(jìn)

8、行傳動(dòng)。（4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有的車(chē)用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)用球頭連桿連接、凸輪機(jī)構(gòu)兩種。（5）行走機(jī)構(gòu)分單輪驅(qū)動(dòng)、雙輪驅(qū)動(dòng)。（6）微調(diào)機(jī)構(gòu)有可調(diào)曲柄、曲柄盤(pán)，主要目的是為了改變曲柄的長(zhǎng)度來(lái)改變小車(chē)轉(zhuǎn)向的角度從而達(dá)到適應(yīng)不同場(chǎng)地不同障礙物的而要求。由于小車(chē)是純機(jī)械機(jī)構(gòu)控制所以對(duì)零件的加工精度和裝配精度要求非常高，而這些學(xué)校能夠跑出如此好的成績(jī)很大程度上要?dú)w功于精密的加工。另外，機(jī)構(gòu)的正確選用和長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試也和他們的成功息息相關(guān)。由于競(jìng)賽要求不斷地提高，比賽中使用的無(wú)碳越障小車(chē)將越來(lái)越趨向于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，穩(wěn)定性高，質(zhì)量輕，加工精度高的方向發(fā)展。新材料的使用以及新型加工技術(shù)的應(yīng)用，使無(wú)碳越障小車(chē)可以準(zhǔn)確地繞

9、過(guò)更多的障礙物同時(shí)前進(jìn)更遠(yuǎn)的距離。但是隨著加工精度的提高，小車(chē)的制作成本也會(huì)相應(yīng)的提高，所以我們應(yīng)該在成績(jī)和成本中間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。1.2 課題的基本內(nèi)容及研究意義目前全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)明顯，傳統(tǒng)能源逐漸衰竭。鑒于我國(guó)持續(xù)高速增長(zhǎng)的GDP在環(huán)境保護(hù)、人類(lèi)健康和工程安全方面，受到由于不穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的潛在威脅，我國(guó)迫切需要將新能源的尋找和利用、工業(yè)發(fā)展無(wú)碳驅(qū)動(dòng)的新時(shí)代課題引入現(xiàn)階段的社會(huì)進(jìn)步中。無(wú)碳小車(chē)的研制，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、便利等優(yōu)點(diǎn)，有助于我們找到更為環(huán)保綠色的能源，有利的能量轉(zhuǎn)化途徑，以及提高能量的利用效率。它將對(duì)傳統(tǒng)能源的逐漸取代有一定的意義。因此我們?cè)O(shè)計(jì)制作無(wú)碳小車(chē)，

10、希望可以找到新的方法來(lái)緩解能源和環(huán)保問(wèn)題。圖1.1： 無(wú)碳小車(chē)示意圖本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為“無(wú)碳越障小車(chē)”。該題目為全國(guó)第三屆大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽題目，無(wú)碳越障小車(chē)前進(jìn)的動(dòng)力直接由重物下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能提供，只通過(guò)重力勢(shì)能與機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，使得小車(chē)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和調(diào)節(jié)。無(wú)碳越障小車(chē)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)。設(shè)計(jì)一種小車(chē)，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(lái)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(lái)獲得，落差40

11、0±2mm，重塊落下后，須被小車(chē)承載并同小車(chē)一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車(chē)上掉落。圖1.1為小車(chē)示意圖。要求小車(chē)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(chē)在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過(guò)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(chē)前行的距離和成功繞障數(shù)量來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。見(jiàn)圖1.2。圖1.2： 無(wú)碳小車(chē)在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖要求經(jīng)過(guò)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(zhēng)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(chē)設(shè)計(jì)過(guò)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

12、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。1.3 本課題擬采用的研究手段技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對(duì)方案進(jìn)行了分析，綜合運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量學(xué)以及機(jī)械設(shè)計(jì)等分析。首先把小車(chē)分為車(chē)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)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)小車(chē)的功能分析小車(chē)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(kāi)障礙物等動(dòng)作。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

13、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)。32攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 無(wú)碳越障小車(chē)方案設(shè)計(jì)2 無(wú)碳越障小車(chē)設(shè)計(jì)2.1 任務(wù)分析“無(wú)碳越障小車(chē)，顧名思義，意思就是能以S形軌跡繞過(guò)一排間距可調(diào)的障礙物并且能節(jié)約能源的小車(chē)。難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如何才能讓小車(chē)在900mm1100mm的范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)，是亟待解決的問(wèn)題。根據(jù)對(duì)題目分析，可以知道無(wú)碳小車(chē)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(chē)行走的距離最長(zhǎng)和小車(chē)前行時(shí)如何避開(kāi)道路上設(shè)置的障礙物。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(xiě)出調(diào)研分析報(bào)告，擬定將給

14、定重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的結(jié)構(gòu)和小車(chē)自動(dòng)避障的機(jī)構(gòu)，確定小車(chē)一個(gè)周期行進(jìn)的路線和長(zhǎng)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(chē)車(chē)架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，小車(chē)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。2.2 無(wú)碳越障小車(chē)總體方案設(shè)計(jì)要求小車(chē)行走過(guò)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(lái)源。通過(guò)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(chē)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(chē)行走。這是參照市場(chǎng)上大多數(shù)玩具車(chē)能量?jī)?chǔ)存的方式。但是存在的問(wèn)題是小車(chē)的速度難于控制

15、，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(chē)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(guò)程中會(huì)有可能會(huì)損失更多的能量。（2）重物下落時(shí)，小車(chē)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(chē)行走一段距離。這是參照火車(chē)輪子的儲(chǔ)能原理。存在的問(wèn)題是：由于設(shè)計(jì)了直徑大且重的飛輪，所以小車(chē)開(kāi)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(chē)行走，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chē)軸上線的一端通過(guò)定滑輪連接在重物上，重物下落直接通過(guò)繩子帶動(dòng)小車(chē)前行。為了避免重物下落時(shí)因?yàn)樾≤?chē)的行走而擺動(dòng)，影響

16、小車(chē)行進(jìn)的軌跡，甚至使小車(chē)傾翻，因此在小車(chē)上設(shè)計(jì)了阻止小車(chē)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(chē)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。圖1.3 間距為900mm的余弦曲線圖1.4 間距為1000mm的余弦曲線圖1.5 間距為1100mm的余弦曲線通過(guò)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目分析可知小車(chē)的前進(jìn)路線，我們可以將它近似地看成余弦函數(shù)其中A為振幅，為頻率。函數(shù)的圖像就類(lèi)似于小車(chē)前進(jìn)的路線，如圖1.3,1.4,1.5為障礙物間距不同時(shí)對(duì)應(yīng)的函數(shù)圖像。由于小車(chē)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

17、，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(zhǎng)度，作出間距變化對(duì)應(yīng)距離表1.1。表1.1為小車(chē)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(guò)分析表1.1中的數(shù)據(jù)可取小車(chē)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(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)我們可以使小車(chē)能夠準(zhǔn)確的繞過(guò)障礙物。表1.1 不同間距對(duì)應(yīng)的余弦函數(shù)圖像長(zhǎng)度圖1.3,1.4,1.5為當(dāng)小車(chē)場(chǎng)地的障礙物取不同的間距時(shí)小車(chē)行走一個(gè)周期所經(jīng)過(guò)的路程的軌跡。為了保證小車(chē)順利的繞過(guò)障礙物，并且盡可能的前進(jìn)更遠(yuǎn)的路程，通過(guò)表1.1我們可以確定小車(chē)的起始位置，即

18、距離中線300mm500mm的范圍內(nèi)，以滿足小車(chē)越障要求。2.3 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.3.1 滑輪的設(shè)計(jì)小車(chē)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(chē)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(guò)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(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小車(chē)后輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)小車(chē)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(chē)勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物塊距小車(chē)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

19、動(dòng)輪的半徑變小，總轉(zhuǎn)速比提高，小車(chē)緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車(chē)。小車(chē)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(guò)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(chē)前進(jìn)提供能量。同時(shí)保證重物在下落的過(guò)程中不會(huì)晃動(dòng)。圖2.1 不同力臂時(shí)力矩示意圖由于質(zhì)量為1Kg的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）通過(guò)棉線繞過(guò)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，原理如圖2.1所示。由公式：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(chē)身長(zhǎng)度一定的前提下，把定滑輪的半徑盡可能的取得大的值。圖2.2

20、小車(chē)的滑輪為保證重物在下落過(guò)程中保持勻速，在滑輪上繞棉線時(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。圖2.2為滑輪的三維模型。2.3.2 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(chē)的驅(qū)動(dòng)力。在我們所學(xué)過(guò)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(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)。小車(chē)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(chē)拐彎時(shí)速度過(guò)大發(fā)生傾翻，或者是重塊晃動(dòng)厲害影響小車(chē)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(wú)碳小車(chē)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

21、我們要控制重物下落的速度。（3）到小車(chē)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(wú)碳小車(chē)小車(chē)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(jiǎn)單，效率高。繞繩輪設(shè)計(jì)有大直徑輪，便于小車(chē)啟動(dòng)，重物下落時(shí)，直接帶動(dòng)小車(chē)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車(chē)前進(jìn)，這種方法很易實(shí)現(xiàn)，又方便制作。也可以通過(guò)調(diào)整使小車(chē)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(chē)倒翻，在重物下落垂直上用絲桿固定重物下落軌跡。傳

22、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(chē)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(chē)達(dá)到更遠(yuǎn)的行駛路程。繞線輪模型如圖2.3。圖2.3 小車(chē)?yán)@繩輪模型2.3.3 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(guò)程中晃動(dòng)。支撐桿的長(zhǎng)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(chē)的正常運(yùn)行。重物支撐板的三個(gè)空

23、的直徑為6mm，通過(guò)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2.4。圖2.4 重物支撐架2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.4.1 齒輪的設(shè)計(jì)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(wú)碳越障小車(chē)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(lái)的較大的阻力和較大的傳動(dòng)誤差。圖2.5 齒輪的三維模型為了使小車(chē)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

24、時(shí)考慮到小車(chē)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(chē)輪轉(zhuǎn)6圈，較大的傳動(dòng)比和后輪直徑可以使小車(chē)前進(jìn)更遠(yuǎn)的距離。表2.1 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0.759620723小齒輪0.75166125為了減輕小車(chē)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(chē)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(guò)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)

25、行加工。表2.2為選擇的一對(duì)齒輪參數(shù)，圖2.5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(zhǎng)，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(jiǎn)

26、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(wú)噪聲,能緩沖、吸振;過(guò)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(zhǎng)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2.4.2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)由于小車(chē)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(chē)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

27、軸套對(duì)齒輪，繞繩輪，曲柄盤(pán)和后輪進(jìn)行徑向定位。圖2.6 軸上零件的布置兩根傳動(dòng)軸的中心距a的計(jì)算小車(chē)軸上零件的布置如圖2.6所示。2.5 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇是無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，這直接決定著無(wú)碳小車(chē)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(jiǎn)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(chē)轉(zhuǎn)向基本要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)前輪輪來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)拐彎避過(guò)障礙物的功能。根據(jù)題意，小車(chē)在前行時(shí)要求能夠自動(dòng)避開(kāi)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(shuō)明小車(chē)行駛的路線是周期性變化的。

28、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(chē)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(chēng)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(jiǎn)

29、單。而且可以省去了中間環(huán)節(jié)，另外還可以簡(jiǎn)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(wú)法微調(diào)，磨損后直接報(bào)廢，間這樣就接提高了校車(chē)的成本。因此建議如果沒(méi)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(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(lái)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(lái)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

30、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(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。小車(chē)在前行時(shí)要求能夠自動(dòng)避開(kāi)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(chē)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

31、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(chē)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(chē)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(chē)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(guò)減少曲柄長(zhǎng)度，增大連桿長(zhǎng)度，來(lái)使搖桿擺動(dòng)加速、減速對(duì)稱(chēng)，從而使小車(chē)走光滑對(duì)稱(chēng)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(zhǎng)度都可以調(diào)整。以調(diào)整小車(chē)行駛時(shí)軌

32、跡振幅的大小。兩后輪在小車(chē)避障轉(zhuǎn)彎處行駛路徑不等，依據(jù)三輪車(chē)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(chē)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。根據(jù)比較各種導(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(wú)碳越障小車(chē)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。盡管安裝苦難，但是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，我們依然能夠很準(zhǔn)確的找到使小車(chē)?yán)@過(guò)不同間距障礙物的連桿長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度，減小曲柄長(zhǎng)度。由于該機(jī)構(gòu)為空間機(jī)構(gòu)，我們把機(jī)構(gòu)通過(guò)球面副連接。根

33、據(jù)市面上現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)球面副，為了保證小車(chē)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(guò)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(chē)條幅，兩端用板牙車(chē)絲。如圖2.6所示為無(wú)碳小車(chē)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的三維模型。圖2.6 小車(chē)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維模型2.6 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.6.1 行走機(jī)構(gòu)方案的選擇由于小車(chē)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

34、）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(chē)前進(jìn)受到過(guò)多的約束，無(wú)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(wèn)題，可以通過(guò)差速器或單向軸承來(lái)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(guò)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(chē)的功能還需進(jìn)一步分析。（3）單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一

35、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(chē)外加兩個(gè)車(chē)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(chē)。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(chē)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(chē)的軌跡為正弦曲線，所以?xún)珊筝喴粋€(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(wèn)題，但差速器加工困難，網(wǎng)上可以買(mǎi)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(chē)的成本。而且實(shí)際

36、運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了精度過(guò)高不宜調(diào)整的問(wèn)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(jiǎn)單有效。2.6.2 后輪尺寸的計(jì)算由1.3可知，無(wú)碳越障小車(chē)的前進(jìn)路線近似于余弦函數(shù)我們以障礙物間距為1mm為基準(zhǔn)，A=0.3時(shí)函數(shù)關(guān)系為對(duì)函數(shù)求導(dǎo)對(duì)這個(gè)函數(shù)進(jìn)行曲線積分由式可知小車(chē)每個(gè)周期前進(jìn)的距離S=2.8m，小車(chē)的傳動(dòng)比為1:6?？梢杂?jì)算小車(chē)后輪直徑d解之得d=148mm。小車(chē)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(chē)前行

37、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(chē)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(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)s=2827mm。在前進(jìn)過(guò)程中，一個(gè)周期小車(chē)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。2.7 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，原因之二是為了調(diào)整無(wú)碳小車(chē)的軌跡（幅值，周期，方向等），只有這樣才能夠使小車(chē)在運(yùn)行時(shí)能夠行走出一條最優(yōu)的軌跡。圖2.7 曲柄

38、盤(pán)另外根據(jù)題目的要求，無(wú)碳小車(chē)需要繞過(guò)不同距離的障礙物。這就需要我們通過(guò)改變曲柄的長(zhǎng)度來(lái)改變小車(chē)的路線。常用的曲柄長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置有：曲柄，曲柄盤(pán)，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(pán)作為微調(diào)機(jī)構(gòu)。曲柄盤(pán)模型如圖2.7。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(zhǎng)度可微調(diào)，曲柄采用帶有若干不同距離小孔的圓盤(pán)，每個(gè)小孔在徑向方向相差0.22mm，如圖可根據(jù)小車(chē)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(guò)螺紋微調(diào)精確調(diào)整其長(zhǎng)度，讓小車(chē)轉(zhuǎn)向幅度均勻，繞行路線穩(wěn)定。2.8 無(wú)碳越障小車(chē)的總體設(shè)計(jì)小車(chē)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

39、他安裝材料都在車(chē)身上方，方便操作，同時(shí)降低了車(chē)身的高度，減小了小車(chē)翻轉(zhuǎn)的可能，有利于小車(chē)行駛的穩(wěn)定性。小車(chē)底盤(pán)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(guò)程后半段車(chē)速較高時(shí)可能翻車(chē)，且負(fù)重后對(duì)小車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏度也有一定的影響，最大限度的避免了翻車(chē)的危險(xiǎn)。圖2.8 小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖整個(gè)車(chē)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(chē)身受集中載荷而導(dǎo)致車(chē)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(chē)在前進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生晃動(dòng)從而使小車(chē)重心不穩(wěn)而導(dǎo)致翻車(chē)。小車(chē)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

40、前進(jìn)的良好配合。無(wú)碳小車(chē)前窄后寬，大致呈三角形，小車(chē)的車(chē)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(chē)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)平行四邊形的有機(jī)玻璃板（用來(lái)橫置齒輪軸），整個(gè)車(chē)身形狀似魚(yú)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧靈活。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.8所示。2.9 無(wú)碳越障小車(chē)部分零件設(shè)計(jì)小車(chē)零件總體來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)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(chē)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(jiǎn)單緊湊，加工難度適中，易于裝拆，材料購(gòu)買(mǎi)方便，成本較低。相關(guān)零件的設(shè)計(jì)如下： （1）本組小

41、車(chē)車(chē)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(chē)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(chē)前進(jìn)過(guò)程中由于摩擦力過(guò)大、轉(zhuǎn)向打滑、加速度過(guò)快等原因造成的翻車(chē)。（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(chē)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。兩后輪間距較小，前輪采用5的軸和軸承相配合。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為使小車(chē)的轉(zhuǎn)向更靈敏，需要將車(chē)輪兩側(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(wèn)題。采用的硬鋁。（5）

42、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，使用了一根材料輕便且?guī)菁y的3鋁棒，其前端為一空間關(guān)節(jié)軸承。（6）小車(chē)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(guò)盈配合，后輪與軸采用過(guò)盈配合。（7）小車(chē)的車(chē)輪采用軸套與軸連接，增大了車(chē)輪與軸的接觸面積，見(jiàn)笑了車(chē)輪的晃動(dòng)。2.9.1 無(wú)碳越障小車(chē)的底板設(shè)計(jì)小車(chē)所有零部件均以底盤(pán)為基礎(chǔ)進(jìn)行裝配，主要采用螺釘或螺栓連接，這樣可以方便拆卸和調(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(chē)前輪叉架、前軸、后輪軸以及滑輪上均裝有球軸承，軸承與支撐零件均采用過(guò)盈配合。小車(chē)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(chē)撞桿時(shí)被

43、卡住。小車(chē)的底板由7.6mm有機(jī)玻璃制成，底板上面有部分鏤空，讓無(wú)碳越障小車(chē)外觀更好看的同時(shí)可以減輕小車(chē)質(zhì)量。圖2.9為小車(chē)底板模型。圖2.9 小車(chē)底板模型2.9.2 無(wú)碳越障小車(chē)支架的設(shè)計(jì)小車(chē)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2.10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(guò)盈配合。圖2.10 兩種形狀的支架右邊的支架將錢(qián)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

44、叉架為基準(zhǔn)，這樣可以減少裝配過(guò)程中前軸后軸上各個(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） 3 無(wú)碳越障小車(chē)的制作3 無(wú)碳越障小車(chē)的制作3.1 三維模型的建立與運(yùn)動(dòng)仿真圖3.1 小車(chē)三維模型展示三維建模就是通過(guò)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(guò)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(chē)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(chē)整體布局是夠合理，讓我們?cè)谥谱餍≤?chē)的過(guò)程中有一個(gè)參照。接下來(lái)我

45、們通過(guò)使用proe建立小車(chē)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(lái)制作無(wú)碳越障小車(chē)做好了準(zhǔn)備。使用pro/E對(duì)小車(chē)進(jìn)行三維建模，類(lèi)似于對(duì)無(wú)碳小車(chē)的虛擬加工，這就要求我們要充分考慮無(wú)碳小車(chē)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(chē)。圖3.2 小車(chē)三維模型展示小車(chē)的運(yùn)動(dòng)仿真可以驗(yàn)證我們對(duì)小車(chē)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(chē)的通過(guò)第二章對(duì)小車(chē)的整體以及各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，我們已經(jīng)有了無(wú)碳小

46、車(chē)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(chē)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行合理的。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，我們成功地建立的小車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)、普車(chē)、鉗工7大工種，其中，數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、普通車(chē)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

47、（大齒輪、小齒輪），激光雕刻加工（底板、前后支座等各類(lèi)有機(jī)玻璃零件），鉗工車(chē)間裝配（鉆孔、攻絲、組裝）。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(pán)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(chēng)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(chēng)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(guò)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

48、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。圖3.3為前輪叉架零件圖。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(chēng)度要求高。對(duì)其工藝編排如下：（1）夾外圓，車(chē)端面，車(chē)外圓25,長(zhǎng)度為80mm。（2）車(chē)外圓8，長(zhǎng)39；車(chē)外圓5長(zhǎng)30；然后車(chē)外圓4長(zhǎng)17。（3）切斷反向裝夾修另一端面，使工件長(zhǎng)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

49、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(wú)碳小車(chē)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： 5采用 4.9的鉆頭進(jìn)行加工，該尺寸與軸承配合。（2）位置精度： 35的軸心線與 5的同軸度要求為0.10mm。圖3.4 前輪零件圖圖3.4小車(chē)前輪零件圖。根據(jù)無(wú)碳小車(chē)前輪的工藝分析對(duì)前輪的工藝做如下編排：（1）平端面，車(chē)外圓 35，倒角。（2）打中心孔，鉆 5孔，倒角。（3）切斷，長(zhǎng)度尺寸為5 mm。（4）倒角，去毛刺，終檢。3.3 無(wú)碳越障小車(chē)的裝配與調(diào)試小車(chē)所有零部件均以底盤(pán)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

50、，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(chē)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(chē)的裝配是在老師的指導(dǎo)下由我們自己裝配的。小車(chē)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(chē)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≤?chē)能量較小，而且會(huì)影響前進(jìn)軌跡。小車(chē)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(chē)在調(diào)試過(guò)程中遇到了一下問(wèn)題，主要是： 無(wú)碳越障小車(chē)受環(huán)境的影響較大，比如地板摩擦力大小、地板的水平度。 無(wú)碳越障小車(chē)的能量利

51、用率低。 小車(chē)的調(diào)試的重復(fù)性不高，調(diào)試時(shí)就算是在小車(chē)的各種參數(shù)都一定的情況下，在同一地點(diǎn)，同一角度出發(fā)，小車(chē)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(chē)對(duì)精度的要求較高，在現(xiàn)有設(shè)備及裝配條件下，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(zhǎng)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(chē)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)卡在后輪與底板之間，影響小車(chē)的前進(jìn)。（2） 經(jīng)過(guò)不斷的探索，找到了優(yōu)化改進(jìn)的方法： 通過(guò)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。 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(chē)能穩(wěn)定的行駛更遠(yuǎn)距離。 造成小車(chē)穩(wěn)定性

52、不高的主要原因有零件之間連接不夠牢固，螺距及齒輪間隙過(guò)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；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(chē)底板形狀，將后輪包覆在底板的輪廓內(nèi)。 適當(dāng)加潤(rùn)滑油及石油醚，減小因小車(chē)自身摩擦而消耗的能量。 適當(dāng)減小部分零件尺寸，讓小車(chē)在不影響性能的情況下?lián)碛凶钶p質(zhì)量，以便獲得更多動(dòng)能。 通過(guò)討論研究決定將后輪直徑減小，從而減小小車(chē)行駛振幅和力矩，讓小車(chē)

53、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） 4 題目的成果及意義4 課題的成果及創(chuàng)新4.1 課題的成果主要設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容有：設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)換裝置。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(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)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(chē)。 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在小車(chē)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(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足不同間距障礙的要求。 小車(chē)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（包括車(chē)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(chē)制作（包括材料的選擇、加工方案的確定、裝配和調(diào)試）4.2