S型無碳小車設計

1、無碳小車3/6/2022015-12-8目錄1234課題內容整體設計思路結構設計及參數(shù)選擇仿真結果1課題內容本課題圍繞主題：基于本課題圍繞主題：基于SolidWorks下無碳小車的設計及模擬仿真，設計一種無碳小車下無碳小車的設計及模擬仿真，設計一種無碳小車，根據(jù)能量轉換原理，根據(jù)能量轉換原理,驅動小車運動的能量是給定重力的重錘下落的勢能轉換來的機驅動小車運動的能量是給定重力的重錘下落的勢能轉換來的機械能讓其行走及轉向的。給定重力勢能為械能讓其行走及轉向的。給定重力勢能為4焦耳（取焦耳（取g=10m/s2），用質量為），用質量為1Kg的重的重塊（塊（5065 mm，普通碳鋼）鉛錘下降來獲得，落差

2、，普通碳鋼）鉛錘下降來獲得，落差4002mm，重塊落下后，能，重塊落下后，能和小車一起運動并被小車承載，避免鉛垂從小車上掉落。圖和小車一起運動并被小車承載，避免鉛垂從小車上掉落。圖1-1為小車示意圖。為小車示意圖。 圖圖1-1 無碳小車示意圖無碳小車示意圖1課題內容小車運動要求：小車運動要求： 小車在前行時能夠按照預定路線行走，自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙小車在前行時能夠按照預定路線行走，自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙物為直徑物為直徑20mm、高、高200mm的多個圓棒，沿直線間距的多個圓棒，沿直線間距1000mm擺放。如圖擺放。如圖1-2圖圖1-2 運動軌跡示意圖運動軌跡示意圖

3、2整體設計思路圍繞無碳小車的命題要求，對命題進行了簡要的分析：圍繞無碳小車的命題要求，對命題進行了簡要的分析：無碳小車在整個行駛過程中，都是由重錘下落的重力勢能提供能量，在設計中應盡可能利用無碳小車在整個行駛過程中，都是由重錘下落的重力勢能提供能量，在設計中應盡可能利用這勢能，減少其它不必要結構消耗能量。這勢能，減少其它不必要結構消耗能量。因為提供的能量有限，要可能減少整個無碳小車的質量，無碳小車越輕越好，因此盡可能使因為提供的能量有限，要可能減少整個無碳小車的質量，無碳小車越輕越好，因此盡可能使用輕質材料構成。用輕質材料構成。無碳小車按照無碳小車按照“s”型路線行走，要有一定的轉向機構按照一

4、定的規(guī)律周期運轉，并且穩(wěn)定可型路線行走，要有一定的轉向機構按照一定的規(guī)律周期運轉，并且穩(wěn)定可靠能及時響應?？磕芗皶r響應。重錘下落牽動繩子重錘下落牽動繩子,繩子帶動繩輪轉動繩子帶動繩輪轉動,然后通過齒輪的傳動按照一定轉動比將轉速傳遞給車輪然后通過齒輪的傳動按照一定轉動比將轉速傳遞給車輪軸軸,帶動小車行走。因此要設計好齒輪的參數(shù)及傳動比帶動小車行走。因此要設計好齒輪的參數(shù)及傳動比,盡量減少齒輪數(shù)量減少能量損失。盡量減少齒輪數(shù)量減少能量損失。無碳小車的車輪與地面的摩擦越小，小車行走的越遠。無碳小車的車輪與地面的摩擦越小，小車行走的越遠。 2整體設計思路基于上述考慮，得出無碳小車的結構越簡單重力勢能轉

5、換成動能時損失的能量少效基于上述考慮，得出無碳小車的結構越簡單重力勢能轉換成動能時損失的能量少效率就高；通過設計齒輪的傳動比可以改變小車的初始速度，速度越快，小車能走得率就高；通過設計齒輪的傳動比可以改變小車的初始速度，速度越快，小車能走得越遠；合理的設計出轉向機構能夠讓小車按近似于越遠；合理的設計出轉向機構能夠讓小車按近似于“S”型路線行走；微調機構能型路線行走；微調機構能夠調節(jié)小車的轉向角度，讓無碳小車順利避過障礙物；合理的選材減輕整車質量，夠調節(jié)小車的轉向角度，讓無碳小車順利避過障礙物；合理的選材減輕整車質量，減少摩擦。因此完整的無碳小車應當包括車架、傳動構件、轉向機構、車輪、重錘減少摩

6、擦。因此完整的無碳小車應當包括車架、傳動構件、轉向機構、車輪、重錘架。下面簡要考慮車架、傳動構件、轉向機構的選用。架。下面簡要考慮車架、傳動構件、轉向機構的選用。 2整體設計思路車架車架車架承受的力不大，要求重量輕，加工簡單，考慮到加工成本等，車架采用無機橡膠加工制作車架承受的力不大，要求重量輕，加工簡單，考慮到加工成本等，車架采用無機橡膠加工制作成正方形底板式，尺寸還要進一步確定。成正方形底板式，尺寸還要進一步確定。傳動構件傳動構件為了使小車行駛得更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構需要傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結為了使小車行駛得更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構需要傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、

7、結構簡單重量輕等。一般傳動機構主要有齒輪傳動、帶輪傳動、鏈傳動。構簡單重量輕等。一般傳動機構主要有齒輪傳動、帶輪傳動、鏈傳動。1.齒輪傳動的特點是：傳動平穩(wěn)、傳動比精確、工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速齒輪傳動的特點是：傳動平穩(wěn)、傳動比精確、工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。度和尺寸范圍大。2.帶輪具有結構簡單、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。不帶輪具有結構簡單、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。不適合本小車設計。適合本小車設計。3. 鏈傳動平均傳動比準確鏈傳動平均傳動比準確,傳動效率高，軸間距離適應范圍較大，

8、能在溫度較高、濕度較大的環(huán)傳動效率高，軸間距離適應范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用；但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。境中使用；但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。帶輪傳動精確度不高，不適合小車精確傳動。鏈傳動由于制作不便，且制作成本高，故只用齒帶輪傳動精確度不高，不適合小車精確傳動。鏈傳動由于制作不便，且制作成本高，故只用齒輪傳動。輪傳動。 2整體設計思路轉向機構轉向機構轉向機構是本無碳小車設計的關鍵部分，直接決定著小車能否按轉向機構是本無碳小車設計的關鍵部分，直接決定著小車能否按“S”的路線行走的路線行走。一般能

9、按特定規(guī)律運動的機構有：凸輪機構、曲柄搖桿、齒帶槽、凹槽輪等。一般能按特定規(guī)律運動的機構有：凸輪機構、曲柄搖桿、齒帶槽、凹槽輪等。凸輪機構凸輪機構：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞箯膭蛹@得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓設計計算麻煩，加工比較困難。輪輪

10、廓設計計算麻煩，加工比較困難。曲柄搖桿曲柄搖桿：優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力小，且面接觸方便潤滑，故磨損減小，：優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力小，且面接觸方便潤滑，故磨損減小，制造方便，能夠獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，制造方便，能夠獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點：一般情況下只能近似它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。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，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多

11、或較復雜時，需要的構件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降雜時，需要的構件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣性力難以平衡，在高速加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構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，故連桿機構常用于速度較低的場合。時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構常用于速度較低的場合。 2整體設計思路齒帶槽齒帶槽：通過在齒帶背

12、后建立特定軌跡凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律：通過在齒帶背后建立特定軌跡凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律擺動，驅動轉向輪規(guī)律轉動。優(yōu)點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便。缺點：如果小擺動，驅動轉向輪規(guī)律轉動。優(yōu)點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便。缺點：如果小車運動軌跡長，齒條也要較長，齒輪的增加消耗過多勢能。車運動軌跡長，齒條也要較長，齒輪的增加消耗過多勢能。凹槽輪凹槽輪：在輪子面部制作凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律擺動，驅動轉：在輪子面部制作凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律擺動，驅動轉向輪規(guī)律轉動。優(yōu)點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便，在較小的空間在齒輪面可以向輪規(guī)律轉動。優(yōu)點

13、：凹槽軌跡容易獲得，制作方便，在較小的空間在齒輪面可以圓周規(guī)律循環(huán)，不用考慮長度。缺點：體積較大。參見圖圓周規(guī)律循環(huán)，不用考慮長度。缺點：體積較大。參見圖2-1 圖2-1凹槽輪3結構設計及參數(shù)選擇軌道的設計軌道的設計無碳小車按正弦曲線行走，路線近似于無碳小車按正弦曲線行走，路線近似于“S”型，在行駛軌跡確定的情況下，小車的行駛路型，在行駛軌跡確定的情況下，小車的行駛路徑不變，對路徑的研究設計，可以大概確定小車行走路程，初步斷定車輪的半徑，轉向輪的徑不變，對路徑的研究設計，可以大概確定小車行走路程，初步斷定車輪的半徑，轉向輪的最大角度。最大角度。無碳小車在寬度為無碳小車在寬度為2000mm的賽道

14、上行駛，中間的障礙物相隔的賽道上行駛，中間的障礙物相隔100mm，為了不讓無碳小車越，為了不讓無碳小車越出賽道，避免無碳小車與障礙物碰撞，擬定出一下路線圖參見圖出賽道，避免無碳小車與障礙物碰撞，擬定出一下路線圖參見圖3-1： 圖3-1小車行走路線示意圖3結構設計及參數(shù)選擇把此路線近似于余弦曲線，振幅為把此路線近似于余弦曲線，振幅為300mm，波長，波長2000mm，軌跡方程近似為：，軌跡方程近似為： 用用Mathematica數(shù)學軟件求解得數(shù)學軟件求解得s=2388.97mm可知無碳小車行駛一個周期走過的路徑為可知無碳小車行駛一個周期走過的路徑為2388.97mm，無碳小車的車輪也近似走了，無

15、碳小車的車輪也近似走了2388.97mm。 3結構設計及參數(shù)選擇車輪尺寸的設計車輪尺寸的設計由小車行走路線的軌跡及方案的初步計算可知，車輪半徑越大，小車走得越遠，無由小車行走路線的軌跡及方案的初步計算可知，車輪半徑越大，小車走得越遠，無碳小車行走一個半徑時，車輪轉過的圈速越小越好。這里設定車輪轉過碳小車行走一個半徑時，車輪轉過的圈速越小越好。這里設定車輪轉過3圈，則可圈，則可以計算出無碳小車的車輪半徑為以計算出無碳小車的車輪半徑為 =126.8mm，為了方便制作取半徑為，為了方便制作取半徑為 =125mm 齒輪的確定齒輪的確定確定了無碳小車的車輪半徑后，根據(jù)確定了無碳小車的車輪半徑后，根據(jù) d

16、s= *d = (3-5)其中齒輪其中齒輪2于齒輪于齒輪1的傳動比的傳動比i= 3結構設計及參數(shù)選擇可知齒輪可知齒輪1和齒輪和齒輪2的傳動比決定了無碳小車初始速度的大小，適當?shù)恼{節(jié)齒輪的轉的傳動比決定了無碳小車初始速度的大小，適當?shù)恼{節(jié)齒輪的轉動比，確定齒數(shù)大小的比例，從而可以得出齒輪半徑的大小。動比，確定齒數(shù)大小的比例，從而可以得出齒輪半徑的大小。由機械原理第七版由機械原理第七版180頁齒輪標準模數(shù)系列表確定齒輪頁齒輪標準模數(shù)系列表確定齒輪1、齒輪、齒輪2、齒輪、齒輪3的模數(shù)的模數(shù)為為2。無碳小車的齒輪轉動精度要求高齒數(shù)越多越好，傳動比在無碳小車的齒輪轉動精度要求高齒數(shù)越多越好，傳動比在10

17、以內比較合適，在這里以內比較合適，在這里選用齒輪選用齒輪2和齒輪和齒輪1的轉動比為的轉動比為4。根據(jù)機械制造裝備設計第。根據(jù)機械制造裝備設計第3版版100頁各種常用頁各種常用傳動比的適用齒數(shù)傳動比的適用齒數(shù),參見表參見表3-1： 3結構設計及參數(shù)選擇選用齒輪選用齒輪1和齒輪和齒輪2的總齒數(shù)為的總齒數(shù)為100。齒輪。齒輪1齒數(shù)為齒數(shù)為20，齒輪，齒輪2齒數(shù)為齒數(shù)為80。根據(jù)機械設計課程設計齒輪結構設計可計算出齒輪根據(jù)機械設計課程設計齒輪結構設計可計算出齒輪1、齒輪、齒輪2的參數(shù)如下：的參數(shù)如下： m=2齒輪齒輪1：=20，直徑，直徑=m=40mm齒頂圓直徑齒頂圓直徑 =44mm；齒根圓直徑齒根圓

18、直徑=35mm；齒頂高齒頂高 =2mm；齒根高齒根高 =2.5mm；齒輪齒輪2：=80，直徑，直徑=m=160mm齒頂圓直徑齒頂圓直徑 =164mm ；齒根圓直徑齒根圓直徑=155mm；齒頂高齒頂高 =2mm；齒根高齒根高 =2.5mm 3結構設計及參數(shù)選擇轉向撥桿的設計轉向撥桿的設計轉向撥桿的端面小球直徑轉向撥桿的端面小球直徑10mm，桿長，桿長60mm，桿直徑，桿直徑3mm，桿面有螺紋便于調節(jié)球面與凹，桿面有螺紋便于調節(jié)球面與凹槽輪的長度，引起轉向軸的輕微偏轉。這種設計把轉向機構與微調機構整合在一起，設計簡槽輪的長度，引起轉向軸的輕微偏轉。這種設計把轉向機構與微調機構整合在一起，設計簡單、

19、機構輕巧、靈活方便。單、機構輕巧、靈活方便。凹槽輪的設計凹槽輪的設計凹槽輪的寬度由撥桿小球的球面直徑和前輪轉向的最大角度決定。凹槽輪的寬度由撥桿小球的球面直徑和前輪轉向的最大角度決定。在實際的運動中無碳小車的轉向角度在實際的運動中無碳小車的轉向角度,參見圖參見圖3-2為了便于設計與實際制作，凹槽輪的直徑與齒輪為了便于設計與實際制作，凹槽輪的直徑與齒輪3的直徑相同為的直徑相同為120mm。 圖3-2 前輪最大轉動角度3結構設計及參數(shù)選擇 在轉動最大角度及撥桿小球的直徑確定情況下，凹輪槽的寬度尺寸由轉向軸心與凹槽輪軸心的距離確定在轉動最大角度及撥桿小球的直徑確定情況下，凹輪槽的寬度尺寸由轉向軸心與

20、凹槽輪軸心的距離確定，為了為了能更好的調節(jié)轉向角度，設計轉向最大轉向角度能更好的調節(jié)轉向角度，設計轉向最大轉向角度為為 。轉向軸心與凹槽輪軸心的距離不宜過長轉向軸心與凹槽輪軸心的距離不宜過長，太長，太長會會影響整體小車的車身變長，影響整體小車的車身變長，設定兩設定兩軸心距離為軸心距離為85mm。在。在SolidWorks草繪圖型界面下，可以容易看出草繪圖型界面下，可以容易看出兩兩凹槽凹槽的中心距離，參見圖的中心距離，參見圖3-3。圖3-3 凹槽中心距示意圖3結構設計及參數(shù)選擇轉向輪的設計轉向輪的設計轉向輪隨著軸向軸的偏轉而偏轉，轉向輪起到調整小車轉彎的作用，轉向輪不應過大，一般轉向輪隨著軸向軸

21、的偏轉而偏轉，轉向輪起到調整小車轉彎的作用，轉向輪不應過大，一般小于后輪的尺寸，設定轉向輪的半徑為小于后輪的尺寸，設定轉向輪的半徑為25mm。 軸承的選用軸承的選用 考慮到軸承不易制作，在實際中可以通過選用購買標準件用于小車的制作。軸承的選用標準考慮到軸承不易制作，在實際中可以通過選用購買標準件用于小車的制作。軸承的選用標準參考機械設計課程設計機械工業(yè)出版社第參考機械設計課程設計機械工業(yè)出版社第133頁滾動軸承的國家標準。選用最小的深溝頁滾動軸承的國家標準。選用最小的深溝球軸承球軸承C6201，最小直徑為，最小直徑為12mm，最大外徑為，最大外徑為32mm。 軸的設計軸的設計 在整個無碳小車的

22、設計方案中，包括后車輪軸、繩輪軸、槽輪軸、轉向軸在整個無碳小車的設計方案中，包括后車輪軸、繩輪軸、槽輪軸、轉向軸4跟軸跟軸(參見圖參見圖3-4至至3-7)。根據(jù)無碳小車的選用的。根據(jù)無碳小車的選用的C6201軸承，這軸承，這4根最大直徑應該為根最大直徑應該為12mm，便于裝配。因為無，便于裝配。因為無碳小車的動力較小，軸承產生的扭矩較小，不再對軸的強度進行校核。碳小車的動力較小，軸承產生的扭矩較小，不再對軸的強度進行校核。 3結構設計及參數(shù)選擇車輪軸的尺寸見圖車輪軸的尺寸見圖3-4繩輪軸的尺寸見圖繩輪軸的尺寸見圖3-5 圖3-4 車輪軸尺寸圖3-5 繩輪軸的尺寸3結構設計及參數(shù)選擇槽輪軸尺寸見

23、圖槽輪軸尺寸見圖3-6 轉向軸尺寸見圖轉向軸尺寸見圖3-7 圖3-6 槽輪軸尺寸圖3-7 轉向軸尺寸3結構設計及參數(shù)選擇槽輪軸尺寸見圖槽輪軸尺寸見圖3-6 轉向軸尺寸見圖轉向軸尺寸見圖3-7 圖3-6 槽輪軸尺寸圖3-7 轉向軸尺寸3結構設計及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖 圖3-8無碳小車的完整裝配圖建模3結構設計及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖 3結構設計及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖 4仿真結果在完成整體裝配圖的環(huán)境下，單擊左下角的運動算例，把動畫模擬時間軸拉到在完成整體裝配圖的環(huán)境下，單擊左下角的運動算例，把動畫模擬時間軸拉到20秒的位置。秒的位置。在無碳小車裝配體中，單擊虛擬馬達，彈出馬達類型對話窗，選擇旋轉馬達，然后單擊繩輪在無碳小車裝配體中，單擊虛擬馬達，彈出馬達類型對話窗，選擇旋轉馬達，然