創(chuàng)新設(shè)計(jì)無碳小車最終版

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任務(wù)說明書

班級(jí)：_瀟湘09級(jí)機(jī)設(shè)005班_

組員：_李楚0953010514_______甘詩陽0953010515_____毛俊0953010519____________________________

指導(dǎo)老師：______胡華榮______

目錄

1設(shè)計(jì)任務(wù)?????????????????????????3

1.1無碳小車整體動(dòng)力學(xué)分析報(bào)告???????????????31.2無碳小車各構(gòu)件材料力學(xué)性能分析報(bào)告???????????31.3無碳小車典型零件材料組織分析??????????????3

2設(shè)計(jì)過程?????????????????????????3

2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)?????????????????????????32.2機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖分析??????????????????????4

2.2.1主要機(jī)構(gòu)組成???????????????????????42.2.2原理???????????????????????????52.2.3自由度分析????????????????????????5

2.3無碳小車機(jī)構(gòu)立體圖及其結(jié)構(gòu)分析????????????6

2.3.1整車的裝配圖???????????????????????62.3.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)?????????????????????????72.3.3車架???????????????????????????82.3.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)?????????????????????????92.3.5轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)?????????????????????????102.3.6微調(diào)機(jī)構(gòu)?????????????????????????112.3.7行走機(jī)構(gòu)?????????????????????????11

2.4參數(shù)分析模型??????????????????????12

2.4.1動(dòng)力學(xué)分析模型??????????????????????122.4.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型??????????????????????132.4.3急回運(yùn)動(dòng)特性、傳動(dòng)角、死點(diǎn)分析??????????????142.4.4靈敏度分析模型??????????????????????162.4.5參數(shù)確定?????????????????????????16

2.5零部件設(shè)計(jì)????????????????????????16

3設(shè)計(jì)結(jié)果與總結(jié)????????????????????174參考資料?????????????????????????18附表?????????????????????????????19

1設(shè)計(jì)任務(wù)

1.1無碳小車整體動(dòng)力學(xué)分析報(bào)告

含無碳小車各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算、機(jī)構(gòu)各構(gòu)件長度尺寸確定等）無碳小車動(dòng)力學(xué)分析，各運(yùn)動(dòng)副摩擦分析、各構(gòu)件受力分析。要求Matlab編程計(jì)算

1.2無碳小車各構(gòu)件材料力學(xué)性能分析報(bào)告

含各構(gòu)件強(qiáng)度分析、剛度分析

基于結(jié)構(gòu)安全的無碳小車各構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。要求Matlab編程計(jì)算（附源代碼）

1.3無碳小車典型零件材料組織分析

取無碳小車中典型金屬材料進(jìn)行材料組織分析，給出3種以上材料試樣制作方法、組織照片等。

2設(shè)計(jì)過程

2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行進(jìn)動(dòng)作分解

提供動(dòng)力動(dòng)力傳輸動(dòng)力傳輸導(dǎo)輪轉(zhuǎn)向行走的路線發(fā)條釋放的彈性勢(shì)能提供動(dòng)力齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)條小車連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)前輪按需求有規(guī)律地走S型依照類正弦函數(shù)的路線行走小車主要由四個(gè)機(jī)構(gòu)組成：發(fā)條動(dòng)力機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、連桿前輪轉(zhuǎn)

向機(jī)構(gòu)。、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

2.2機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖分析：

ABC

DE1

2

3

4

2.2.1主要機(jī)構(gòu)組成

機(jī)構(gòu)由曲柄1和連桿2、滑塊C組成的曲柄連桿機(jī)構(gòu)（一下簡(jiǎn)稱R）、連桿3和連桿4組成，共5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件。

2.2.2原理

傳動(dòng)齒輪A在發(fā)條帶動(dòng)下作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一方面通過車軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)，另一方面通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向“連桿4〞，從而帶動(dòng)小車有規(guī)律地左右搖擺，實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)過程中自動(dòng)轉(zhuǎn)彎的效果。

2.2.3自由度分析

a)自由度分析的必要性：

通過自由度分析可以知道機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)受到了多少約束，這樣在畫簡(jiǎn)圖的時(shí)候，就可以知道機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式了。約束不足或約束多了，機(jī)構(gòu)都不能提供正常的運(yùn)動(dòng)。例如死機(jī)構(gòu)等，所以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行自由度的分析是作為制造的前條件。

b)自由度計(jì)算：

總共有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件：曲柄連桿機(jī)構(gòu)R（曲柄1、連桿2、滑塊C）、桿3、桿4。有7個(gè)低副：機(jī)構(gòu)中ABCDE為轉(zhuǎn)動(dòng)副。構(gòu)件CD為移動(dòng)副。有0個(gè)高副

所以，自由度F=3*5-（2*7+0）=1

我們的勢(shì)能小車只有唯一的原動(dòng)件齒輪7，我們通過計(jì)算得出小車的自由度為1，所以能夠保證小車具有確定的運(yùn)動(dòng)。

2.3無碳小車機(jī)構(gòu)立體圖及其結(jié)構(gòu)分析：

2.3.1整車的裝配圖

2.3.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)

小車原動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求：

①.驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過大而翻車，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。

②到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，一則速度過大對(duì)小車有很大的沖擊力，有可能破壞小車；二則，速度過大意味著重物的重力勢(shì)能利用率不夠。

③在不同的場(chǎng)地。輪所受的摩擦力不同，障礙之間的距離不同，所需要驅(qū)動(dòng)力的大小也不同，因此還得根據(jù)需要來調(diào)整小車原動(dòng)結(jié)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力的大小。④盡可能使其勻速，提高其穩(wěn)定性。

綜合考慮裝置的簡(jiǎn)單性和高效率兩方面，我們選擇了繩輪結(jié)構(gòu)，并且將輪設(shè)計(jì)為錐形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制和調(diào)理。

2.3.3車架

車架在小車設(shè)計(jì)中起過度連接、支撐固定作用。我們采用的是三角形和矩形組合的板式。這樣有利于提高小車的穩(wěn)定性及各方面的協(xié)同。材料：有機(jī)塑料

參數(shù)確定：據(jù)整體尺寸綜合考慮

設(shè)計(jì)理由：由于底板所承載的負(fù)荷比較小，選用有機(jī)塑料作為材料，減少能量損耗，薄壁面積應(yīng)小于400mm×400mm。小車的重塊在車上重物支撐桿上方開始下落，距離車底板上面約有600mm多。而小車為了節(jié)省能量及避障性好，車底板一般又不能選的面積太大，兩后輪輪距不能太大，限制底板打?qū)挾炔荒艽蟆Ａ硗?，也可以通過降低小車底板距離地面的高度來降低整個(gè)車的重心，達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)平衡，為此將小車底板折彎，滿足整車重心降低的需要，在滾筒軸上安裝大齒輪的對(duì)應(yīng)部位將小車底板銑出長孔，使得大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)不至于與底板接觸摩擦。

2.3.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用的是最簡(jiǎn)單的齒輪傳動(dòng)。

2.3.5轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，同時(shí)還需要有特別的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?fù)u擺，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。其中本小車中采用曲柄連桿+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，制造便利，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)需利用彈簧等力封閉來保持接觸。

缺點(diǎn)：一般狀況下只能近似實(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)較為繁雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較繁雜時(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)繁雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面繁雜運(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。

經(jīng)過大量查閱資料，綜合考慮各種機(jī)構(gòu)的利弊，包括加工難度、安裝難度、傳動(dòng)效率、轉(zhuǎn)向精度、及是否會(huì)發(fā)生自鎖現(xiàn)象等，我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。可是通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)不能完成三維空間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，因此必需采用雙球形關(guān)節(jié)的連桿，可是以我們學(xué)校的加工能力，很難加工出高精度的關(guān)節(jié)軸承，故我們經(jīng)過思考，用鉤子+孔洞的組合代替了關(guān)節(jié)軸承。這樣的機(jī)構(gòu)摩擦力小，加工簡(jiǎn)單，而且能很好地取代關(guān)節(jié)軸承的作用。

2.3.6微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)機(jī)構(gòu)全部采用的是簡(jiǎn)單便利的螺紋

微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車的調(diào)理部分，也是小車必不可少的裝置。一方面，小車上的曲柄連桿比較靈敏，需要微微調(diào)整，對(duì)誤差進(jìn)行修正。另一方面，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，以適合比賽的需求。

在連桿處我們采用的是雙頭螺柱和兩個(gè)內(nèi)螺紋對(duì)連桿的長度進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)加工精度引起的誤差，同時(shí)能夠很好地協(xié)同搖桿精心組合調(diào)理。具體圖示及相關(guān)尺寸如下：在搖桿處，我們經(jīng)過深思熟慮，最終采用了調(diào)理精度高且穩(wěn)定的的螺紋結(jié)構(gòu)。

我們通過以上兩種調(diào)理機(jī)構(gòu)的配和，對(duì)其進(jìn)行多方向調(diào)理，在修正加工引起的誤差的同時(shí)，更靈活地調(diào)整小車運(yùn)動(dòng)軌跡

2.3.7行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為：

M?N??對(duì)于一致的材料?為一定值。而滾動(dòng)摩擦阻力

f?MR?N??R，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(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。

2.4參數(shù)分析模型

2.4.1動(dòng)力學(xué)分析模型

a、驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)輪受到的力矩MA，曲柄輪受到的扭矩M1，NA為驅(qū)動(dòng)輪A受到的壓力，F(xiàn)A為驅(qū)動(dòng)輪A提供的動(dòng)力，有

MMA?1?M2??2i（其中?2是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)）

MA?NA???FA?R

b、轉(zhuǎn)向

假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為MC，其大小可由赫茲公式求得，

Nc1?BRc1??11??2?(?)E1E222?c?

Nc??c?B?2b

由于b比較小，故

2Mc?14??cbB

對(duì)于連桿的拉力FC，有

sin?c2??c?1r1?sin?1l

?2???arcsinc?(1?cos?)l?cos?c2

Mc?Fc?cos?c2?c?sin?c1M1?Fc?c?sin(???c2)

c、小車行走受力分析

設(shè)小車慣量為I，質(zhì)心在則此時(shí)對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心O’的慣量為I’

I??I?m[(?A?a1)2?a3]I????FA??A?小車的加速度為：aA?2（平行軸定理）

Nc??N??2?(?A?a1)?d2?B(?A?a1?a2)rcR

???A

aAa?Rr2

2.4.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型

a、驅(qū)動(dòng)：

當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸（曲柄）轉(zhuǎn)過的角度為d?2，則有

d?2?則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過的角度

dhr2

d?1?小車移動(dòng)的距離為（以A輪為參考）

d?2i

ds?R?d?2

b、轉(zhuǎn)向：

當(dāng)轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動(dòng)軸間的夾角?為時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為?1則?與?1滿足以下關(guān)：

l2?c2??1?cos????b?c?sin??r1?sin?1??r1?cos2?1

222解上述方程可得?1與?的函數(shù)關(guān)系式

??f??1?

c、小車行走軌跡

只有A輪為驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度?時(shí)，則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為

??b?a1tan?

小車行走ds過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度

d??當(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為?時(shí)，有

ds?

?dx??ds?sin???dy?ds?cos?

為求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過設(shè)定合理的參數(shù)得到了小車運(yùn)動(dòng)軌跡

2.4.3急回運(yùn)動(dòng)特性、傳動(dòng)角、死點(diǎn)分析

急回運(yùn)動(dòng)特性：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，曲柄雖作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖桿搖擺是空回行程的平均速度卻大于工作行程的平均速度。急回特性是連桿機(jī)構(gòu)重要的運(yùn)動(dòng)特性，其急回運(yùn)動(dòng)的程度尋常用行程速比系數(shù)來衡量。

在曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)中，推程傳動(dòng)角?的大小是表示機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率高低、傳動(dòng)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。所以，如何在保證運(yùn)動(dòng)要求的前提下，獲得優(yōu)良的傳動(dòng)性能，就是設(shè)計(jì)的目的。

死點(diǎn)指的是機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ=0，這時(shí)主動(dòng)件會(huì)通過連桿作用于從動(dòng)件上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，所以出現(xiàn)了不能使構(gòu)件AB即從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)的頂死現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)的這種位置稱為死點(diǎn)。

ABEC

D1

2

3

設(shè)滑塊的行程速比系數(shù)K、滑塊的沖程H，曲柄的長度a和連桿的長度b。根據(jù)作圖法設(shè)計(jì)原理可得：極位夾角θ=180°(K-1)/(K+1)

在△AC1C2中有：

H2＝(b+a)2+(b-a)2-2(b+a)(b-a)cosθ

整理得：b?H2?2a2(1?co?s)2(1?co?s)(1)

由上述幾何關(guān)系可見，在已知K(已知θ)和H的狀況下，對(duì)應(yīng)曲柄的某一長度a，機(jī)構(gòu)

的其它幾何尺寸b可確定。

其中曲柄的轉(zhuǎn)角為Ф=180??θ對(duì)應(yīng)著機(jī)構(gòu)的推程，即為推程運(yùn)動(dòng)角。而曲柄的轉(zhuǎn)角Ф=180???則對(duì)應(yīng)著機(jī)構(gòu)的回程，即回程運(yùn)動(dòng)角。極限位置AB1C1和AB2C2分別為推程的起始位置和終止位置。如下圖

?C1AC?0，所以機(jī)構(gòu)有急回作用，此時(shí)行程速度變化系數(shù)為

K=180????180???

當(dāng)機(jī)構(gòu)以曲柄AB為原動(dòng)件時(shí)，從動(dòng)件滑塊與BC所夾的銳角即為傳動(dòng)角，其最小傳動(dòng)角將出現(xiàn)在曲柄AB垂直機(jī)架的位置。即?ABC

推程最小傳動(dòng)角?min必出現(xiàn)推程起始位置AB1C1或曲柄滑塊路程近垂直位置ABC時(shí)當(dāng)以曲柄AB為原動(dòng)件時(shí)，由于機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角?min?0，所以機(jī)構(gòu)無死點(diǎn)位置。但當(dāng)以滑塊為主動(dòng)件時(shí)，由于機(jī)構(gòu)從動(dòng)件曲柄AB與BC存在兩處共線位置，故有兩個(gè)死點(diǎn)位置。

本機(jī)構(gòu)AB為原動(dòng)件，所以無死點(diǎn)位置

4

1

aa(1,i-1)=aa(1,i-1)+ddc;end

ii=aa(1,1);b=aa(1,2);R=aa(1,3);a1=aa(1,4);r1=aa(1,5);r2=aa(1,6);c=aa(1,7);l=aa(1,8);g=-10;

sd2=h/r2;

sd1=sd2/ii+pi/2;

C=l^2-2*