無碳小車制造設(shè)計專項方案

廣州大學機械設(shè)計制造及其自動化特色專業(yè)實踐報告設(shè)計項目：工業(yè)產(chǎn)品力學分析實踐、工業(yè)產(chǎn)品材料分析和設(shè)計實踐班級：實踐小組名稱：實踐小組組員：序號姓名學號分工備注123456匯報撰寫人姓名：提交日期：/6/17廣州大學機電工程系

目錄1設(shè)計任務(wù) 41.1無碳小車整體動力學分析匯報 41.2無碳小車各構(gòu)件材料力學性能分析匯報 41.3無碳小車經(jīng)典零件材料組織分析 42設(shè)計過程 42.1機構(gòu)設(shè)計 42.2機構(gòu)簡圖分析 52.2.1關(guān)鍵機構(gòu)組成 52.2.2原理 52.2.3自由度分析 52.3機構(gòu)立體圖分析 62.3.1車架 82.3.2原動機構(gòu) 82.3.3轉(zhuǎn)向機構(gòu) 82.3.4行走機構(gòu) 92.4參數(shù)分析模型 92.4.1動力學分析模型 92.4.2運動學分析模型 102.4.3急回運動特征、傳動角、死點分析 112.4.4靈敏度分析模型 132.4.5參數(shù)確定 132.5零部件設(shè)計 133設(shè)計結(jié)果和總結(jié) 144參考文件 14附：Matlab編程源代碼 15

1設(shè)計任務(wù)1.1無碳小車整體動力學分析匯報含無碳小車各機構(gòu)運動學分析（運動軌跡計算、機構(gòu)各構(gòu)件長度尺寸確定等）無碳小車動力學分析，各運動副摩擦分析、各構(gòu)件受力分析。要求Matlab編程計算（附源代碼）1.2無碳小車各構(gòu)件材料力學性能分析匯報含各構(gòu)件強度分析、剛度分析基于結(jié)構(gòu)安全無碳小車各構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。要求Matlab編程計算（附源代碼）1.3無碳小車經(jīng)典零件材料組織分析取無碳小車中經(jīng)典金屬材料進行材料組織分析，給出3種以上材料試樣制作方法、組織照片等。2設(shè)計過程2.1機構(gòu)設(shè)計行進動作分解行進動作分解發(fā)條小車提供動力動力傳輸導輪轉(zhuǎn)向行走路線發(fā)條釋放彈性勢能提供動力齒輪機構(gòu)帶動連桿機構(gòu)往復運動前輪按需求有規(guī)律地走S型根據(jù)類正弦函數(shù)路線行走小車關(guān)鍵由四個機構(gòu)組成：發(fā)條動力機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、連桿前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)。、轉(zhuǎn)向機構(gòu)。動力傳輸2.2機構(gòu)簡圖分析：1432EDCBA1432EDCBA2.2.1關(guān)鍵機構(gòu)組成機構(gòu)由曲柄1和連桿2、滑塊C組成曲柄連桿機構(gòu)（一下簡稱R）、連桿3和連桿4組成，共5個活動構(gòu)件。2.2.2原理傳動齒輪A在發(fā)條帶動下作順時針旋轉(zhuǎn)運動，首先經(jīng)過車軸帶動驅(qū)動后輪前進，其次經(jīng)過曲柄連桿機構(gòu)帶動轉(zhuǎn)向“連桿4”，從而帶動小車有規(guī)律地左右搖擺，實現(xiàn)小車前進過程中自動轉(zhuǎn)彎效果。2.2.3自由度分析a)自由度分析必需性：經(jīng)過自由度分析能夠知道機構(gòu)運動受到了多少約束，這么在畫簡圖時候，就能夠知道機構(gòu)運動方法了。約束不足或約束多了，機構(gòu)全部不能提供正常運動。比如死機構(gòu)等，所以對設(shè)計進行自由度分析是作為制造前條件。b)自由度計算：總共有5個活動構(gòu)件：曲柄連桿機構(gòu)R（曲柄1、連桿2、滑塊C）、桿3、桿4。有7個低副：機構(gòu)中ABCDE為轉(zhuǎn)動副。構(gòu)件CD為移動副。有0個高副所以，自由度F=3*5-（2*7+0）=1我們勢能小車只有唯一原動件齒輪7，我們經(jīng)過計算得出小車自由度為1，所以能夠確保小車含有確定運動。

2.3機構(gòu)立體圖分析：前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu)D大圖曲柄連桿機構(gòu)R大圖2.3.1車架車架不用承受很大力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采取木材加工制作成三角底板式。能夠經(jīng)過回收廢木材取得，已加工。2.3.2原動機構(gòu)原動機構(gòu)作用是將發(fā)條彈性勢能轉(zhuǎn)化為小車驅(qū)動力。能實現(xiàn)這一功效方案有多個，就效率和簡練性來看齒輪最優(yōu)。小車對原動機構(gòu)還有其它具體要求。1.驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.抵達終點前重塊豎直方向速度要盡可能小，避免對小車過大沖擊。同時使發(fā)條動能盡可能轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上，假如重塊豎直方向速度較大，發(fā)條本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.因為不一樣場地對輪子摩擦摩擦可能不一樣，在不一樣場地小車是需要動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大驅(qū)動力恰到好處。所以原動機構(gòu)還需要能依據(jù)不一樣需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機構(gòu)簡單，效率高。2.3.3轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計關(guān)鍵部分，直接決定著小車功效。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也一樣需要盡可能降低摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已取得等基礎(chǔ)條件，同時還需要有特殊運動特征。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求往返擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障功效。能實現(xiàn)該功效機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。其中本小車中采取曲柄連桿+搖桿機構(gòu)優(yōu)點：運動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，已取得較高精度；兩構(gòu)件之間接觸是靠本身幾何封閉來維系，它不像凸輪機構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點：通常情況下只能近似實現(xiàn)給定運動規(guī)律或運動軌跡，且設(shè)計較為復雜；當給定運動要求較多或較復雜時，需要構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這么就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖可能性增加，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差敏感性增加；機構(gòu)中做平面復雜運動和作往復運動構(gòu)件所長生慣性力難以平衡，在高速時將引發(fā)較大振動和動載荷，故連桿機構(gòu)常見于速度較低場所。在本小車設(shè)計中因為小車轉(zhuǎn)向頻率和傳輸力不大故機構(gòu)能夠做比較輕，能夠忽略慣性力，機構(gòu)并不復雜，利用MATLAB進行參數(shù)化設(shè)計并不困難，加上個鏈接能夠利用軸承大大減小摩擦損耗提升效率。對于安裝誤差敏感性問題我們能夠增加微調(diào)機構(gòu)來處理。2.3.4行走機構(gòu)行走機構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不一樣需要綜合考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩和正壓力關(guān)系為：對于相同材料為一定值。而滾動摩擦阻力，所以輪子越大小車受到阻力越小，所以能夠走更遠。但因為加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要深入分析確定。2.4參數(shù)分析模型2.4.1動力學分析模型a、驅(qū)動驅(qū)動輪受到力矩MA，曲柄輪受到扭矩M1，NA為驅(qū)動輪A受到壓力，F(xiàn)A為驅(qū)動輪A提供動力，有（其中是考慮到摩擦產(chǎn)生影響而設(shè)置系數(shù)）b、轉(zhuǎn)向假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到阻力矩恒為MC，其大小可由赫茲公式求得，因為b比較小，故對于連桿拉力FC，有c、小車行走受力分析設(shè)小車慣量為I，質(zhì)心在則此時對于旋轉(zhuǎn)中心O’慣量為I’（平行軸定理）小車加速度為：2.4.2運動學分析模型a、驅(qū)動：當驅(qū)動軸（曲柄）轉(zhuǎn)過角度為，則有則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過角度小車移動距離為（以A輪為參考）b、轉(zhuǎn)向：當轉(zhuǎn)向桿和驅(qū)動軸間夾角為時，曲柄轉(zhuǎn)過角度為則和滿足以下關(guān)：解上述方程可得和函數(shù)關(guān)系式c、小車行走軌跡只有A輪為驅(qū)動輪，當轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時，則小車轉(zhuǎn)彎曲率半徑為小車行走過程中，小車整體轉(zhuǎn)過角度當小車轉(zhuǎn)過角度為時，有為求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，經(jīng)過設(shè)定合理參數(shù)得到了小車運動軌跡2.4.3急回運動特征、傳動角、死點分析急回運動特征：曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄雖作等速轉(zhuǎn)動，而搖桿擺動是空回行程平均速度卻大于工作行程平均速度。急回特征是連桿機構(gòu)關(guān)鍵運動特征，其急回運動程度通常見行程速比系數(shù)來衡量。在曲柄連桿滑塊機構(gòu)中，推程傳動角大小是表示機構(gòu)傳動效率高低、傳動性能優(yōu)劣一個關(guān)鍵參數(shù)。所以，怎樣在確保運動要求前提下，取得優(yōu)良傳動性能，就是設(shè)計目標。死點指是機構(gòu)傳動角γ=0，這時主動件會經(jīng)過連桿作用于從動件上力恰好經(jīng)過其回轉(zhuǎn)中心，所以出現(xiàn)了不能使構(gòu)件AB即從動件轉(zhuǎn)動頂死現(xiàn)象，機構(gòu)這種位置稱為死點。1432EDCBA1432EDCBA設(shè)滑塊行程速比系數(shù)K、滑塊沖程H，曲柄長度a和連桿長度b。依據(jù)作圖法設(shè)計原理可得：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：(1)由上述幾何關(guān)系可見，在已知K(已知θ)和H情況下，對應(yīng)曲柄某一長度a，機構(gòu)其它幾何尺寸b可確定。其中曲柄轉(zhuǎn)角為Ф=θ對應(yīng)著機構(gòu)推程，即為推程運動角。而曲柄轉(zhuǎn)角Ф=則對應(yīng)著機構(gòu)回程，即回程運動角。極限位置和分別為推程起始位置和終止位置。圖所表示，所以機構(gòu)有急回作用，此時行程速度改變系數(shù)為K=當機構(gòu)以曲柄AB為原動件時，從動件滑塊和BC所夾銳角即為傳動角，其最小傳動角將出現(xiàn)在曲柄AB垂直機架位置。即推程最小傳動角必出現(xiàn)推程起始位置或曲柄滑塊旅程近垂直位置ABC時當以曲柄AB為原動件時，因為機構(gòu)最小傳動角0，所以機構(gòu)無死點位置。但當以滑塊為主動件時，因為機構(gòu)從動件曲柄AB和BC存在兩處共線位置，故有兩個死點位置。本機構(gòu)AB為原動件，所以無死點位置2.4.4靈敏度分析模型小車一旦設(shè)計出來在不改變其參數(shù)條件下小車軌跡就已經(jīng)確定，但因為加工誤差和裝配誤差存在，裝配好小車后可能會出現(xiàn)其軌跡和預先設(shè)計軌跡有偏離，需要糾正。其次開始設(shè)計軌跡可能并不是最優(yōu)，需要經(jīng)過調(diào)試試驗來確定最優(yōu)路徑，著一樣需要改變小車一些參數(shù)。為了得到改變不一樣參數(shù)對小車運行軌跡影響，和指導怎樣調(diào)試這里對小車各個參數(shù)進行靈敏度分析。經(jīng)過MATLAB編程得到幅值周期方向i-0.0117-0.09158528.135b176.5727-35.3795578.82R-0.316316.39132528.1437a11.465469-0.27592528.5547曲柄半徑r123.71445-18.9437535.3565d0.040819-117.738528.1465轉(zhuǎn)向桿長-1.637693.525236527.5711連桿長度-176.955-196.268477.35612.4.5參數(shù)確定單位：mm轉(zhuǎn)向輪和曲柄軸軸心距b=150;搖桿長c=60;驅(qū)動輪直徑D=35;驅(qū)動輪A和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1=70驅(qū)動輪B和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2=70;驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向輪距離d=127;曲柄長r1=132.5零部件設(shè)計需加工零件：a．驅(qū)動軸6061空心鋁合金管。外徑6mm內(nèi)徑3mmb．車輪聚甲醛板（POM板材）。厚度：8mm，規(guī)格尺寸：600*1200mmc．車架廢木材。規(guī)格尺寸：150*100*4mmd．曲柄鋼板。厚度2mme．連桿、搖桿6061實心鋁管。直徑8mm

3設(shè)計結(jié)果和總結(jié)勢能轉(zhuǎn)彎小車小車在彈簧勢能作用下自動行走示意圖。小車最大缺點是精度要求很高，改善小車精度要求，使能調(diào)整簡單，小車便能達成很好行走效果。另外，在設(shè)計過程中，因為個人對此項目所利用到多種軟件未能很好掌握，所以很多地方會有所欠漏，在以后設(shè)計中會努力鍛煉，把設(shè)計多種細節(jié)做得愈加好。4參考文件朱理主編《機械原理》張建中、何曉玲主編《機械設(shè)計課程設(shè)計》徐錦康主編《機械設(shè)計》

附：Matlab編程源代碼2.4.1動力學分析程序clearclcticn=1000;h=linspace(0,0.5,n);ii=3;b=0.15;R=0.111;%驅(qū)動輪A和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1a1=0.08;%驅(qū)動輪B和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2a2=0.08;%曲柄半徑r1r1=0.01347;%繩輪半徑r2r2=0.006;%驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向輪距離dd=0.18;%轉(zhuǎn)向桿長cc=0.06;l=sqrt(b^2+r1^2)+(0.351)/1000;%算法g=-10;sd2=h/r2;sd1=sd2/ii+pi/2;C=l^2-2*c^2-r1^2.*(cos(sd1)).^2-(b-r1.*sin(sd1)).^2;A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1));B=-2*c^2;af=asin(C./sqrt(A.^2+B.^2))-atan(B./A);formatlongrou=a1+(d)./(tan(af));s=sd2*R;ds=s(2)-s(1);dbd=ds./(rou);bd=cumsum(dbd);dy=ds*cos(bd);dx=-ds*sin(bd);x=cumsum(dx);y=cumsum(dy);xb=x-(a1+a2).*cos(bd);yb=y-(a1+a2).*sin(bd);xc=x-a1*cos(bd)-d*sin(bd);yc=y-a1*sin(bd)+d*cos(bd);toc%動力學分析%參數(shù)輸入%小車總質(zhì)量mc=1.6+1;Nc=9.8*mc/3;%小車慣量rc=0.07;I=mc*rc^2;a3=0.05;II=I+m*((rou-a1).^2+a3^2);%傳動效率lmd=0.5;%%%%%%%%%%%%%%前輪半徑RC=0.05;%前輪寬度B=2/1000;%彈性模量E1=100*;E2=150*;mu=0.2;%接觸應(yīng)力sgmc=sqrt((Nc/B/RC)/(2*pi*(1-mu^2)/E1));bc=Nc/sgmc/2/B;%摩擦原因mucmuc=0.1;%摩擦力矩McMc=sgmc*muc*bc*B^2/4;%摩阻系數(shù)sgm=0.5/1000;mMN=rou.*(m*9.8*r2*lmd-Nc*sgm)/R;K=rou.*m*r2^2*lmd/R^2;NCNB=Nc*sgm.*sqrt((rou-a1).^2+d^2)/RC+Nc*sgm*(rou-a1-a2);RIA=II./rou;NRA=NCNB*R./rou;aa=(mMN-NCNB)./(K+RIA);plot(y,aa)holdon2.4.2clearclctic%符號定義%驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過角度sd2%驅(qū)動軸傳動比ii%轉(zhuǎn)向輪軸心距b%轉(zhuǎn)向桿長c%轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度af%驅(qū)動輪半徑R%驅(qū)動輪A和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1%驅(qū)動輪B和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2%驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向輪距離d%小車行駛旅程s%小車x方向位移x%小車y方向位移y%軌跡曲率半徑rou%曲柄半徑r1%繩輪半徑r2%參數(shù)輸入n=1000;h=linspace(0,0.5,n);ii=3;b=0.15;R=0.111;%驅(qū)動輪A和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1a1=0.08;%驅(qū)動輪B和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2a2=0.08;%曲柄半徑r1r1=0.01347;%繩輪半徑r2r2=0.006;%驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向輪距離dd=0.18;%轉(zhuǎn)向桿長cc=0.06;l=sqrt(b^2+r1^2)+(0.351)/1000;%算法g=-10;sd2=h/r2;sd1=sd2/ii+pi/2;C=l^2-2*c^2-r1^2.*(cos(sd1)).^2-(b-r1.*sin(sd1)).^2;A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1));B=-2*c^2;af=asin(C./sqrt(A.^2+B.^2))-atan(B./A);formatlongrou=a1+(d)./(tan(af));s=sd2*R;ds=s(2)-s(1);dbd=ds./(rou);bd=cumsum(dbd);dy=ds*cos(bd);dx=-ds*sin(bd);x=cumsum(dx);y=cumsum(dy);xb=x-(a1+a2).*cos(bd);yb=y-(a1+a2).*sin(bd);xc=x-a1*cos(bd)-d*sin(bd);yc=y-a1*sin(bd)+d*cos(bd);plot(x,y,'b',xb,yb,'b',xc,yc,'m');holdongridonfori=1:9t=0:0.01:2*pi;xy=0.01.*cos(t)-0.23;yy=0.01.*sin(t)+i;plot(xy,yy);holdonendtoc2.4.4靈敏度分析程序cleartic%符號定義%驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過角度sd2%驅(qū)動軸和圓柱凸輪軸傳動比ii%轉(zhuǎn)向輪和圓柱凸輪軸心距b%轉(zhuǎn)向桿長c%轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度af%驅(qū)動輪半徑R%驅(qū)動輪A和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1%驅(qū)動輪B和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2%驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向輪距離d%小車行駛旅程s%小車x方向位移x%小車y方向位移y%軌跡曲率半徑rou%曲柄半徑r1%繩輪半徑r2%參數(shù)輸入n=10000;h=linspace(0,0.5,n);ii=3;b=0.15;R=0.111;%驅(qū)動輪A和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1a1=0.08;%驅(qū)動輪B和轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2a2=0.08;%曲柄半徑r1r1=0.01347;%繩輪半徑r2r2=0.006;%驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向輪距離dd=0.18;%轉(zhuǎn)向桿長cc=0.06;l=sqrt(b^2+r1^2)+(0.351)/1000;aa=zeros(1,8);kk=zeros(3,8);A1=zeros(9,4);ddc=0.000001;aa(1,1)=ii;aa(1,2)=b;aa(1,3)=R;aa(1,4)=a1;aa(1,5)=r1;aa(1,6)=r2;aa(1,7)=c;aa(1,8)=l;%算法fori=1:9ifi>1aa(1,i