资源描述
购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 毕业设计 (论文 ) 无碳小车的设计与实现 教学单位：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学 号： 学生姓名 : 指导教师 : 指导单位：机电工程学院 完成时间： 2016 年 3 月 20 日 学院教务处制发 无碳小车的设计与实现 摘 要 本文围绕无碳小车的设计，以全国大学生工程训练综合能力竞赛的竞赛命题为核心，系统地说明了符合比赛要求的无碳小车从设计构思到参数计算以及最后的加工装配的设计思路和步骤。主要介绍了无碳小车的机械机构构成、技术参数、零 件机械加工工艺、小车零部件的加工方式与加工装配。 无碳小车主要由 车体 、驱动机构、 传动机构 、 转向机构 和微调机构六个机械结构组成，其中 转向机构 为无碳小车实现行驶 无碳小车核心机构。该小车的 转向机构 根据正弦机构的原理，在正弦机构的基础上优化和修改而来。而微调机构则是用于调整转向机构的周期，使小车的行驶轨迹能够根据实际需要而改变。 转向机构 和微调机构的设计是无碳小车设计最为重要的一部分，是实现竞赛命题的要求的核心机构。 在小车加工调试完成后，经过验证小车的设计与制造符合竞赛命题的性能要求。通过这次设计，增强了我们的综合能力，并真正能把所学知识真正用在工作和生活中。 关键词 :无碳小车；正弦机构；单轮驱动；机械加工 of on of of as to of of is by of to is s on of in on is to of of to is to be is of is in is of in in 目 录 1 绪 论 . 4 碳小车越障竞赛命题要求 . 4 碳小车越障竞赛环境 . 5 计和加工思路 . 5 设计的意义 . 5 2 机械结构设计 . 7 体 . 7 动机构 . 9 动机构 . 10 向 机构 . 11 3 技术设计 . 14 车 齿轮齿数 比 的计算 . 14 动学模型 . 15 轮 半径与 绕线轮半径计算 . 16 准件及其材料件列表 . 17 定非标准件 的 零件尺寸 . 17 车整体 装配 效果 图 . 18 4 小车的加工装配以及调试 . 19 要自行加工的零件及加工方法 . 19 用亚克力板作为加工原材料的工件 . 19 用铝合金作为加工原材料的工件 . 20 用 45 号钢作为加工原材料的工件 . 20 车的装配 . 20 车的调试 . 21 5 结果评价分析 . 23 车设计结果 . 23 车设计方案的优缺点 . 23 进方向 . 24 参考文献 . 25 附录 1 小车数学模型 方程 . 26 1 绪 论 当今社会人类活动对自然的污染越加严重，寻求清洁能源的行动势在必行。无碳车的概念开始应运而生。无碳车是一种十分环保的短途代步工具 ，具有节能、经济、环保的特点。无碳车的应用和推广对保护环境和人类的可持续发展有重要意义。全国大学生工程训练综合能力竞赛响应了绿色无碳的社会潮流，提出了无碳小车越障竞赛命题要求，而我们通过设计无碳小车模型，希望可以为无碳小车越障竞赛命题提供一种将重力势能转换为机械能的新思路。 碳小车越障竞赛命题要求 以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车作为要求，设计一种小车，由给定重力势能作为能量来源，通过能量转换驱动其行走及转向。给定重力势能为 4焦耳（取g=10m/竞赛时统一使用质量为 165 通碳钢）作垂直下降来获得，落差 400 2块落下期间，必须由小车承载并与小车一起运动，不允许从小车上掉落。图 1为小车示意简图。 图 1碳小车示意简图 设计要求： （ 1）要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。 （ 2）要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。 （ 3）要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。 碳小车越障竞赛环 境 竞赛场地有两个，主场地一作为车赛场地，占地 2300平米，场地地面为国际室内球类竞赛用标准复合木地板；主场地二作为加工制作装调竞赛场地，配有普车、普铣、数车、数铣和快速成型等比赛用机床，配有钳工工作台和钻床等设施设备。加工竞赛需要的通用工卡量具由参赛队自带。 计和加工思路 图 1碳小车设计流程图 设计的意义 本设计主要的工作有：机械结构设计、数学模型及参数确定、软件仿真，加工工艺的设计，机械加工，装配调试、实地测试。其中最 为重要的是小车机械结构设计中的转设计 开始 分析 竞赛命题 明确 小车性能需求 提出 可行方案 确定方案 分析 Y N 初步设计 分析建模 初步确定参数 评价 选择 材料 N Y 总体与 零件设计 机加工 装配调试 改进 总结 Y N 完成 向机构的设计，转向机构是无碳小车的核心机构，只有设计好转向机构，才能让小车实现利用重力势能实现转向控制并可以进行微调， 并可以行使更远的距离。 通过进行无碳的小车的设计，我们能够在进行无碳小车的设计与实现的过程中加强自己的实践能力、创新意识和合作精神，增加我们对本专业所学知识的理解和认识，提高我们的对机械设计方面的能力，让自己更好巩固和理解大学四年所学的知识，为我们在社会竞争中脱颖而出创造良好的条件。而设计的最终目标不仅 是满足竞赛命题要求 ，更重要的 是：结合我们所学习的知识，发挥 自己想象力， 设计并制作出一台仅仅利用重力势能作为驱动，利用正弦机构现实转向控制和微调，可以行驶 2 机械结构设计 本部分主要是说明无碳小车的主要机构，以及该机构的设计思路和该机构的优缺点。无碳小车的机械结构可以分为车体、 原动机构 、传动 机构 、转向机构、和 微调机构共五个方面。其中，车体是小车全部零件的载体、 原动机构 为小车提供动力、传动 机构负责传递 原动机构 提供的动力、转向机构实现小车有规律的转向、微调机构改变小车行驶轨迹的半径和周期。 体 对车体结构的设计包括小车底盘，车轮，轴承座 等为小车提供安装固定的机械结构的设计。车体结构作为为无碳小车的上的所有机构提供安装固定的部件，需要具有良好的硬度和较好延展性，密度低，轻便，同时还要易于加工，在加工时不容易变形等特点。在对比了各种常见的材料的属性后，初步选定使用铝或亚力克作为车体结构的材料。 大多数常见的铝合金都比较的轻便，而且加工容易，但是由于铝合金价格比较高，所以选择铝合金作为小车的主体材料。而亚克力硬度较大，具有良好的耐冲击性，而且易于加工，对加工精度要求没有铝高，而且价格便宜。亚克力是脆性比较大的，在较薄的情况下受到冲击时容易折断， 所以在设计的时候需要选择好亚克力的厚度，确保部件不会因为受力过大而折断。经过考虑，放弃了使用铝合金作为车体结构的材料，而选择了亚克力。 小车底盘占小车整体质量比重比较大，而且还承载着大部分的小车零件，需要具备较高的稳定性和保持较轻的质量，所以在设计小车底盘的时候，将底盘部分不需要的面积删减，同时部分镂空，为转向机构和微调机构留下活动空间。为提高底盘的抗冲击能力，底盘前方外围的角采用了倒圆角处理。 图 2车底盘三维图 小车一共有三个车轮，分别为后左轮，后右轮和前轮，三者的设计均不同，前轮为导向 轮，后右轮为从动轮，后左轮为驱动轮。小车的采用单轮驱动，后左轮是驱动轮直接与传动轴相连安装，且使用 字型的轴配合，确保不会空转。后右轮则是从动轮则是需要安装轴承，来保证始终保持从动，来实现单轮差速。前轮是导向轮，当正弦机构动作时，它使转向轮按规定的角度摆动，从而保证小车在一定的周期内行走 图 2车 正弦机构示意图 为了减少小车的质量，从动轮和驱动轮都在保证性能的前提下，尽可能的减少体积，做了大面积的镂空。 图 2车 车 轮平面图 动机构 原动机构实际上 是将重块竖直下落的重力势能转化为机械能的机构，它的作用是为无碳小车提供所有的能量来源。同时原动机构需要满足一些设计要求：（ 1）保持平衡，在重块下落和小车转向时，不会因为重物的惯性而失稳或翻倒，（ 2）机构设计简便，由于小车的空间不足，无法使用过于繁杂的机构，所以机构需要简便牢固，能量转换效率高。 为了兼顾效率、简易与经济，决定采用线轮结构。重块上系有尼龙线，重块在下落时，拉动尼龙线， 尼龙线通过 定 滑轮将动力传递到 安装在主动轴上的 绕线轴上， 带动主动轴旋转，从而为小车提供动力来源。 图 2动机构三维图 在图 ，原动机构的顶端为以亚克力为材料的圆形定滑轮支撑架，定滑轮支撑架上安装有定滑轮，用于 传递 有重物下落所产生的 动力 。定滑轮支撑架下连接着是三根直径为 6为 60根碳纤维棒安装 在底部 支撑架上，用于支撑定滑轮固定架和重物，保证重物下落时，小车的稳定，维持车体的平衡。由于原动机构的主要材料为亚克力和碳纤维棒，尽可以减少整个原动机构的质量，同时采用可线轮结构，使得原动机构的结构十分的简洁，同时保证了原动机构运行时的稳定性 。 动机构 传动机构 的 作用 是 把动能 和运动传递到转向机构和驱动 轮上 ，使 小车精确 地 行驶 在 设计的轨道 且 行走出最远的轨迹 。所以 传动机构必需传动效率高、传动稳定、机构简单重量轻 等 。 图 2动机构三维图 常见的简单机械传动方式有：摩擦传动、链条传动、齿轮传动、皮带传动和蜗杆蜗轮传动等等。由于摩擦传动效率低噪声较大，链条传动与蜗杆蜗轮传动效率低，所以优先考虑齿轮传动和皮带传动。考虑到使用皮带传动时由于载荷过大可能会导致空转的问题，以及几何空间充分利用和节省空间的因素，所以我们选定了 1模的齿轮作传动机构，选用碳钢齿。 传动机构主要绕线轴部分、微调机构 连接轴部分和主动轴部分组成。传动机构工作时，在绕线轴上安装的绕线轮缠绕连接重物尼龙线。当重物下落时，拖动尼龙线，尼龙线再带动绕线轮，使得绕线轴转动。通过齿轮传动将动力传动到主动轴和微调机构连接轴上，使主动轴带动驱动轮转动，为小车传递动力，而微调机构连接轴则是负责将动力传动到微调机构和转向机构上，让微调机构和转向机构能够正常工作。 向 机构 转向机构是整个无碳小车中最为重要的机构，它的作用是通过 将绕线轴转角变化量通过机构转化为导向轮的转角变化量，从而 实现无碳小车的转向功能，让小车可以行走 字型路 线。转向机构需要满足：（ 1） 尽 可能的 减少能量损失 ；（ 2）易于加工；（ 3）能够将 传动系统的转动 运动转化为 合乎要求摆动运动 ，带动前 轮转 向 。经过考虑 后决定选择 曲柄摇杆机构作为 小车转向机构的原型 。 适用于转向机构的曲柄摇杆机构主要有可以有两种，其中一种是正弦机构，而另外一种是正切机构。 推杆与导路之间的间隙使推杆晃动，导致 此令正切机构产生误差，对正弦机构几乎无影响。 图 2弦机构构结构示意简图 图 2切机构结构示意简图 而在实际使用中，由于摇杆转角升程 的正切或正弦成比例，所以正弦机 构和正切机构在工作时都会产生误差，其误差值为 与。 由于正切机构在误差方面要大于正弦机构，故在设计转向机构的时候，决定选择正弦机构作为转向机构的基础，在正弦机构的基础上进行改善和优化。 图 2向机构三维图 在 转向机构的设计中，我 们 将 用于 提高正弦波的 凸轮机构 简化，并将 机构 中的摇杆和推杆 的 自由度限制 ， 使它们只能在 同 一个 平面 内 运动， 这样 有利于优化机构的 体积和复杂度，并 减少 误差和计算难度。 转向机构主要 由两部分组成，一部分为负责提供正弦波的类 凸轮 部分，而另一部则是将正弦波转化为小车导向轮 转角的转向部分 。如 图 2示 ， 图中红色的零件 为 凸轮推杆滑块 、蓝色 的 零件 为正弦 凸轮柄、橙色 的 工件 为 转向滑块固定架、深蓝色 的 工件 为 转向机构转向滑块、浅绿色的 工件为 导向轮车桥转块和绿色的 工件 为凸轮微调滑块。 类曲柄机构部分 的 零件有 凸轮推杆 滑块 、 正弦 凸轮柄、用于 连接 凸轮推杆 滑块 与 正弦 凸轮柄的连接杆和推杆。转向 部分 的 零件有 ：转向滑块固定架、转向机构转向滑块、导向轮车桥转块和导向轮车桥杆。 转向 机构 工作 时 ，微调机构连接轴带动 微调机构转动 。 微调机构 通过凸轮微调滑块与转向 机构 中凸轮推杆 滑块 连接 ，其中 凸轮微调滑块和凸轮推杆 滑 块 之间通过 轴 连接 ， 在凸轮微调滑块上 安装有轴承， 轴 可以 在凸轮微调滑块中做出 转动运动，轴的另一端 锁死在凸轮推杆 滑块 ，凸轮推杆 滑块 可以 做出任意角度的相对 于凸轮微调滑块的相对 转动 。 正弦 凸轮柄通过 杆与 凸轮推杆 滑块 想 连接，正弦 凸轮柄可以在于凸轮推杆滑块内 作上下滑动， 故当 微调机构转动时，由于 直线 轴承座的 限 位作用 ， 令正弦 凸轮柄始终 垂直于底面， 同时 由于机构的 约束使其只能 前后 运动 ， 使得 正弦 凸轮柄上 的推杆 只能 作前后往返运动 。当 推杆作前后往返运动 时， 推动 转向滑块固定架， 由于推杆 前端 有螺牙 ，所以 在推杆 后退 时， 转向滑块固定架依然 与推杆 相连接 。转向滑块固定架内部 安装有 转向滑块，两者之间 可以发生 任意角度 的相对 转动。导向轮车桥转块与转向滑块通过 摇杆连接 ， 摇杆 前端与轮车桥转块固定 ， 后端可以在转向滑块中作 相对滑动，而 轮车桥转块又 与车桥杆通过螺丝锁死 。 故当 推杆 带动 转向滑块固定架前后运动 时，使摇杆的与绕线轴的夹角 不断发生 变化， 通过轮车桥转块将 摇杆的与绕线轴的夹角 的 变化量转化为导向轮的转角变化量，从而改变小车的施行方向。 另外，在小车转弯时，还需要解决内轮和外轮差速问题。选择双轮驱动方案时，小车两个后轮都同时作为驱动轮，两后轮需要同轴，而且还需要设计和 安装无碳小车专用的差速器，但是由于差速器的加工精度要求太高，而且需要长时间的调试，制造成本过于昂贵。故不在小车 上 使用双轮 驱动 而 是选择单轮驱动 。 单轮驱动 即把 其中 一个 后轮 直接安装 在驱动轴上 跟随 驱动轴转动，作为 驱动轮， 另外一个 后轮通过 使用轴承 与 驱动轴连接 或 安装在另一 条 轴上，不 跟随 驱动轴一起转动 ，作为 从动轮， 从动轮 的转速 由 小车转弯时的角度 和半径决定， 因此 能很好 的解决 小车的差速问题 。由于小车采用单轮驱动来解决小车转向时从动轮 和驱动轮的转速差 问题，从结果上来看，单轮驱动的结构会比双轮驱动简便许多，效率也会比使用差速器的 双轮驱动高，但是单轮驱动会导致小车行驶不稳定的问题。通过对比后，决定使用单轮驱动，来解决小车转向时内轮和外轮差速问题。 3 技术设计 将无碳小车的机构方案基本设计完成以后 ， 需要根据 实际需要 来确定小车各个机构的尺寸参数 、建立数学模型，计算并优化小车零件的参数。使小车可以行驶更远 的距离 ，更好的满足竞赛命题的要求，并 为小车 提供更好的性能。 车 齿轮齿数 比 的计算 将无碳小车的机构方案基本设计完成以后， 还需要初步确定小车的部分参数，并以此为 基础 ，来推导其他参数，最后 把 小车的参数 代 入小车运动学模型中 来 验算和优化 小车的参数， 用于减少工作量并 提高 效率。 已知 竞赛命题中，小车 绕 障 要求如图 3示 ： （图中 单位为 图 3车 绕 障 要求示意图 如图 所示 ， 小车 前方每隔一米 就会放一个 障碍物 ， 如果 需要 成功 的 避开障碍物小车的行驶 轨迹 就应该为正弦 曲线 或 余弦曲线 。 当选取 正弦 曲线 为 小车的 行驶 轨迹时 ， 小车的 行驶 轨迹的 周期 不好 确定， 而且随着 小车行驶距离的 增大 ，小车与 每一次绕过 障碍物 时 两者相距的距离 会 越来越 短，所以选择了 余弦 曲线 作为小车的行驶轨迹 ，令 小车的轨迹为 。 由图 3得 ， 和 k 的值为 0， 余弦 曲线的 周期 T 为 2m，所以。 由于小车 绕过 障碍物时两者 需要留有一定的 安全 距离，所以 A 一般取 小车的车 宽 的 一半 与安全距离之和 ， 故A=以 小车的轨迹为 。 通过 小车的轨迹曲线公式可以求得小车在一个周期所行走的距离 约 为 小车能够 在 后轮 转动四圈 后 能够行驶完一个周期，所以 可以暂 取小车 后 轮 半径 为 R=100 小车行驶完一个 周期 后，小车的转向机构应该也完成一个转动周期。所以，小车的驱动齿轮和微调机构转动齿轮齿数 之比 为 1:4， 但是小车的后轮半径越大越有利于小车的行驶，故小车 后 轮 半径取 R=104转动 后可行驶完一个周期， 因此 驱 动齿轮和微调机构转动齿轮 也该改为 1:34。同时 为了增加小车行驶的 圈数 ， 在 驱动齿轮和微调机构转动齿轮之间 并 入 一个齿轮用于连接绕线轴， 取 驱动齿轮和 绕线 齿轮齿数 之比为 1:3， 故驱动齿轮 、绕线 齿轮齿数 与 微调机构转动齿轮 三者 的齿数比为 1:3:齿数 带入小车运动学模型， 可验证和优化 小车 齿轮组的齿数比。 动学模型 通过以驱动轮 、从动轮和转向轮三者的轨迹方程 为 依据， 编写 为 序 ，进行仿真 。在 序中给参数赋初始值，通过不断地对各参数进行调整，最终得出较为合理的轨迹函数图像，再与竞赛 命题中 要求小车所 行走 的轨迹 两者 来 对比 ，计算 优化 得出 最合理 的参数， 再 以 最合理 的参数 为 依据 确定 小车的各零件的参数 。下图为图 3图中曲线为小车 其中一组参数下的 小车三轮 的 轨迹函数图像即 小车的 运动轨迹图。 图 3车轨迹 模拟图 如图 3示，从函数图像中可以看出，图曲线曲线光滑连续，并没有较大的突变， 周期 和半径都符合竞赛命题要求， 此时的各参数值可以为理论上的最优值。具体值为： 绕线轴齿轮 为齿轮 1 模数齿数 ， 微调机构连接轴齿轮为 齿轮 2 齿数 ，驱动轴齿轮 为 齿轮 3 齿数，齿轮传动比为，带传动比为，绕线轴半径 r 为 3，驱动轮 和从动轮 半径 =为 104杆为 120杆为 87 87 轮 半径与 绕线轮半径计算 已经摩擦力矩与正压力的关系为 : M= 3 其中 U 为滚动摩擦系数，其中亚克力与木地板的滚动摩擦系数为 故 滚动 摩擦力 ： M=5N （ 3 由上式可知当小车轮子半径越大，小车受到 的滚动摩擦力越小，就能够行驶的越远。但是由于材料的加工问题、材料的机械性能不足问题材料、零件的安装问题与小车零件协调性问题，故小车后轮的半径不能取得太大， 需要在合理范围内。 图 3车齿轮组 示意图 如 图 3示 ， 齿轮 1 为 绕线轴齿轮，齿轮 2 为微调机构连接轴齿轮 ，齿轮 3 为 驱动轴齿轮 ， 三 者 构成了小车的齿轮组系统。 准件及其材料件列表 表 3编号 材料及标准件的种类 毛坯尺寸 毛坯数量 每台件数 1 亚克力板材 200 200 3 3 3 2 碳纤棒 6 1000 3 3 3 铝合金板材 12 20 200 1 1 4 深沟球轴承 8*14*5 (d*D*B) 18 18 5 深沟球轴承 6*14*5 (d*D*B) 4 4 6 滑轮轴承 6*20*5 (d*D*B) 1 1 7 直齿轮 m=z=14 1 1 8 直齿轮 m=z=42 1 1 9 直齿轮 m=z=46 1 1 10 垫片 0 30 11 螺栓 0 30 12 螺钉 0 30 13 轴套 6*8*2 2 2 14 轴套 8*14*3 2 2 15 45#钢 4 500 1 1 16 45#钢 6 500 1 1 17 45#钢 8 500 1 1 定非标准件 的 零件尺寸 经过理论计算和分析结构的合理性，对机构 参数进行不断的优化 ，最终确定小车各个机构重要零件的具体尺寸。 推杆长 =120 杆长 =78.5 车整体 装配 效果 图 图 3车整体 装配效果图 1 图 3车整体 装配效果图 2 4 小车的加工装配以及调试 在本章中，主要是介绍小车各个零件的具体加工方法、零件原材料的选择、加工 中遇到的问题、加工后进行的装配过程以及在调试中发现的问题及其改进方法。 要自行加工的零件及加工方法 小车 的 零件 部分可以 中 的 标准件可以根据 设计要求而购买 ， 而 非标准件则需要购买毛坯料进行加工 ，我们所设计的无碳小车需要自行加工零件的原材料主要有亚克力、铝合金为 45 钢和碳纤维。 用亚克力板作为加工原材料的工件 亚力克是高分子材料，化学名称为 聚甲基丙烯酸甲酯 。亚力克板是由亚克力粒料经由挤板机挤出而成。优点是具有较强的抗冲击力性较高的表面硬度和表面光泽，以及较好的高温性能，同时拥有在通用塑料比较优秀的力学性能，稳定性好，密度较低。缺点是脆性比较大，无法使用线切割工艺来确保加工精度。使用亚力克板作为小车的大部分工件的加工材料，有利于减轻小车的整体重量，同时具有较好的抗攻击性，且可以控制成本。 需要以亚力克板为原材料加工的零件主要有小车底盘、驱动轮、从动轮、导向轮、轴承座、正弦凸轮柄、转向滑块固定架、定滑轮支架等。 由于加工精 度对于无碳小车而言十分重要，为了保证零件的加工精度，上诉使用亚力克板为原材料加工的零件全部使用激光切割工艺对亚力克板进行切割，由于激光切割工艺的加工精度较高，所以大部分零件切割出来后可以直接使用。其中部分零件由于侧面存在孔，无法使用激光切割工艺，故使用铣床加工剩余的部分。 ： 图 4 滑轮 固定架 用铝合金作为加工原材料的工件 铝合金 是日常生活中应用最广泛的一类 有色金属 结构材料，铝合金密度低，强度比较高，塑性好。但是由于大部分铝合金的密度比亚克力的密度高，且硬度不如亚克力，所以并选择铝合金作为小车的主体材料，仅作为部分连接件或滑块的材料。由于 铝合金 具有许多种型号，经过考虑以后，决定使用 6063 铝合金板材作为加工原料。 需要以 6063 铝合金板材为原材料加工的零件主要有：导向轮车桥、导向轮车桥转块、转向机构转向滑块、凸轮推杆滑块、凸轮微调滑块、凸轮微调滑块固定架。 由于以 6063 铝合金板材为原材料加工的零件尺寸都非常小而且数量不多，所以决定自行加工。在加工时，只能先是按照设计的要求，将 6063 铝合金板材切割开粗，之后使用铣床进行精确加 工，最后再用砂纸打磨去毛刺。 其中，导向轮车桥转块、转向机构转向滑块、凸轮推杆滑块和凸轮微调滑块都比较容易加工，只需要将 6063 铝合金板材开粗为余量不小于 米的毛坯，使用铣床铣精确到数，再按照图纸的要求进行钻孔、攻牙、打磨等加工工艺即可。至于导向轮车桥和凸轮微调滑块固定架则存在一定的加工难点。 导向轮车桥的加工难点是在于其不是用铣床直接 6063 铝合金板材，而是先使用车床加工出一个毛坯再使用铣床加工。由于 攻很容易受力过大折断，所以在使用 攻攻牙的时必须非常小心。如图 4示，先使用车床将 6063 铝合金材料车出一个台阶圆柱，上台阶高 5 毫米直径为 10 毫米，下台阶高 50 毫米直径为 20 毫米。完成后使用铣床在下台阶铣出四个个端面，再按照图纸要依次进行钻孔和攻牙，最后铣用于安装导向轮的槽。 用 45 号钢作为加工原材料的工件 45 号钢是常用中碳调质结构钢，具有较高的强度和较好的切削加工性。在小车中，用作加工各类轴。 需要以 45 号钢零件主要有：驱动轴、从动轴、绕线轴、定滑轮轴、转向机构推杆、转向机构摇杆、导向轮车桥杆。 加工方法为：按照图纸的要求，使用车床车出合适的直径和长度，之后再进行攻牙和打磨。 车的装配 在小车的工件加工完毕后，将开始对小车进行装配。对小车的装配可以分为以下四个部分： 车体行驶结构装配 ： 将各个机构的轴承座按照图纸的要求安装在小车底盘上，为了使轴承座和小车底盘连接的更加稳固和方便调试，决定通过螺丝锁紧将轴承座固定。然后将用于将安装驱动轴和从动轴的轴承安装在轴承座上，为后面对驱动轴和从动轴进行调试，先不将轴承固定。为 了减少摩擦和提高稳定性，每个轴承座上都安装上一对轴承。之后安装转向轮车桥，为了减少车桥轴和小车底座的摩擦，在小车底盘正反两面安装一对轴承。在转向轮车桥上 安装前轮，使用螺丝固定。将齿轮安装在驱动轴上，暂时不固定，然后把驱动轴和从动轴穿过轴承，安装在轴承座，把驱动轮和从动轮分别安装在驱动轴和从动轴上，使用螺丝固定。 小车原动机构装配 ： 使用螺丝将原动机构底部支撑架和小车底盘锁紧，然后将将三根碳纤维管，放入原动机构底部支撑架的三个孔内，之后将定滑轮支撑架安装在三根碳纤维管上。把定滑轮放入定滑轮轴上的合适位置，将定滑轮固定轴安装在定滑轮支撑架上，微调原动机构底部支撑架、碳纤维管和定滑轮支撑架至合适，安装重物。 小车传动机构、微调机构及转向机构总装： 安装绕线轴轴 承，将齿轮放入绕线轴，之后将绕线轴穿轴承座上轴承，调试到合适的位置。安装微调机构连接轴，把凸轮微调滑块安装在凸轮微调滑块固定架调试，等凸轮微调滑块功能可用后，把凸轮微调滑块固定架安装到微调机构连接轴，之后将凸轮推杆滑块安装在凸轮微调滑块固定架上，放入正弦凸轮柄，完成微调机构的安装。微调机构安装完成后，将推杆无螺纹的一侧放入正弦凸轮柄上，在推杆有螺纹一侧安装转向机构的转向滑块固定架和凸轮推杆滑块，再在转向滑块固定架安装摇杆。将导向轮车桥转块安装在转向轮车桥轴上并连接摇杆。 小车各机构微调固定： 将小车的各个机 构都安装完毕后，微调各个机构组件的位置，直至各个机构可以正常并流畅的运作，完成微调后将固定每一个轴承的位置，并锁紧全部固定螺丝，验证小车是否能正常行驶，如果没明显问题，即完成对小车的装配工作。 车的调试 轴承装配问题：在轴承装配时，轴承需要过盈配合。轴承 座上用于安装轴承的 孔直径需要比 轴承的直径 少 右 ，但是即便是使用激光切割 工艺 加工 ，轴承 座 上 的 轴承孔仍然是会偏大 甚至每个 轴承孔的大小 都 不一， 使得 轴承都无法 使用原本 计划 中的安装方法 。 发现这个问题后，我们可以采取半径 补偿的 方法， 让轴承可以固 定在 轴承 座 上 ，但是这样可能会导致 轴承 上的轴 发生 偏心，影响小车的工作。 最好的方法 是对 轴承 座 重新 加工，并 要求在加工时，对加工 材料 进行加工误差补偿。 推杆 自由度限制问题 ： 小车装配 完成后， 发现小车 的正弦机构并没有 正常的 工作 。在小车测试时，转向 机构 中 正弦 凸轮柄和 推杆 会 由于重力的作用 在 向前移动的同时会下落 导致 转向机构不能正常工作 。这个 问题发生的原因 是如果 需要转向机构正常的工作需要 限制推杆 左右 方向和竖直方向的自由度 ，而在转向 机构 中的 设计中 ，转向滑块固定架并 不能有限的限制推杆 竖直 方向下的自由度 。解决 这个问题 需要 设 计专门用于限制推杆竖直方向的自由度 的 零件 。 小车的稳定性问题：在小车的 调试过程中 ，发现 小车的 车身稳定性并 不怎么理想 。由 于 小车的 车身稳定性与小车的整体构造及整个车的重心有 很多的 关系，如果要 要使小车的稳定性得到良好的改进，需要 调整小车 的 重心 的位置 ，而这需要 对小车上机构的位置 进行调整，把小车的重心集中在车体中间略微偏后的位置上， 同时 还 需要 令 重物和尼龙线保持垂直。通过 改进后 ，小车的稳定性得到良好的改进 。 摩擦对小车 的影响问题 ：在 小车的行驶过程中， 车轮 与地面的 摩擦和 零件之间的摩擦对车的性有 很大的 影响。在 实际 调试中， 小车无法正常启动行驶，经过 分析后是由于 车轮与地面的摩擦 系数 过大或绕线轮半径过少。在计算绕线轮半径 时， 由于 大部分 可以需要 进行反复运动的 轴和 杆 都在 连接处 安装 有轴承来尽可能减少摩擦， 因此是 按照理论状态下的情况，对小车的对 绕线轮半径进行 计算 ， 导致 在 实际中 绕线轮半径过少。 后 通过 加大绕线轮半径好，小车可以顺利启动并 行使 。 加工 误差的问题： 在实际中由于存在加工 误差 的影响，往往会导致设计性能与实际表现之中存在差别，令 小车无法达到最优性能。 而解决 这个问题的方法是 利用 小车的微调机构的 对小车进行微调。微调 机构不仅能用于调 整 小车运动 轨迹的周期和半径， 善用 微调机构还能用于 来改善由于加工 误差所导致 的问题。 5 结果评价分析 分析无碳小车的设计与实现的成品，将小车 的实际性能与理论性能 作对比，并以此来寻找在小车的设计和制作过程中的由于设计 或加工等问题导致 的缺陷和问题，并通过 分析小车 成品的 缺陷和问题，改进 小车的设计和制造 。 车设计结果 在经过对小车的设计优化、加工装配和微调总结后，最终设计并实现能够实现竞赛命题并达到预期性能需求的无碳小车。该无碳小车可以能依靠所给定重力势能，能够自动启动前行，并在行驶的过程中自动行驶出 S 型 轨迹，且在实现平稳行驶，可以调节转弯半径和周期。 车设计方案的优缺点 小车设计 方案的优点： （ 1） 小车 的转向机构与驱动 机构 结构简便高效 ， 零件 的几何关系 简洁 明了，易于计算和仿真。 （ 2） 车身 使用 亚克力板为原理制作 ， 使得小车车身更加轻巧， 使用 齿轮和带轮传动，能量 传递效率 高 且 能力损失少。 （ 3） 采用单轮 驱动 ， 不需要安装 差速器， 减少 小车整体的质量和成本， 同时具有 较大的驱动轮， 使 小车行驶时效率 比较 高 、 能量 损失 小， 能够在 比较粗糙地面行驶并行走更远 的距离。 （ 4） 微调机构 和转向机构利用了正弦机构的原理，可以减少 误差并能 通过 调整 微调 机构参数， 来实现 纠正 小车 的行驶轨迹 ，并 调节小车的行驶 的 周期和半径， 有利于 小车适应转弯绕障 和 避开障碍物。 （ 5） 通过 对 机构 设计的调整，使小车零件对 加工 精度 要求降 低 ，减少 小车的 加工 成本，并让 小车更加易于 修改、 加工、安装 及微调 。 （ 6） 由于用于制作 小车的 原材料价格比较低且 小车的 加工成本 不高， 可以让小车整体造价保持 一个 比较低的 水平 ， 可以 在 确保小车的 性能达到 要求的同时控制 小车 的成本 。 小车设计 方案的缺点： （ 1） 由于在 设计时，没有考虑到 理论 和实际的区别 ，缺少 设计经验，让小车 理论性能 和实际性能有出入 。 （ 2） 小车的加工受到成本、 时间、加工技术和加工范围的限制，导致小车的整体加工精度不高，出现了许多不该出现的加工误差。 （ 3） 在不同的地面测试 时 ，小车所行驶的距离波动比较大，微调机构微调滑块 位置很难 把握准确， 难以根据不同类型的地面进行合适的微调，而且微调时 比较繁琐 和 耗时 。 （ 4） 小车的 微调机构和转向机构 的 转动平面垂直于地面，在工作时会受到 重力 加速度 的影响，使得 机构 工作时精准 度 收到影响。 （ 5） 对各种 机构 认识还不够 全面 和 透彻，无法 根据 实际需要 设计 出 性能更好且 足够简便的 机构。 进方向 （ 1） 加工精度和装配精度是碳小车改进的一个大方向之一。如果能 够 找到更加合适的加工工艺可以提高小车零件的加工精度 并 减少后期的调试工作，也 可以让小车现实 得到更好的运动效果 ， 同时控制小车的成本。 （ 2） 设计性能更加 良好的转向机构和微调机构 ， 用于 提高 转向机构的效率和稳定性， 同时提高微调机构的微调范围，让小车可以更大范围的调节调节转弯半径和周期，提高小车在各种地面的适应能力。 （ 3） 修改微调 机构和转向机构，使其 的 转动平面平行于地面，减少重力对 微调 机构和转向机构 工作时 的影响。 （ 4） 在设计阶段对小车进行更多的计算和仿真。通过更多 的 计算和仿真来 选择更好的设计方案 和 参数， 令小车的理论性能得到提高。 （ 5） 改进 机构的 配合 的合理性 。 通过 使 机构的 配合更加 合理， 使 小车更容易装配并提高小车 零件 装配时 装配精度。 参考文献 1 顾晓勤 ，谭朝阳 学 M. 机械工业出版社 ,2009. 2 吴 宗泽 忌 1000例 M. 机械工业出版社 ,20011： 463 黄廷 祝 ,成孝 予 M2008. 4 同济大学数学系 M2009. 5 王 德伦，高媛 M版社 ， 2012. 6 濮良贵 ， 陈国， 吴立言 M版社 ， 2012. 7 王启美，吕强 M电出版社 ,2007. 8 潘春祥，任秀华，李香 . 014中文版基础教程 M. 人民 邮电出版社 ， 2013. 9 陈 怀 琛 理工课程中的应用指南 M子科技大 学 出版社 ， 2007 10 . s . 008 附录 1 小车数学模型 方程 n=1000; h=,0.4,n); %小车齿轮齿数 比 1/23; ; %小车绕线轮 半径 %小车前轮 转动中心到推杆中心的横向偏距 C=%微调装置滑块中心到绕线轴圆心在水平 方向上 距离 L=%导向 轮车桥杆 圆心 到驱动轴圆心 在水平 方向上 距离 I=%小车 后轮半径 R= %驱动轮到前轮转动中心横向偏距 %从动轮 到前轮转动中心横向偏距 %算法 h/E=h/*L af=*C); ./(; s=; ds=s(2) ( bd= dy= x= y= xb=1+* yb=1+* xc=I* yc=I* x,y,b,xb,b,xc,m); on on i=1:9 t=0:*t)t)+i; xy, on
展开阅读全文