无碳越障小车设计

攀枝花学院Panzhihua University本科毕业设计无碳越障小车设计题 目： 无碳越障小车设计 学生姓名： 学 号： 院 （系）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 2010 级机械设计制造及其自动化 4 班 指导教师： 职 称： 实验师 年五月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘要摘 要目前全球经济飞速发展，带来环境问题愈发明显，传统能源逐渐衰竭，鉴于此无碳小车的研制具有十分重要的意义。针对题目要求拟定了无碳越障小车的总体设计方案，通过计算分析完成了无碳越障小车的结构设计，绘制了装配图和部分主要零件图，通过 pro/E 模拟仿真验证了预定功能，并制作出了实体样机，通过实体样机的演示达到了规定功能。关键词：无碳越障小车；环保；机械设计攀枝花学院本科毕业设计（论文） AbstractIAbstractNowadays, 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 significance. 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 physical prototype, finally reached the required function by the entity prototype presentation. Key words ：carbon-free car, environmental protection ,machine design攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录II目 录摘 要 .IAbstractII目 录 III1 任务分析 11.1 毕业设计题目分析 .11.2 无碳越障小车的设计要求 .11.3 无碳越障小车的原理分析 .32 无碳越障小车方案设计 52.1 原动机构的设计 52.1.1 滑轮的设计 52.1.2 绕绳轮的设计 62.1.3 重物支撑架的设计 72.2 传动机构的设计 72.2.1 齿轮的设计 72.2.2 传动轴的设计 92.3 导向机构的设计 .102.4 行走机构的设计 .122.4.1 行走机构方案的选择 122.4.2 后轮尺寸的计算 132.5 微调机构的选择 .132.6 无碳越障小车的总体设计 .142.7 无碳越障小车部分零件设计 .152.7.1 无碳越障小车的底板设计 162.7.2 无碳越障小车支架的设计 163 无碳越障小车的制作 183.1 三维模型的建立与运动仿真 .183.2 部分零件的工艺 .193.2.1 前轮叉架的工艺 203.2.2 前轮的工艺 213.2 无碳越障小车的装配与调试 .214 题目的成果及意义 234.1 题目的完成情况 .234.2 题目的创新 .234.3 改进方向 .23结论 25参考文献 26致谢 27附录 28攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 任务分析01 任务分析1.1 毕业设计题目分析本次毕业设计主题为“无碳越障小车” 。要求经过一定的前期准备后，在完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。设计的作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理报告。小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。“无碳越障小车，顾名思义，意思就是能以 S 形轨迹绕过一排间距可调的障碍物并且能节约能源的小车。该题目为全国第三届大学生工程训练综合能力竞赛题目，小车前进的动力直接由重物下落过程中减少的重力势能提供，只通过重力势能与机械能的能量转换，使得小车实现前进、转向和调节。行驶的路线近似于正弦曲线，呈周期性变化，而且障碍物的间距在 900mm1100mm 之间可调。其中，难点在于转向机构的设计，如何才能让小车在 900mm1100mm 的范围内的实现精确可调，是亟待解决的问题。1.2 无碳越障小车的设计要求设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为 4 焦耳（取 g=10m/s2） ，竞赛时统一用质量为 1Kg 的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 4002mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图 1 为小车示意图。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 任务分析1图 1： 无碳小车示意图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。通过查阅资料和市场调研，我们初步确定了 3 种方案。（1） 重物下落时，小车不行走，将重物的重力势能转换为弹性势能储存在发条中，重物静止后发条释放能量驱动小车行走。这是参照市场上大多数玩具车能量储存的方式。但是存在的问题是小车的速度难于控制，同时必须考虑重物静止后如何触发发条带动小车行走（的机构）机构的设计，同时在能量转换的过程中会损失更多的能量；（2）重物下落时，小车向前行走，利用飞轮储存能量。重物静止后，飞轮释放能量可继续带动小车行走一段距离。这是参照火车轮子的储能原理。存在的问题是：由于设计了直径大且重的飞轮，所以小车开始启动时所需要的启动力矩较大，能量消耗大。同时要增加一个零件，会增大成本。（3）重物下落时，直接带动小车行走，结构简单，加工方便，成本也较低。所以综合考虑最终确定采用第 3 种方案。绕在小车轴上线的一端通过定滑轮连接在重物上，重物下落直接通过绳子带动小车前行。为了避免重物下落时因为小车的行走而摆动，影响小车行进的轨迹，甚至使小车倾翻，因此在小车上设计了阻止小车摆动的 3 根竖杆，3 根竖杆由套圈固定，杆与下落重物圆周相切，形成一个圆柱形状，使之下落稳定。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场地。要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由学生自主完成。小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径 20mm、高 200mm 的多个圆棒，障碍物沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。见图 2。图 1： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图根据对题目分析，可以知道无碳小车的设计重点和难点是如何将重物的势能转换为机械能并驱动小车行走的距离最长和小车前行时如何避开道路上设置的障碍物。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 任务分析2其设计思路为：查阅相关资料，进行市场调研，写出调研分析报告，拟定将给定重物的势能转换为机械能的结构和小车自动避障的机构，确定小车一个周期行进的路线和长度，确定后轮尺寸和前后轮的传动比，传动机构设计，小车车架总体结构设计，小车各零件的设计（包括材料和结构） ，主要零件配合部分尺寸及公差的确定、形状、位置的确定。1.3 无碳越障小车的原理分析通过对小车的功能分析小车需要完成将重力势能转换为机械能的功能，完成自动行走及自行避开障碍物等动作。为了方便设计，这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架，驱动机构 、传动机构 、转向机构 、微调机构） 。为了得到令人满意方案，我们采用采用扩展性思维设计每一个模块，以方便寻求到更多种可行的方案和构思。通过对毕业设计的题目分析可知小车的前进路线，我们可以将它近似地看成余弦函数 xAycos其中 A 为振幅， 为频率。函数的图像就类似于小车前进的路线，如图 1-1,1-2,1-3 为障碍物间距不同时对应的函数图像。由于小车要适应不同距离的障碍物的场地，所以函数的周期是变化的，因此对应的函数图像也是不同的。由 MATLAB 可以算出不同间距时对应的轨迹的振幅及周期长度，作出间距变化对应距离表 1.1。表 1.1 不同间距对应的余弦函数图像长度表 2.1 为小车在障碍物取不同间距时在场地上行走时对应的实际前进的距离。通过分析表 1.1 中的数据可取小车行走一个周期的距离 S 约为 2800mm，以保证当障碍物间距在 900-1100mm 范围内时，通过调节导向机构我们可以使小车能够准确的绕过障碍物。图 1-1,1-2,1-3 为当小车场地的障碍物取不同的间距时小车行走一个周期所经过的路程的轨迹。为了保证小车顺利的绕过障碍物，并且尽可能的前进更远的路程，通过表 1.1 我们可以确定小车的起始位置，即距离中线 300mm500mm 的范围内，以满足小车越障要求。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 任务分析3在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面的客观因素，同时应当尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，这样才能够使得选择的方案能够综合最优。图 1-1 间距为 900mm 的余弦曲线图 1-2 间距为 1000mm 的余弦曲线攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 任务分析4图 1-3 间距为 1100mm 的余弦曲线攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计52 无碳越障小车方案设计2.1 原动机构的设计2.1.1 滑轮的设计小车的原动机构采用滑轮悬挂，其上挂有一根伸缩性较小棉线，在棉线的一端挂有一重块，另一端则缠绕在小车驱动轴的绕线筒上，中间悬挂在支撑架上的滑轮上。当重块下落时通过棉线拉动动滑轮转动，带动绕线筒旋转，以此通过传动机构驱动小车后轮旋转，驱动小车向前行驶。带轮设计成锥形，在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。起动后，原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。当物块距小车很近时，原动轮的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车。小车上的定滑轮由 3 根直径为 6mm 的碳钢丝杆支撑，将提供能量的重物通过定滑轮悬挂在有效高度为 4002mm 的重物支撑架上使其自由落下，为小车前进提供能量。同时保证重物在下落的过程中不会晃动。图 2-1 由于质量为 1Kg 的重块（5065 mm，普通碳钢）通过棉线绕过定滑轮转动时，在定滑轮上形成一个驱动力矩 M，由公式：式 2-1FR可知滑轮半径（动力臂）越大，形成的驱动力矩就越大。根据这个结论，我们可以在保证车身长度一定的前提下，把定滑轮的半径尽可能的取得大的值。为了保证重物在下落过程中保持匀速，我们在滑轮上绕棉线时，在滑轮上多绕几圈，这样可以有效减慢重物下降的速度，提高能量的利用率。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计6图 2-2 小车的滑轮2.1.2 绕绳轮的设计驱动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。在我们所学过得架构中能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对绕绳轮还有其它的具体要求。（1）驱动力要适中，这样才不至于在小车拐弯时速度过大发生倾翻，或者是重块晃动厉害影响小车的行走。（2）应该使重物块的动能尽可能的转化到驱动无碳小车的前进上，但是如果重物块在竖直方向上的速度比较大，重物本身就会还有较多动能未释放，这样的后果就是能量利用率不高。所以我们要控制重物下落的速度。（3）到小车在到达终点前重块在竖直方向上的速度要尽可能小，这样能够避免发生碰撞而造成损失能量。（4）由于不同的场地对轮子的摩擦不一样，在不同的场地上面无碳小车小车是需要的驱动力也不一样的。因此在调试的时候也不知道需要多大的驱动力才能恰到好处。因此驱动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。（5）机构简单，效率高。绕绳轮设计有大直径轮，便于小车启动，重物下落时，直接带动小车轴转动，从而带动小车前进，这种方法很易实现，又方便制作。也可以通过调整使小车的速度平缓的前进，同时也方便转向。同时为了防止重物因转向等的原因摇摆导致小车倒翻，在重物下落垂直上用丝杆固定重物下落轨迹。传动机构上我们设置的传动比是 1:6，这样能使重物下落相同高度能有更远的行驶路程。因为整体小车摩擦很小，所以我们的绕线部分直接缠绕在直径 10mm 的绕绳轮上使小车达到更远的行驶路程。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计7图 2-2 小车绕绳轮模型2.1.3 重物支撑架的设计重物支撑架的作用是固定滑轮，悬挂重物的支架。重物支撑架的设计包括两个部分：重物支撑杆和重物支撑架。重物支撑杆支架采用 3 根 M5 的碳钢丝杆成等边三角形分布，可以防止重物在下降的过程中晃动。支撑杆的长度为 450mm。重物支撑架采用硬铝制成，要求三个孔的相对位置要完全和地板上的三个孔的位置匹配，不然重物支撑杆就会倾斜，影响小车的正常运行。重物支撑板的三个空的直径为 6mm，通过螺母在重物支撑杆上固定。支撑架上有两个 5mm 的孔，用于滑轮的轴的径象定位。重物支撑板的结构如图 2-3.图 2-3 重物支撑架2.2 传动机构的设计2.2.1 齿轮的设计表 2.2 齿轮参数序号 模数 齿数 中心孔/mm 分度圆直径/mm 厚度/mm大齿轮 0.75 96 20 72 3小齿轮 0.75 16 6 12 5攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计8图 2-2 齿轮的三维模型表 2.2 各种传动方式的优缺点传动方式 优点 缺点齿轮传动齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。要求较高的制造和安装精度，成本较高；不适宜远距离两轴之间传动链传动和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带传动比较 ,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率较高,一般可达 0.950.97链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等带传动结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用不能保证精确的传动比；带轮材料一般是铸铁等；质量较大蜗杆涡轮传动有比较大的传动比，非常紧凑的结构；传动平稳；噪声小； 能够自锁；传动摩擦损失比较大，效率也很低，不适合传递大功率和长期连续工作；成本比较大；蜗杆传动置适用传动比大；传递功率低得机械上传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。常用的传动方式包攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计9括：齿轮传动、链传动、带传动、蜗杆涡轮传动。由表 2.2 的各种传动方式的优缺点比较，我们选择一级齿轮组传动作为无碳越障小车的传动机构。选择一级齿轮组可以避免二级齿轮传动带来的较大的阻力和较大的传动误差。为了使小车前行距离远，理论上后轮的直径越大越好，但后轮太大，启动时所需力矩较大且消耗的能量也大。按照传动比的选择原则，同时考虑到小车在行驶时要求传动比准确和加工工艺性，将传动比初步确定为 1：6，大齿轮齿数为 96，小齿轮齿数为 16。即带轮转一圈车轮转 6 圈，较大的传动比和后轮直径可以使小车前进更远的距离。为了减轻小车的重量，将大齿轮确定为 3mm 厚的片齿轮，质量为硬铝。选择小模数齿轮可以有效的减小小车前进时的阻力， 模数太小又会增加制造难度、加工成本和齿轮的使用寿命。所以，将齿轮的模数确定为 0.75。齿轮通过轴套与轴配合，这样可以保证齿轮的轴向和径向定位。考虑到现有的加工能力，齿轮采用线切割机床进行加工。表 2.2 为选择的一对齿轮参数，图 2-2 齿轮的三维模型。2.2.2 传动轴的设计图 2-3 轴上零件的布置攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计10由于小车是一级齿轮组传动，曲柄连杆摇杆机构导向，所以我们只需要两根传动轴，这样既减轻了小车的质量又减小了传动误差。两根传动轴的材料选用硬铝，采用阶梯轴的方式对轴上零件进行轴向定位，另外利用轴套对齿轮，绕绳轮，曲柄盘和后轮进行径向定位。两根传动轴的中心距 a 的计算 42)169(75.02)(1 zm小车轴上零件的布置如图 2-3 所示。2.3 导向机构的设计导向机构的选择是无碳小车设计的关键部分，这直接决定着无碳小车的使用功能。导向机构的结构也同样需要尽可能的减少摩擦和耗能，机构结构必须要简单，零部件已获得等基本条件，另外还需要有特殊的运动特性。该机构的功能要求能够将旋转运动转化为满足校车转向基本要求的来回摆动，带动前轮轮来回转动以实现拐弯避过障碍物的功能。根据题意，小车在前行时要求能够自动避开赛道上每间隔 1 米，放置的一个直径 20mm、高 200mm 的弹性障碍圆棒，说明小车行驶的路线是周期性变化的。根据机械设计所学知识，只要能实现周期性运动的机构均可实现这个动作，所以平面四连杆机构、曲柄摇杆机构、涡轮蜗杆机构、圆柱凸轮、端面凸轮等均可。但是考虑到各种机构的优点和缺点，以及加工的工艺，难易程度和制造成本，我们必须对小车的导向机构进行正确的选择。选择要求是稳定性好，导向精度高加工方便等。于是我们对主要的导向机构做了如表 2.1 分析。（1）凸轮机构，凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮运动时，可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。优点：该机构只需设计适当的凸轮轮廓，便可让从动件得到任意的预期运动，而且考虑到运动的对称性，我们将可以将凸轮设计成外凸轮，他的形状应该为一个椭圆，这样加工可以比较简单。而且可以省去了中间环节，另外还可以简化机构，提高传递效率。在条件允许下，可以采用此结构。缺点：凸轮轮廓的加工要求的精度相当高，一旦磨损变形，则不能达到预期运动轨迹，另外由于凸轮机构无法微调，磨损后直接报废，间这样就接提高了校车的成本。因此建议如果没有更适合机构，可选择此机构。（2）曲柄连杆摇杆机构优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等辅助力封闭来保持接触。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计11缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低；不仅发生自锁的可能性大，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性爷比较大；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。小车在前行时要求能够自动避开赛道上间隔 1 米，放置的一个直径 20mm、高200mm 的弹性障碍圆棒，小车行驶的路线是周期性变化的，根据机械设计基础所述，只要能实现周期性运动的机构均可实现这个动作。我们最初选用的是双凸轮机构，凸轮机构的从动件分别连接在前轮轴上的左右侧，两个凸轮安装在后轮轴上，起始角度相差 180，以此达到前轮转向的目的。但是凸轮形状不易确定，需在实际运动中进行校正，工作量太大；高副接触，摩擦力大，使小车转向不稳定，不容易控制；同时高副接触也使凸轮容易磨损，稳定性不高。另外还考虑了使用圆柱凸轮的方案，但因其车身宽度、传动比的限制，使其转向摆角不大，且成型后不易再改进等原因未被采纳。最终，我们选择了曲柄连杆摇杆机构，摇杆以前叉中心为摆动中心，连杆一端与曲柄连接，另一端在固定于车架上的关节球轴承，并推动摇杆摆动，带动前轮转向。在设计时主要通过减少曲柄长度，增大连杆长度，来使摇杆摆动加速、减速对称，从而使小车走光滑对称的“S”型路线。为了调试时便于调整，曲柄摇杆机构的曲柄、连杆长度都可以调整。以调整小车行驶时轨迹振幅的大小。两后轮在小车避障转弯处行驶路径不等，依据三轮车的驱动原理，我们选择采用单边驱动的方式使小车实现转向。根据表 2.1 所示的各种导向机构的有点和缺点，并结合学校的实际情况，我们选择曲柄连杆摇杆机构作为无碳越障小车的导向机构。尽管安装苦难，但是通过长时间的调试，我们依然能够很准确的找到使小车绕过不同间距障碍物的连杆长度。而且由于曲柄连杆摇杆机构的曲柄调节特别方便，所以实际花去的总时间也和其他导向机构相差不大。对于曲柄摇杆机构，在设计时为了便于调试，曲柄、连杆长度均可以调整。而且在设计时，为了减少急回特性的影响，我们采取了增大摇杆长度，减小曲柄长度。由于该机构为空间机构，我们把机构通过球面副连接。根据市面上现有的标准球面副，为了保证小车的质量轻便，在零件的选择上就要首选质量轻，体积小的零件。通过对一些五金店的产品进行比较，我们选择和杆端关节轴承 SA3T/K POSA3T/K球头直径 3mm 外螺纹正牙作为连接连杆，曲柄和摇杆三者的运动副。两种关节轴承的球孔均为 3mm。连杆应具备使关节轴承在轴上固定并可调节位置的功能。因此连杆使用 3mm 的自行车条幅，两端用板牙车丝。如图 2-1 所示为无碳小车的导向机构的三维模型。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计12图 2-1 小车导向机构三维模型2.4 行走机构的设计2.4.1 行走机构方案的选择由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。（1）双轮同步驱动虽然行走比较稳定，但在转弯时，外轮会与地面产生滑动，我们都知道滑动摩擦远比滚动摩擦更加损耗能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍，故不选择此驱动。（2）双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。（3）单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。就如一辆儿童自行车外加两个车轮，既保证了前进，我保证了初学者能在一个比较稳定的环境下骑车。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。小车的前进方式有单轮驱动和双轮驱动两种。由于小车的轨迹为正弦曲线，所以两后轮一个周期行驶的距离不等，所以需要采用单轮驱动。最先考虑采用在后轮轴上安装差速器，两轮交替单独驱动，在原理上不存在问题，但差速器加工困难，网上可以买差速器，但必须设计与后轮连接的部分，增加了制造零件的个数、这部分的制造精度要求也较高，增加了整个小车的成本。而且实际运行时转向机构出现了精度过高不宜调整的问题，不满足单件生产的精确性和大批量生产的流水作业；调整为一根后轮轴装两个后轮，采用单边为主动轮驱动，前轮受转向机构控制而转向，在未排除其他机构的机械调试影响之前行驶路线稍显不稳定，反复的试验后证明该方法简单有效。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计132.4.2 后轮尺寸的计算由 1.3 可知，无碳越障小车的前进路线近似于余弦函数式 2-1xAycos我们以障碍物间距为 1mm 为基准，A=0.3 时函数关系为式 2-23.0对函数求导式 2-3xdxysin.对这个函数进行曲线积分式 2-4 8.2si3.011220 S由式 3-4 可知小车每个周期前进的距离 S=2.8m，由 1.3 可知小车的传动比为1:6。可以计算小车后轮直径 d式 2-58.26di解之得 d=148mm。小车行驶一个周期时后轮转动的圈数为 6，而前轮转向机构往复一次。为了使小车前行距离远，理论上后轮的直径越大越好，但后轮太大，启动时所需力矩较大且消耗的能量也大。假定小车行驶曲线顶峰离障碍物的安全距离为 300mm，障碍物间距 1000mm,推算出一个周期内小车的运动轨迹长 s=2827mm。在前进过程中，一个周期小车的导向机构往复一次，根据计算，取传动比为 i=6:1，可由公式（d=s/i）计算，后轮直径取 d=150mm。2.5 微调机构的选择由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等） ，使小车走一条最优的轨迹。另外根据题目的要求，无碳小车需要绕过不同距离的障碍物。这就需要我们通过改变曲柄的长度来改变小车的路线。常用的曲柄长度调节装置有：曲柄，曲柄盘，微调螺母等。结合现有的加工设备，加工工艺和加工成本，所以选择曲柄盘作为微调机构。为了实现精确转向和避障，如图所示，转向机构的曲柄半径和连杆长度可微调，曲柄采用带有若干不同距离小孔的圆盘，每个小孔在径向方向相差 0.22mm，如图可根据小车不同绕行间距选择相应孔位与连杆相连接，在连杆上标有刻度，通过螺纹微调精确调整其长度，让小车转向幅度均匀，绕行路线稳定。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计14图 2-2 曲柄盘2.6 无碳越障小车的总体设计图 2-3 小车结构简图小车的前后轴支架、重物支架、传动齿轮和转向机构等其他安装材料都在车身上方，方便操作，同时降低了车身的高度，减小了小车翻转的可能，有利于小车行攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计15驶的稳定性。小车底盘整体要低于轮轴，离地面只有 10mm，需要充分降低重心，否则容易在行进过程后半段车速较高时可能翻车，且负重后对小车的转向灵敏度也有一定的影响，最大限度的避免了翻车的危险。整个车身设计则较窄，转向灵活，质量轻，载荷分布均匀，传动机构放置在后轮轴处，以免车身受集中载荷而导致车身变形。重物由 3 根直径为 6mm 的碳钢丝杆包围，让重物稳定的下落，避免了小车在前进过程中产生晃动从而使小车重心不稳而导致翻车。小车采用后轮轴驱动与曲柄摇杆机构控制前轮转向同时发生的机理，实现转向与直线前进的良好配合。无碳小车前窄后宽，大致呈三角形，小车的车身不能太宽，后轮轴的直径不能太大，否则转向不灵活，累积周期性转向的位移差，对小车起动的横向偏移位置影响很大。在后轮轴前方，固定了两个平行四边形的 PVC 板（用来横置齿轮轴） ，整个车身形状似鱼，且结构简单、轻巧灵活。其结构原理图如图 2-3所示。2.7 无碳越障小车部分零件设计小车零件总体来说结构要简单易于加工。零件我们基本用铝件，这样不仅质量较轻，而且硬度高，刚性好。前后轮材料为有机玻璃。小车各零件的设计，涉及到结构、形状大小与相对位置尺寸，要求结构简单紧凑，加工难度适中，易于装拆，材料购买方便，成本较低。相关零件的设计如下： （1）本组小车车身、支架上端的定滑轮、承重支座均采用铝板，材料轻便、强度足够，车身的形状大小不规则，采用整体降低重心、前轮相对地面位置抬高的方法，合理分配重心，避免小车前进过程中由于摩擦力过大、转向打滑、加速度过快等原因造成的翻车；（2）支架采用 M5 的碳钢丝杆，上端是固定定滑轮的铝架，定滑轮为铝制品。（3）前后轮由有机玻璃制成，其拉伸强度、耐磨性和抗蠕变性都强于一般的材料，摩擦系数较小利于小车实现转向。两后轮间距较小；前轮采用 2 的轴和轴承相配合。在调试过程中发现，为使小车的转向更灵敏，需要将轮侧磨出 45 度的倒角；（4）在选择齿轮材料时，主要是考虑齿轮机构所承受的冲击载荷和磨损等问题。采用的硬铝；（5）转向机构中，使用了一根材料轻便的 3 铝棒，其前端为一球形铰。（6）小车前轮与轴为了减少摩擦，相互之间安装轴承，前轮与轴的配合为过盈配合，后轮与轴采用过盈配合。（7）小车的车轮采用轴套与轴连接，增大了车轮与轴的接触面积，见笑了车轮的晃动。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计162.7.1 无碳越障小车的底板设计小车所有零部件均以底盘为基础进行装配，主要采用螺钉或螺栓连接，方便拆卸和调整，部分零件为了便于定位，采用了螺钉锁紧的方法。为了降低摩擦提高旋转精度，小车前叉、驱动轴、后轴以及滑轮上均装有轴承，轴承与支撑零件均采用过盈配合。小车的底板设计成流线型，流线美观外形，有侧翼，可以包络前轮和后轮，避免小车撞杆时被卡住。小车的底板由 7.6mm 有机玻璃制成，底板上面有部分镂空，可以减轻小车质量。图 2-4 小车底板模型2.7.2 无碳越障小车支架的设计小车的支架包括前轮支架和后轮支架，我们都采用有机玻璃制造，支架与底板的连接采用螺钉连接，方便拆卸。由于右边的轴承在同一条直线上，所以我们设计两种支架。支架的结构设计成如图 2-5 所示的形状，凸出的部分可以增加支架与底板的接粗面积以增加支架的稳定性。支架的孔与轴承的配合采用基轴制过盈配合。图 2-5 两种形状的支架右边的支架将钱轴和后轴的轴承固定在一条直线上，装配时以右边的叉架为基准装配，设计的时候也以右边的叉架为基准，这样可以减少装配过程中前轴后轴上攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计17各个零件之间的轴向误差。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录183 无碳越障小车的制作3.1 三维模型的建立与运动仿真图 3-2 小车三维模型展示三维建模就是通过使用具有三维建模功能的软件，对已经设计好尺寸的零件进行虚拟模型的制作以及对机器各个零部件之间进行装配。通过三维建模可以使我们直观的了解零件的外形以及机器内部零件与零件之间的关系。建立三维模型可以让我们更直观的看到小车的实际结构，以及各个零件之间的装配关系和各个零件之间的装配关系，另外能够让我们检查零件分布是否合理和小车整体布局是够合理，让我们在制作小车的过程中有一个参照。接下来我们通过使用 proe 建立小车的三维模型，确定了装配关系，并生成零件图，为我们接下来制作无碳越障小车做好了准备。使用 pro/E 对小车进行三维建模，类似于对无碳小车的虚拟加工，这就要求我们要充分考虑无碳小车零件的结构是否合理，零件加工的难易程度。另外还要考虑所涉设计的结构是否利于装配，零件与零件之间是否有干涉，零件之间的位置尺寸是否合理。这样的可以减段设计的周期，如果有不合理的地方，方便我们对方案的更改。有利于设计出结构更加合理的小车。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录19图 3-1 小车三维模型展示小车的运动仿真可以验证我们对小车结构的设计以及各个部分机构的选择是否正确。小车的通过第二章对小车的整体以及各个部分的设计，我们已经有了无碳小车的各个部分的参数。并进行了了运动仿真，对我们的设计进行了验证。结果是我们的机构选用以及对小车的机构设计是可行合理的。 。通过以上设计，我们成功地建立的小车的三维模型，并进行了结构合理性的修改，同时进行了运动仿真。录制了运动仿真的视频，以帮助了解小车的运动方式和运动规律。三维建模既可以增加我们对软件使用的熟练程度，又可以让我们学习到更多的深层次的功能。小车的三维模型如图 3-1，3-2 所示。3.2 部分零件的工艺大部分零件都是由我们自己加工，共使用了数铣、激光雕刻、线切割、数车、普车、钳工 7 大工种，其中，数控车床、数控铣床、普通车床加工（后轮轴、齿轮轴、前叉、齿轮套筒、后轮套筒、绕线筒） ，线切割加工（大齿轮、小齿轮） ，激光雕刻加工（底板、前后支座等各类有机玻璃零件） ，钳工车间装配（钻孔、攻丝、组攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录20装） 。3.2.1 前轮叉架的工艺图 3-3 前轮叉架零件图前轮叉架是与转向龙头，连杆，曲柄盘一起构成周期转向机构。要求有：（1）必须具有对称性在装上前轮后要求轮子不会歪，且恰好处于前叉叉架的中心位置因此对前叉用了两个对称度进行约束。（2）前叉上装配有轴承，与轴承约束的圆柱面，采用基孔制的过度配合，轴的精度为 IT6。（3）5 的轴端与转向横梁配合，一般钻孔时孔都会比钻头大一些，所以这里采用基轴制精度为 IT7。(4)为保证便于拆装，槽口处粗糙不宜太大，所以 Ra=0.8。根据前叉的结构特点和技术要求，多数表面的加工都选择外圆和端面作为定位基准。这样选择的优点是基准统一，而且大多数表面的定位基准与设计基准重合，可以避免基准不重合误差，有利于保证加工精度。前轮叉架的作用是支撑龙头导向和固定前轮。左边的阶梯轴可以分别对龙头、前轮支撑架进行轴向定位，同轴度要求高。右边的叉架用于对前轮的固定，对称度要求高。对其工艺编排如下：攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录21（1）夹外圆，车端面，车外圆 25,长度为 80mm。（2）车外圆 8，长 39；车外圆 5 长 30；然后车外圆 4 长 17。（3）切断反向装夹修另一端面，使工件长 79。（4）夹持外圆 8，铣矩形面外形尺寸 2015 到位，铣槽 10 深 32 尺寸到位。（5）取下用虎钳装夹已加工平面，铣槽宽 4 深 9.5（到底）底为半径为 2 的半圆尺寸到位。3.2.2 前轮的工艺本无碳小车要求转向灵活、平稳。因此，该前轮的主要技术要求有：（1）加工精度： 5 采用 4.9 的钻头进行加工，该尺寸与轴承配合。（2）位置精度： 35 的轴心线与 5 的同轴度要求为 0.10mm。图 3-4 前轮零件图根据无碳小车前轮的工艺分析对前轮的工艺做如下编排：（1）平端面，车外圆 35，倒角。（2）打中心孔，钻 5 孔，倒角。（3）切断，长度尺寸为 5 mm。（4）倒角，去毛刺，终检。3.2 无碳越障小车的装配与调试小车所有零部件均以底盘为基础进行装配，主要采用螺钉或螺栓连接，方便拆卸和调整，部分零件为了便于定位，采用了螺钉锁紧的方法。为了降低摩擦提高旋转精度，小车前叉、驱动轴、后轴以及滑轮上均装有轴承，轴承与支撑零件均采用紧配合。小车的装配是在老师的指导下由我们自己装配的。小车装配好后，需要一定的磨合时期，并且要不断探索初始位置与轨迹路线的规律。小车对跑道要求比较高，必须是木质地板，因为木地板的摩擦因数较小。还有木地板安装时一定要保证水平，因为小车能量较小，而且会影响前进轨迹。小车要跑出一条固定的 S 形轨迹最重要的是需要一个固定而且准确的起始位置。（1）小车在调试过程中遇到了一下问题，主要是： 无碳越障小车受环境的影响较大，比如地板摩擦力大小、地板的水平度。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录22无碳越障小车的能量利用率低。 2小车的调试的重复性不高，调试时就算是在小车的各种参数都一定的情况下， 3在同一地点，同一角度出发，小车跑出的结果有时会有较大差异。 装配精度不能够很好控制，由于小车对精度的要求较高，在现有设备及装配 4条件下，我们并不能很好的达到装配需要的要求。特别是在连杆长度的调节时，误差较大，而且不能很好的做到定量调节。 小车的后轮与底板之间有较大距离，如果碰到障碍物后，障碍物有时会卡在 5后轮与底板之间，影响小车的前进。（2） 经过不断的探索，找到了优化改进的方法：通过大量重复性实验和调试，积累经验，寻找规律。 1适当改变绕线筒的尺寸，以适应各种不同摩擦的地板，使小车能稳定的行驶 2更远距离。造成小车稳定性不高的主要原因有零件之间连接不够牢固，螺距及齿轮间隙 3过大以及轴承自身内圈与外圈的松动。针对这些原因，检查各零件间的连接是否需要粘接加固，选用适当螺距的螺钉及板牙，提高齿轮的加工精度，选用高质量的轴承以提高稳定性。 零件加工方面，在现有设备的条件下，改善加工工艺，有利于提高加工精度； 4零件装配方面，请有经验的钳工老师负责组装，以提高装配精度及稳定性。 改变小车底板形状，将后轮包覆在底板的轮廓内。 5适当加润滑油及石油醚，减小因小车自身摩擦而消耗的能量。 6适当减小部分零件尺寸，让小车在不影响性能的情况下拥有最轻质量，以便 7获得更多动能。通过讨论研究决定将后轮直径减小，从而减小小车行驶振幅和力矩，让小车 8便于启动和行驶更远距离。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录234 题目的成果及意义4.1 课题的完成情况 主要设计研究内容有：设计能量转换装置。 1a.给定一个重块，提供重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。能量转换方案：直接采用重力势能转换成机械能驱动小车。 设计转向机构在小车获得能量以后，设计转向机构，实现规定路径的转向。转向机构方案：平面连杆机构。 设计前后轮传动比和传动装置传动机构方案:齿轮传动 （传动比： 1:6） 。 间距调整机构：采用调整曲柄长度和连杆长度来实现满足不同间距障碍的要求。 小车总体结构设计（包括车身大小、重物下落、传动装置和转向装置位置的确定） 小车制作（包括材料的选择、加工方案的确定、装配和调试）4.2 课题的创新（1）用曲柄摇杆机构可实现 900-1100mm 间距的连续调节。（2）零部件之间均采用螺栓连接，便于拆卸。（3）轮传动，并在齿轮上做好标记，解决拆卸后轨迹重复性不好的问题。（4 绕线轮采用两段不同大小的直径，以便适应不同的地板，而且充分利用能量。（5）构更简单，性能更稳定（6）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，（7）小车的底盘较低，重心更低，运动更平稳。4.3 作品的改进方向由于设计时考虑的问题不周全以及一些客观因素的限制，该无碳越障小车在设计制作过程中肯定会存在许多不足的地方，以下是在调试过程中发现的部分问题及其改进的方向和方法。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录24小车最大的缺点是多处都有摩擦，减小了传动效率，同时多处的精度要求都非常高，改进小车的多处摩擦，改进精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。本组小车采用螺栓连接各处，虽然少了许多的故障出现，但有过多的能量损耗，导致前进距离减小。于是想法改进，使小车能量损失减少，同时故障出现的次数减少，稳定性能较好，避障多，前进远。由于重物支撑杆没有在小车中轴线上，可能导致小车在左右运动时，重心的偏置产生较大的惯性矩，从而需要车轮产生更大的摩擦力矩来平衡。重心调制也很必要。根据实际需要，可以通过添加附带重物，使小车的重心达到调节。另外，由于重物块在下落时，由于左右摇晃会加剧小车不稳定性，故需添加辅助结构，使物块能在竖直线上运动。可以用细线或铁丝在重物支撑杆顶端和底盘之间，套出一个固定竖直轨道，是物块竖直下落，而且不能过大地左右摇晃。4.4 课题的意义本次毕业设计所设计的小车在第一代无碳小车的基础上进行了改进，吸收了工程综合能力训练竞赛时部分其他学校的小车的一些特点制作的。通过这次无碳越障小车的设计和制作，我可以将我在比赛中学到东西通过实物展示出来，可以给以后参加比赛的同学作个参照，让他们少走弯路。真正地体现了我们参加比赛的意义。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录254.5 成果展示图 4.1 无碳越障小车实物照片