益智循迹机械小车说明书.doc

2012国家级大学生创新创业计划益智循迹机械小车设计说明书 设计： 指导老师： 二一三 年 六 月摘要本设计以机械能为动力源，设计开发一种可以按一定轨迹行进的机械小车，通过机械装置的调整与操作可直观的展示机械能量转化、能量守恒、机械传动原理的奥秘，开发智力，培养其对机械设计的兴趣。根据益智循迹机械小车基本功能，将其分为能量转换机构、传动机构、转向机构、微调机构四个模块进行设计开发。能量转换机构采用了发条、绕线轮的结构组成，将弹簧的弹性势能转化为动能驱动小车运动；传动机构采用了直齿圆柱齿轮传动，并基于齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度对齿轮的有关参数设计，同时为了降低成本，在设计的过程中，利用UG软件对齿轮进行了运动仿真；转向机构是小车设计的核心，采用齿轮+凸轮的传动方案控制小车转向，完成避障行走；微调机构采用螺母、丝杠的微调方案弥补零件加工、装配的误差，从而使益智循迹机械小车达到按照预定的轨迹避障行走、找到最佳起跑点的目的使用者通过观察样机的工作原理，并亲手调试，改变小车的可调变量，观察其行走规律，从而以游戏的形式锻炼了操作者的动手能力，使人们获得身心健康，增强自身的逻辑分析能力，和思维敏捷性。而且娱乐性也十分强。 关键字：益智 微调机构 转向机构 传动机构Abstract The design of the mechanical energy as a power source, mechanical design and development of a car can travel in a certain path, through the adjustment and operation of mechanical device can directly display the mechanical energy conversion, energy conservation, mechanical transmission principle of mystery, intellectual development, cultivate interest on its mechanical design. According to the basic function of educational tracking machinery trolley, which is divided into the energy conversion mechanism, transmission mechanism, turn to the four module mechanism, adjustment mechanism for design and development. The energy conversion mechanism adopts winding, the winding wheel structure, the elastic potential energy of the spring is converted to kinetic energy driving car movement; the drive mechanism adopts gear transmission, and based on the tooth surface contact fatigue strength, the parameter design of tooth root bending fatigue strength of gear, at the same time in order to reduce the cost, in the process of the design, to gear are simulated by using UG software; the steering mechanism is the core of car design, the transmission gear and cam control car steering, complete avoidance walking; adjustment mechanism by trimming nut, screw up program error parts processing, assembly, so that the puzzle tracking machinery trolley achieve according to a predetermined trajectory obstacle avoidance walking, find the best starting point for the purpose of The user through the working principle of the prototype, and personally debugging, change car adjustable variables, observe its walking rules, so as to the game in the form of exercise the ability, causes the people to obtain the physical and mental health, enhance their ability of logical analysis, and thinking agility. And the entertainment is also very strong. Keywords: Alpinia oxyphylla Fine tuning mechanism steering gear transimission gear 目录第一章 绪论11.1 “S”型路线益智循迹机械小车设计的目的及意义11.2 益智循迹机械小车的设计思路1第二章 益智循迹机械小车的方案设计阶段22.1总体方案分析22.2车架设计理念32.3动力部分42.4机械传动机构42.5转向机构的方案分析42.6差速机构的设计52.7 微调机构5第三章 益智循迹机械小车的技术设计73.1 能量耗散分析模型73.2 小车驱动及转向原理分析83.3 计算小车的传动比93.4 小车行走路程估算113.5 齿轮的设计与强度校核113.5.1第一对齿轮的分析设计113.5.2第二对齿轮的分析设计173.6 凸轮的设计计算173.7 轴的强度校核243.7.1 驱动轴的强度校核243.7.2 后轮轴的强度校核28第四章 益智循迹机械小车主要零件的加工344.1 小车的底板设计及加工344.2 车轮的设计与加工394.3 轴承支座的设计加工444.4 齿轮的加工45第五章 益智循迹机械小车的整体设计485.1 小车样机展示485.2 小车制作调试及改进485.3 分析讨论小车如何实现变桩距的避障行走505.4 小车优缺点50致谢词51参考文献：52第一章 绪论1.1 “S”型路线益智循迹机械小车设计的目的及意义本设计以机械能为动力源，设计开发一种可以按一定轨迹行进的机械小车，通过机械装置的调整与操作可直观的展示机械能量转化、能量守恒、机械传动原理的奥秘，开发智力，培养其对机械设计的兴趣。使用者通过观察样机的工作原理，并亲手调试，改变小车的可调变量，观察其行走规律，从而以游戏的形式锻炼了操作者的动手能力，使人们获得身心健康，增强自身的逻辑分析能力，和思维敏捷性。而且娱乐性也十分强。1.2 益智循迹机械小车的设计思路根据益智小车的要求，小车的基本结构为：三轮结构（后轮驱动，前轮导向），平板底盘（主体架构），发条通过拉线带动传动轴，传动轴通过传动机构带动后轮转动，并通过一定的机构带动前轮转动，通过导向机构实现前轮转向，并考虑一个微调结构，进行运动轨迹的调整。本设计坚持了“整车重心低；结构简单；传动件数少；质量小；足够的刚度；振动小；操作、调整方便灵活”的原则。在设计方法上借鉴了优化设计 、系统设计等现代设计理论方法。采用MATLAB、UG等软件辅助设计。通过直观的模型对小车进行仔细深入的结构分析，得到可行的方案。小车的设计过程采用的基本步骤如下图1.1。图1.1 益智循迹机械小车设计基本步骤第二章 益智循迹机械小车的方案设计阶段 2.1总体方案分析 对命题进行分析，小车需要完成发条的弹性势能转换成动能、驱动小车行走、转向机构控制小车转向，在行走的过程中自行避开障碍物，实现越障功能。为达到调试方便的目的、以尽可能少的投入生产出和理论设计尽可能相符合的产品，将小车划分为六个部分进行模块化设计（车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构）。图2.1 益智循迹机械小车的设计方案根据提出的方案，在满足性能要求的同时，也要考虑加工、制造成本等各方面因素，权衡利弊。首先小车要保证设计的结构能完成避障行走的性能，行走轨迹差之毫厘谬以千里，所以对方案的要选择可调的方案，便于对轨迹进行修正。为了是小车在有限的重力势能的作用下行走最远，这就要求小车要具有很小的质量。为此，选用较轻的材料作为小车的主题材料。图2.2 提高益智循迹机械小车的运动性能示意图图2.3 提高益智循迹机械小车的工艺性能示意图2.2车架设计理念由于车子整体较轻，所以车架受力不大，为尽量减轻小车重量，采用铝合金板材加工。车架是益智循迹机械小车其他零件的定位基准，车架精度的高低直接决定小车性能的好坏。采用铝合金板材便于机械加工（本设计的底板采用线切割加工）、重量轻。在保证其加工精度的同时也减轻了其重量。2.3动力部分为了将发条的弹性势能转化为小车的驱动力需要能量转换机构。本设计的方案是用绳子和线轮来完成该功能。能量转换机构需要满足一下基本要求：1） 驱动力的大小要合适，不能太大。行走速度不能很高，防止小车转弯时速度过高倾翻；防止小车在换向的过程中行走路线偏离预定轨迹，导致其绕桩失败。 2）不同的跑道对轮子的摩擦不一样，要求车子具有很强的适应场地的能力，所以要能根据场地来及时调整其驱动力的大小。2.4机械传动机构益智循迹机械小车机械传动机构要能将发条提供的弹性势能加以改变，把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。为了使小车行驶的更远及按预定的轨道精确地进行避障行走，传动机构必需具备传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等特点。本设计的传动方案是：通过定线轮，直接把拉发条的线绳拉在动力输入轴上；动力输入轴和行走机构之间采用齿轮传动；转向机构采用齿轮+凸轮控制转向。2.5转向机构的方案分析转向模块的设计是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。为了减少能量损失，转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，在完成功能的同时，结构尽量简单。图2.4 小车行走轨迹示意图面对小车如何实现S轨迹目标，转向部分在于采用什么机构让小车按一定的周律变向转身，此处我们在设计中最大的争议在于采用连杆还是凸轮，在我们工作调研分析、仿真之后，最终考虑制作难度、小车本身状况、材料、制作能力与工艺等多方面因素考虑，决定采用齿轮+凸轮机构。我们将与凸轮同轴的齿轮与主动轴上的齿轮啮合，通过主动轴的转动，从而带动凸轮的转动，推动前轮往复摆动，从而实现周律变向转身。2.6差速机构的设计 汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。差速机构的重要性及工作原理如下图所示。图2.6差速器作用示意图本设计采用超越离合器进行差速，在益智循迹机械小车的运动过程中两个后轮交替为主动轮、从动轮。假设此时小车是向右转的过程中，由于右轮和轴之间有超越离合器，可以给小车提供向前的力，是主动轮。此时左轮是从动轮。那么在转向力的作用下小车也不会向后行走一段距离，所以可以按预定的轨迹运行。下半个周期小车将向左转向，同样左轮和后轮轴之间也装有超越离合器，在次情况下可以给小车提供向前的力，是主动轮，右轮是从动轮。在惯性力的作用下，也不会向前滑行一段距离，所以可以按预定的轨迹运行，该方案可行。综合上面分析我们选择在两个后轮和轴之间安装超越离合器进行差速，保证小车按照预定的轨迹运动。2.7 微调机构 一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于在制作、装配过程中不可避免的存在加工误差和装配误差，装配后的成车是不可能直接就能按规定的轨迹和路线行进的，必须予以调试。微调机构的作用就在此，通过微调机构，实现对误差的修正，进而实现小车行进轨迹（幅值，周期，方向等）的调整，使小车走一条最优的轨迹。同时根据毕业设计命题的要求，桩距届时将是变化的，微调机构更显重要。微调机构需要具有调节可靠稳定、调节量可控的要求，本设计的方案是：设计一个调节结构，运用一个调节螺母，调节由于加工误差造成的运动部件间的间隙，以及小车行走轨迹的偏差。微调机构可以采用如下的方案（如下图） 图2.7微调 由于加工和装配误差的存在，不能保证前轮轴和凸轮轴的中心距离等于凸轮基圆半径。因此，在回转的过程中前轮将产生不对称的左右摆动，这种现象将使小车的S型轨迹的中心线不是一条直线。最终导致小车不能绕过等距直线摆放的障碍物。为了改变这种现象，本设计采用的方法是，在装配凸轮轴及前轮轴的过程中，有目的的使两个轴之间的距离略小于凸轮基圆的半径。这样便于接下来的修正偏差。在前轮轴和凸轮轴之间的距离稍微小于基圆半径的情况下，可以通过调节微调螺母来带动转向块向上或向下运动，这样凸轮推杆和凸轮之间的接触点就发生了变化，显然其距离是变大的，通过微调螺母可以精确的找到其合适的位置。实现对加工、装配误差的修正。第三章 益智循迹机械小车的技术设计3.1 能量耗散分析模型为了对小车进行模块化设计，首先分析能量损耗在何处，很直观的会想到小车内部的能量损耗（比如轴承间的滚动摩擦损耗、转向机构和凸轮之间的滑动摩擦损耗等）。还有一部分能量损耗在和地面之间的滚动摩擦，摩擦力的大小与哪些因素有关，要解决这些问题，就要找到关键因素。为了更直观、准确的解决这些问题，需要借助数学工具。通过建立数学模型，得到合理的方案。现在先不考虑小车内部的能耗原因。设小车内部的能耗系数为，即小车能量的传递效率为。设小车轮与地面的摩阻系数为，假如小车的驱动力能使小车在硬质地面上行走。小车的能量耗散可以用下面的表达式表示。 （3-1）式中： 为小车总质量 为第i个轮子对地面的压力。 为第i个轮子的半径。 为第i个轮子行走的距离为了更全面的分析各因素对小车行走路程的影响，分别对下面四个方面进行讨论。1）轮子与地面的滚动摩阻系数2）轮子的半径3）小车的重量4）小车能量转换效率（1）轮子与地面的滚动摩阻系数对小车行走路程的影响通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。通过对数学表达式的分析可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。（2）轮子的半径对小车行走路程的影响对数学表达式的分析可见，小车轮子的半径越大其行走的距离也就越大。所以在不影响装配等条件的情况下，尽量采用大的车轮半径。（3）小车的重量对小车行走路程的影响小车越轻其能量利用的效率就越高，主要原因是重量轻减少了小车克服不必要的额外重量做功。因此尽量减少小车的重量。（4）小车能量转换效率对小车行走路程的影响可以看到小车能量利用的效率越高，小车行走的距离越远。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。3.2 小车驱动及转向原理分析小车结构越紧凑，其转向性能越好。整体重量越轻，在行走的过程中阻力就越小，行走的路程就越远。设计理念是让小车结构尽量简洁、加工方便、结构紧凑。益智循迹机械小车驱动及转向原理图如下：i1i2图3.1 益智循迹机械小车驱动及转向原理图（1）对各序号说明1是与凸轮同轴的齿轮，作用是驱动凸轮轴，并带动凸轮做周期回转运动。2是凸轮轴3是凸轮，作用是控制转向。4转向轴的摆杆，在凸轮的作用下，做周期性的前后往复摆动带动前轮左右摆 动，控制小车 做周期性的转身，避障行走。5是主动轴6是主动齿轮7是后轮轴8后轮轴上的齿轮（2）驱动原理说明小车在工作的时候，先把线绳绕在5（主动轴）上，发条通过线轮轮拉线绳带动主动轴转动，通过6（主动齿轮）把旋转运动传递到8（后轮轴上的齿轮）带动后轮轴旋转，从而带动后轮转动，完成向前行走的动作。与此同时，6（主动齿轮）把旋转运动传递到1（凸轮轴上的齿轮）带动2（前轮轴）转动，从而带动3（凸轮）做周期性的旋转。3（凸轮）推动4（转向轴的摆杆）做周期性的前后往复摆动带动前轮左右摆动，控制小车做周期性的转身，避障行走。此方案的优点在于：能够极大的简化机构，使得传动效率较高，运动传递的可靠性及稳定性较好。3.3 计算小车的传动比小车的行走轨迹如下图3.2所示，小车中心与障碍物中心的中心距设计值为225mm。则该行走轨迹的函数表达式为在一个周期内，益智循迹机械小车各机构所要完成的任务是：凸轮旋转一周、小车要行走一个周期的距离、避开两个障碍物。为了让小车内部的传动机构协调工作，就要求得到精确地数据。下面对小车进行设计计算：1）益智循迹机械小车行走一个周期的路程计算 根据轨迹表达式，借助matlab求该函数在一个周期内的弧长，求得弧长为LS =2230.274mm。2）对后轮半径进行计算 小车的行走阻力不仅和地面有关，而且也和轮子的材料、大小等因素有关。有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 对于相同的材料为一定值。而滚动摩擦阻力 所以轮子越大小车受到的阻力越小，在行走的过程中能量损失越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。 由于小车是在行走的过程中自动完成避障行走的，这就要求其转向机构和行走机构之间存在着精确的传动比。换句话说就是，后轮行走多少圈完成一个周期的轨迹，转向机构完成一次转向。为此必须选择合适的传动比，下面根据一个周期轨迹长度对小车后轮半径进行试计算。 假设后轮转一周，走一个周期，前轮完成一次转向，则后轮半径为355mm 假设后轮转一周，走两个周期，前轮完成一次转向，则后轮半径为177.569mm 假设后轮转一周，走一个周期，前轮完成一次转向，则后轮半径为118.38mm 假设后轮转一周，走一个周期，前轮完成一次转向，则后轮半径为88.78mm 虽然R越大，其滚动阻力系数越小。但是半径过大不仅增加了小车的重量，而且也增加了车子的结构尺寸，使小车在行走的过程中，行走笨拙，避障性能不好。鉴于以上因素，选择半径R=88.78mm进行小车的设计计算。这要求后轮转动4周，转向机构完成一次周期性的摆动，小车实现一次转身。这就确定小车后轮和转向机构之间的传动比为i2=4 主动轴与后轮轴的传动比选择论证，由于小车在行走的过程中受力不大，同时为了保证较高的效率（多级传动不易保证装配精度，降低传动效率），采用一级直齿圆柱齿轮进行传动。传动比选择i1=6进行试计算。3.4 小车行走路程估算设小车内部的能耗系数为，即小车能量的传递效率为。设小车轮与地面的摩阻系数为，假如小车的驱动力能使小车在硬质地面上行走。根据公式（31）有前面章节的讨论知道R=88.7mm初步估算小车的质量m=2kg小车内部传动效率假设为1根据毕业设计的命题，便于设计，假设小车在两种不同的地面上进行调试，一种是光滑的石板地面，一种是粗糙的水泥地面。情况一：在石板地面上行走，通过查阅资料知道铝合金和石板之间的滚动摩擦阻力系数为0.25。通过能量耗散公式初步估计小车的行走路程S = 70 m情况二：在粗糙水泥地面上行走，在网上查得，小车在粗糙水泥地面上行走时和地面之间的滚动摩擦阻力系数为11.5，取=1.2。通过能量耗散公式初步估计小车的行走路程S = 14.6 m依据此数据进行相关的设计计算。3.5 齿轮的设计与强度校核 3.5.1第一对齿轮的分析设计益智循迹机械小车的驱动及转向原理图如图3.1，已知条件：6，后轮旋转四周，转向机构完成一个周期性的摆动，小车实现一次转身。驱动力为发条通过拉线绕在主动轴的线轮上带动主动轴旋转，通过齿轮的啮合带动7（后轮轴）及2（前轮轴）旋转，从而带动行走机构与转向机构的协调动作实现避障行走。设计要求：按照小车每天工作4h，每年工作300天，工作寿命为15年。根据以上要求对齿轮进行相关的计算。齿轮的相关计算 1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1） 按照图示传动原理，选择直齿圆柱齿轮传动。2） 益智循迹机械小车的运行速度不高，故选用7级精度（GB1009588）。3） 材料选择。由机械设计教材表101选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料的硬度差为40HBS4） 选择小齿轮齿数Z1 = 20，大齿轮齿数Z2 = 620 =1202. 按齿面接触强度设计由机械设计教材设计计算公式（109a）进行试算，即d1t 2.32（1） 确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数Kt = 1.32） 计算小齿轮传递的扭矩要确定扭矩的大小，就要确定小车在正常运行的过程中所需要驱动线轮的大小，根据公式T=FR 即可求出力矩。计算步骤如下：根据小车行走的路程及传动比计算小车主动轴线轮的半径，I1=6。小车在一次行走的过程中一共完成了N个周期，则 其中：S是小车行走的路程 Ls是小车完成一个周期所要走过的路程主动轴所要转动的N1周，根据后轮轴和主动轴之间的传动比， 则小车主动轴上线轮的半径其中：H是发条最大绕线长度由前面的章节计算知Smax = 70m、Smin = 14.6m有前面的计算步骤可以算的Rmax = 13mm、Rmin = 5.46mm进而算的 为了保证小车工作性能可靠，采用进行计算3） 由机械设计教材中的表107选取齿宽系数4） 由机械设计教材中的表106查得材料的弹性影响5） 由机械设计教材中的表1021d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。6） 由机械设计教材中的表1013计算应力循环次数。为了让小车运行更加平稳，设计的过程中让小车缓慢匀速前进，设计速度V = 0.5ms由此可知小齿轮的转速 =54 rmin7） 由机械设计教材中的表1019取接触疲劳寿;8） 计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%,安全系数S = 1，由机械设计教材中的式（1012）得(2) 计算1） 试算小齿轮分度圆直径，带入中的较小值。 d1t 2.32 = 2.32 = 6.47mm2） 计算圆周速度V。3） 计算齿宽b。mm4） 计算齿宽与齿高之比。模数 mm齿高 mm齿宽与齿高之比 = 5)计算载荷系数。 根据v = 0.034，7级精度，由机械设计教材中的图108查得动载荷系数； 直齿轮，； 由机械设计教材中的表102查得使用系数； 由机械设计教材中的表104用差值法查得7级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时， 由=8.889，由机械设计教材中的图1013查得 ；故载荷系数 6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由机械设计教材中的式（10-10a）得 =6.682 7)计算模数3按齿根弯曲强度设计 由机械设计教材式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 (1)确定公式内的各计算数值 1）由机械设计教材图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限； 2）由机械设计教材图10-18取弯曲疲劳寿命系数，； 3）计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由机械设计教材式（10-12）得 4）计算载荷系数K。 5） 查取齿形系数。 由机械设计教材表10-5查得 ；。6） 查取应力校正系数。由机械设计教材表10-5查得 ；。7） 计算大、小齿轮的并加以比较。 大齿轮的数值大。（2） 设计计算 mm=0.23mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数0.23就能满足强度要求。但从加工、装配其它零件的尺寸考虑，选取模数m=0.5mm，齿数为20。大齿轮齿数 该对齿轮既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.几何尺寸计算 （1）计算分度圆直径 （2）计算中心距 （3） 计算齿轮宽度 为了便于加工及装配的方便，取3.5.2第二对齿轮的分析设计 第二对齿轮算传递的力仅仅有凸轮回复力及地面与小车前轮之间的摩擦力产生的，受力远小于主动轴齿轮和后轮轴齿轮之间所传递的扭矩，因此按照上面的受力关系计算出的齿轮模数能满足该对齿轮传递力的要求。根据后轮转四周，转向机构完成一次周期性的摆动，小车完成一个周期的避障行走的要求。可以求得小车的另一个齿轮的齿数 几何尺寸的计算 1）计算分度圆的直径 mm 2）计算凸轮轴和主动轴之间的中心距 3）齿宽 为了让两对齿轮更好的啮合，选择=5mm 3.6 凸轮的设计计算图3.4 转向机构1. 转向原理说明 摆杆在凸轮的作用下，做周期性的前后往复摆动带动前轮左右摆动，控制小车做周期性的转身，避障行走。2. 益智循迹机械小车的凸轮设计要求 凸轮属于益智循迹机械小车的转向机构中的重要零件，控制着小车的行走轨迹，其精度的高低直接影响到小车的避障性能。因此，凸轮的设计要具有可行性，在现有的加工条件下要能满足小车对控制部分的精度要求。3. 凸轮设计步骤简介 根据毕业设计命题对小车避障性能的要求，建立小车行走轨迹的数学模型；假设小车前轮支点和小车后轮支点之间的距离无限小，如果要实现小车避障行走的轨迹，则只需任意一个时刻小车前轮平面与x轴夹角等于行走轨迹该点切线与x轴的夹角，因此，要计算出前轮任意一个时刻与x轴之间的夹角；前轮转向角是由凸轮控制的，因此要建立前轮转向角和凸轮转角之间的关系；由于实际上小车前轮支点与后轮支点有一定的距离，因此要根据两轴之间的中心距，对小车前轮转角进行修正。4. 相关的计算 图3.5 小车行走轨迹1）建立行走轨迹数学模型 根据毕业设计的命题要求，建立小车行走轨迹的数学模型，综合考虑考虑小车的避障性能，小车的行走轨迹按照余弦函数计算。该函数的表达式为 2）求出(1)式与x轴任意一点处的斜率 yy= 3）切线与x轴任意时刻的夹角 =y 4) 建立前轮转角和凸轮转角之间的关系图3.6 凸轮与前轮转角示意图凸轮任意时刻的转角用凸轮任意时刻的转角表示小车任意时刻的轨迹x 将代入，建立与的关系 3. 求取凸轮的轮廓曲线 采用摆动从动件凸轮机构图3.7 摆动从动件凸轮机构 对进行赋值，得出x,y的坐标值得出x、y坐标值，但是得出的x、y坐标值并不是凸轮轮廓曲线上的坐标值。这是因为在建立与之间的关系，实际上是建立的凸轮转角与行走轨迹线任意时刻与x轴之间的夹角，虽然两者之间对应的变化规律符合行走轨迹切线斜率的变化，由于小车前轮支撑点和后轮支撑点的距离并不是无限小的，因此前轮转角明显比实际需要的转角大。要想得到最佳的行走轨迹路线，就要对前轮转角进行修正。修正方法如下：修正系数的大小要根据小车前轮支点和后轮支点之间的垂直距离决定的，因此要首先确定，两点之间的距离=132mm其中：是主动轴与后轮轴之间的中心距离 是主动轴与凸轮轴之间的距离 是凸轮的基圆半径大小，试选择基圆半径为20mm很容易求出小车行走轨迹线与x轴之间的最大夹角，现在要求出修正比例系数，就要求出在实际行走过程中小车前轮转角与小车车身对称线之间的最大夹角，后者比上前者就是修正系数。1）计算小车前轮转角与小车车身对称线之间的最大夹角小车行走轨迹函数 小车任意一点处轨迹的斜率y=小车转角在何处变化最快，就要对y再求导y根据y可以看出，当x = 1000n时。y取得最大值，此时小车行走轨迹切线与x轴的变化率最大。图3.8 前轮转角变化最快处示意图由前面的计算知道 前轮和x轴之间的转角公式 将带入得将带入得小车前轮转角与小车车身对称线之间的最大夹角=-=12.752）计算前轮转角和x轴之间的最大转角 令 则 = 由此，可以看出随着x的增大而增大。很容易看出当时，x取得最大值。将带入公式算的修正系数 6.计算凸轮轮廓任意点距离凸轮回转中心的距离R图3.9 凸轮轮廓凸轮轮廓任意点处的半径R修正轮廓曲线x、y坐标值 将摆动从动件凸轮机构作如下的变形完成转向控制图3.10 转向机构示意图其中：是切线与x轴任意时刻的夹角 取 其中：是前轮转角修正系数。凸轮轮廓上的点任意时刻到回转中心的距离R对进行赋值，求出R值，根据其对应关系，输入CAXA线切割软件，生成加工轨迹及代码。在加工完成后，采用细砂纸打磨轮廓表面，降低和摆动从动件之间的摩擦力。3.7 轴的强度校核3.7.1 驱动轴的强度校核图3.11 主动轴已知:由前面的章节知道，该轴传递的最大的力矩，齿轮为直齿圆柱齿轮。轴的材料为45钢，经调质处理。由于传递的力矩不大，齿轮、线轮采用紧固螺钉固定，轴和轴承支座之间采用套筒定位。轴的直径d=6mm。 （1）做出轴的计算简图（即力学模型）图3.12 主动轴力学模型在H平面内对该轴进行受力分析1)在H平面受力简化成如下图所示图3.13 H平面内受力 计算齿轮的切向力 根据得到计算式 根据H平面上的合力 得到 联立、式得 在H平面上的剪力图，和弯矩图如下：图3.14 H平面内剪力和弯矩图2）在V平面上受力简化成如下图所示图3.15 V平面内受力图齿轮的径向力 对A点的弯矩 在V平面上的合力 有、得， 该轴在1处的弯矩 该轴在1处的弯矩 在V平面上的剪力图，和弯矩图如下：图3.16 v平面内剪力及弯矩图该主动轴上所受的总弯矩的计算1处的弯矩大小计算2处的弯矩计算该主动轴上的和弯矩图如下图3.17 合成弯矩图该轴所受的扭矩图如下图3.18 扭矩图按弯矩、扭矩合成应力校核该轴的强度进行校核时，只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面2处。扭转切应力为脉动循环应力，取= 0.6，轴的计算应力故该轴是安全的。3.7.2 后轮轴的强度校核 图3.19 后轮已知：小车质量为2kg（带发条的情况下），g=10kg/s。（1） 做出轴的计算简图（即力学模型）图3.20 后轮轴力学模型在H平面内对该轴进行受力分析1) 在v平面受力简化成如下图所示 图3.21 V平面受力示意图 在V平面上后轮轴的分析计算 有前面的分析计算可以知道，估计车的质量为2kg，则 小车行走过程中，后轮所受的阻力计算：小车的行走距离与阻力成反比，对小车后轮轴强度校核的过程中采用较大的力进行校核。根据能量守恒原理，得到如下方程式： 其中：f是小车在行走的过程中所受到的阻力 h是中午下落的高度 由此，可以计算出小车在行走过程中所受到的阻力 F = 0.274N 求解未知力及弯矩 根据在V平面内所有的合力,得到如下关系式 根据在V平面内所有的合力矩,得到如下关系式 由、得 该轴在V平面上所受的剪力图及弯矩图如下图3.22 V平面剪力及弯矩图 2）在H平面内后轮轴的受力分析由于小车要实现转向的性能，因此小车在行走的过程中后轮要实现差速运动。差速器结构比较大，安装不反方便，且比较重。益智循迹机械小车的驱动能量有限，尽量减少整车的重量。为此，采取的方法是在后轮中个安装一个超越离合器，以实现差速运动。超越离合器是单向旋转，这就说明小车在行走的过程中，后轮是交替作为驱动轮的（即小车向左转弯时，左轮为驱动轮，右轮为从动轮。小车向右转动时，右轮为主动轮，左轮为从动轮)。下面分两种情况，进行分析讨论(1) 情况一：小车向左转弯时，左轮为驱动轮，右轮为从动轮由前面的计算知道小车的行走阻力，小车克服阻力行走，要求后轮轴要克服阻力。此时： 在H平面受力简化成如下图所示图3.23 H平面受力示意图 求解未知力及弯矩 根据在H平面内所有的合力,得到如下关系式 根据在H平面内所有的合力矩,得到如下关系式 由、得 该轴在H平面上所受的剪力图及弯矩图如下图3.24 图3.24 H平面剪力及弯矩图（2）情况二：小车向右转动时，右轮为主动轮，左轮为从动轮 由前面的计算知道小车的行走阻力，小车克服阻力行走，要求后轮轴要克服阻力。此时： 在H平面受力简化成如下图所示图3.25 H平面受力示意图 求解未知力及弯矩 根据在H平面内所有的合力,得到如下关系式 根据在H平面内所有的合力矩,得到如下关系式 由、得 该轴在H平面上所受的剪力图及弯矩图如下 图3.26 H平面剪力及弯矩图 第一种情况下，该轴所受的总弯矩： 代入相关数值，计算得 扭矩及弯矩图如下 图3.27 扭矩及弯矩图按弯矩、扭矩合成应力校核该轴的强度进行校核时，只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面2处。扭转切应力为脉动循环应力，取= 0.6，轴的计算应力故该轴是安全的。第二种情况下，该轴所受的总弯矩： 代入相关数值，计算得 扭矩及弯矩图如下 图3.28 扭矩及弯矩图按弯矩、扭矩合成应力校核该轴的强度进行校核时，只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面2处。扭转切应力为脉动循环应力，取= 0.6，轴的计算应力故该轴是安全的。第四章 益智循迹机械小车主要零件的加工4.1 小车的底板设计及加工 小车要求结构简单轻便，目的是在有限的驱动能量的情况下，行走最远。为此小车主题结构采用铝合金材料。益智循迹机械小车底板的大致形状为长方形，其长度由小车传动部分及发条的尺寸决定，宽度不仅要考虑小车避障行走的稳定性，还要考虑发条的尺寸、安装支架的空间尺寸等。益智循迹机械小车底板的尺寸如下图：图4.2 车底板益智循迹机械小车底板的三维效果图如下：图4.1 车底板2. 益智循迹机械小车底板的加工方法 因为车底板是其他各零件的载体，其精度的高低将影响益智循迹机械小车的避障性能，可以说具有决定性的作用。益智循迹机械小车上的其他零件都是以底板上的各个孔作为定位的，因此在加工底板的时候不仅要保证各孔的尺寸精度，还要保证其位置精度。所以，材料的选择及加工方法的选择显得很重要。1）机床选择 根据本次加工零件尺寸精度和表面质量的要求，并考虑到经济和效率的问题，我们选用快走丝线切割机床对零件进行线切割加工。该设备是苏州金马生产的快走丝线切割机床。 2）工件材料的选择 由于益智循迹机械小车受力较小，在有限的能量下，为了让车子完成远路程的避障行走，选择比重较轻的材料。根据受力、工作环境等各方面的因素，经过综合分析确定益智循迹机械小车设计的底板材料选用的是4mm厚的铝合金板料。 3）电极丝的选择 电极丝的选择 我国快走丝机床常用的电极丝是钼丝，它的价格和质量都较好，所以 我们选用直径为 0.18mm 的钼丝。 4）确定加工电参量 根据快走丝机床的使用说明书，表4-1 提供了切割铝合金的电参量。 表 4-1 切割铝合金的电参量 5) 在线切割XP软件中绘制益智循迹机械小车底板 在保证小车底板性能的前提下，为了减少劳动量、机加工时间、降低成本，对小车加工方案作了如下改进。该方案的优点不必要提前打很多穿丝孔，是减少穿丝次数，提高生产效率。简化后的加工方案图如下图4.3 车底板加工方案图6）底板加工轨迹的生成及仿真 生成快走丝机床的加工轨迹 ，轨迹生成是在已经构造好轮廓的基础上，结合线切割加工工艺，给出确定的加工方法和加工条件，由计算机自动计算出加工轨迹的过程。 加工参数设置 在绘制好的益智循迹机械小车底板的基础上，单击主菜单：线切割 轨迹生成，系统弹出【线切割轨迹生成参数表】对话框,并输入相应的切割参数：垂直切入、分四次切割、加工轨迹自动补偿、圆弧过度、圆弧拟合。然 后单击“偏移量/补偿值” ，系统弹出偏移量/补偿值对话框，并分别输入对应加工次序的偏移量，这里值得注意的是偏移量和加工次序的对应关系，最后点击确定。图4.4加工参数设置拾取轮廓 完成上一步加工参数设置后，系统在界面左下角提示拾取轮廓，单击底板上某一点（切入点） ，这一点可以自己定，但最好定在便于切入的地方，我们现在把这一点定在拐角处的某一确定点，此时在切入点会出现一对反向的箭头。如下图所示。图4.5 拾取轮廓选择切割及补偿方向。 用鼠标左击箭头，确定切割方向，切割方向确定后，在轮廓法线方向上出现一对反向的箭头，要求选择补偿方向，选择外侧轮廓外侧的箭头作为补偿方向，输入穿丝点坐标，按回车。右击鼠标，使穿丝点与回退点重合，完成益智循迹机械小车底板加工轨迹的生成。 图4.6选择切割及补偿方向生成完整的加工轨迹 由于要加工内部独立的型腔，在上面也生成过两次轨迹，如何把两次生成的轨迹在几次装夹中完成加工呢，这就要用到跳步。单击主菜单：线切割 轨迹跳步，先点击型腔的轨迹，后点击外轮廓轨迹，建立两次生成的轨迹在机床上的坐标关系。完成轨迹的生成。如下图图4.7加工轨迹 生成加工代码 单击主菜单：线切割生成3B代码（B）。完成代码的生成，传到机床上，即可完成工件的加工。 3B代码的校核 单击主菜单：线切割校核3B代码（J），校核轨迹如下图 图4.8代码校核图 轨迹仿真 单击主菜单：线切割轨迹仿真（S）。如下图 图4.9轨迹仿真图4.2 车轮的设计与加工1. 车轮的三维图图4.10 车轮三维图益智循迹机械小车车轮的尺寸如下图图4.11益智循迹机械小车车轮2. 益智循迹机械小车车轮的加工方法 车轮是小车的行走机构中的重要部件，其回转精度的高低将影响益智循迹机械小车行走的稳定性，对小车行走过程中所产生的震动，具有决定性的作用。因此车轮上的各个孔决定其回转精度的高低，因此在加各孔的时候不仅要保证各孔的尺寸精度，还要保证其位置精度。所以，材料的选择及加工方法的选择显得很重要。1）机床选择 根据本次加工零件尺寸精度和位置精度的要求， 并考虑到经济和效率的 问题，我们选用快走丝线切割机床对零件进行线切割加工。该设备是苏州金马生产的快走丝线切割机床。 2）工件材料的选择 由于益智循迹机械小车受力较小，在有限的能量下，为了让车子完成远路程的避障行走，选择比重较轻的材料。根据受力、工作环境等各方面的因素，经过综合分析确定益智循迹机械小车设计的车轮材料选用的是4mm厚的铝合金板料。 3）电极丝的选择 电极丝的选择我国快走丝机床常用的电极丝是钼丝，它的价格和质量都较好，所以我们选用直径为 0.18mm的钼丝。 4）确定加工电参量 根据快走丝机床的使用说明书，表 4-1 提供的切割铝合金的电参量，进行相关设置。 5) 在线切割XP软件中绘制益智循迹机械小车车轮 在保证小车底板性能的前提下，为了减少劳动量、机加工时间、降低成本，对小车加工方案作了如下改进。该方案的优点不必要提前打很多穿丝孔，是减少穿丝次数，提高生产效率。简化后的加工方案图如下图4.12益智循迹机械小车车轮加工方案图6）车轮加工轨迹的生成及仿真 生成快走丝机床的加工轨迹 ，轨迹生成是在已经构造好轮廓的基础上，结合线切割加工工艺，给出确定的加工方法和加工条件，由计算机自动计算出加工轨迹的过程。 加工参数设置 在绘制好的益智循迹机械小车底板的基础上，单击主菜单：线切割 轨迹生成，系统弹出【线切割轨迹生成参数表】对话框,并输入相应的切割参数：垂直切入、分四次切割、加工轨迹自动补偿、圆弧过度、圆弧拟合。然 后单击“偏移量/补偿值” ，系统弹出偏移量/补偿值对话框，并分别输入对应加工次序的偏移量，这里值得注意的是偏移量和加工次序的对应关系，最后点击确定。图4.13加工参数设置拾取轮廓 完成上一步加工参数设置后，系统在界面左下角提示拾取轮廓，单击底板上某一点（切入点） ，这一点可以自己定，但最好定在便于切入的地方，我们现在把这一点定在拐角处的某一确定点，此时在切入点会出现一对反向的箭头。如下图所示。图4.14拾取轮廓选择切割及补偿方向。 用鼠标左击箭头，确定切割方向，切割方向确定后，在轮廓法线方向上出现一对反向的箭头，要求选择补偿方向，选择外侧轮廓外侧的箭头作为补偿方向，输入穿丝点坐标，按回车。右击鼠标，使穿丝点与回退点重合，完成益智循迹机械小车底板加工轨迹的生成。 图4.15选择切割及补偿方向生成完整的加工轨迹由于要加工内部独立的型腔，在上面也生成过两次轨迹，如何把两次生成的轨迹在几次装夹中完成加工呢，这就要用到跳步。单击主菜单：线切割 轨迹跳步，先点击型腔的轨迹，后点击外轮廓轨迹，建立五次生成的轨迹在机床上的坐标关系。完成轨迹的生成。如下图图4.16加工轨迹生成加工代码 单击主菜单：线切割生成3B代码（B）。完成代码的生成，传到机床上，即可完成工件的加工。 3B代码的校核 单击主菜单：线切割校核3B代码（J），校核轨迹如下图 图4.17代码校核 轨迹仿真 单击主菜单：线切割轨迹仿真（S）。如下图 图4.18 轨迹仿真4.3 轴承支座的设计加工轴承支座的三维图图4.19 轴承支座轴承支座精度的高低，直接影响到各传动轴之间的平行度。为了保证齿轮之间精确的啮合。就要保证各面之间的位置关系。各孔的尺寸精度及位置精度。加工方法1） 材料选择，轴承支座承受着齿轮之间的啮合力及小车的重量。为了保证小车按照预定的轨迹避障行走，就要求轴承支