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1、 無碳小車設計說明書 學 院： 行知工學分院 班 級： 機械132班 學生姓名： 學 號： 指導老師： 完成時間： 2015 年 6 月 15 日 1.緒論 1.1小車的設計命題 設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據(jù)能量轉換原理，由給定重力勢能轉換

2、來的。給定重力勢能為 4 焦耳（取 g=10m/s2），設計時統(tǒng)一用質量為1Kg的重塊（￠5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 4002mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。如圖1.1所示。 圖1.1 要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，不可使用任何其他的能量來源。 要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適 應放有不同間距障礙物的競賽場地。 要求小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由學生自主完成。 1.2小車的整體設計要求 小車設計過程需要完成：機械設計、工藝方案設計、經濟成本

3、分析和工程管理方案設計。命題中的工程管理項要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程計劃。設計能力項要求對參賽作品的設計具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項要求綜合運用加工制造工藝的知識。 1.3小車的設計方法 在小車的設計方法上，我們借鑒了參數(shù)化設計、優(yōu)化設計、系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計發(fā)明理論方法。采用CAXA、SolidWorks2012等輔助軟件設計。 2.設計方案 2.1尺寸設計 由于小車實在平面上運行，轉彎半徑較小，所以定小車的寬度為150mm，長度為150mm，使其能擁有更佳的靈活性。如圖2.1所示。 圖2.1 2.2最大轉角 因為小車長為15

4、0mm，當繞過最大偏移距離為500mm的圓弧時能得到最大轉角，如圖3.2所示，即可得最大轉角位26.897.如圖2.2所示。. . 圖2.2 設曲柄長度為10，已知最大轉角位26.897，由圖2.3所示可知可得最大偏移距離 圖2.3 偏移距離L=10 /tan（26.897）=19.71mm 2.3后輪直徑設計 傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉彎機構和驅動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結構簡單重量輕等要求。 齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高。雖然在經濟方面不是罪劃算，但還是優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。

5、根據(jù)小車的前后輪尺寸和軌跡全長的比例關系，通過計算選取一對傳動比為1:5的齒輪來進行傳動。 軌跡設計出來之后，有軌跡可知，測得小車最大轉角為26.897，用CAXA軟件分析可知該軌跡一個周期的總長度為3224.394mm，通過CAXA查詢得到各段弧線的長度及總長，如圖2.4 2.5所示。 圖2.4 圖2.5 知道各段弧線的長度之后?？梢运愠鐾馆喌倪\動軌跡和運動到每個地方的角度。 第 1 條曲線 ( 樣條 ) 的長度: 6448.788 第 2 條曲線 ( 直線 ) 的長度: 4800.000 總長度: 11248.788

6、 小車運動一個周期的長度是3224.394mm，每運動一個周期，前輪左右轉動一次，假設取小車后輪的直徑為180-220mm，則車輪周長為565.2-690.8mm，則小車后輪應該在轉動4.7-5.7圈時完成2.4m運動，所以取轉動比為i=5。所以定后輪直徑為205mm。 計算過程為： 經CAXA電子模板計算，小車行進一個周期的周長S=3224.394mm。 由于小車后輪和小齒輪同處于后輪軸上，所以后輪和大齒輪的傳動比為n=5：1。小車行進一個周期，小車后輪轉5圈。所以小車后輪周長 L=S/5=3224.394/5=644.8

7、788nm 因此小車后輪直徑 D=644.8788/π=205.375 mm 即小車后輪直徑D=205mm 2.4四桿設計 知道這些數(shù)據(jù)后可以在caxa軟件中得出四桿的結構，設基曲柄的長度為10mm，連桿的長度為90mm，求加速度A和速度V。 由公式H=acos?+√（bb-asin?（?）asin?（?）） v，a分別為H的一次求導和二次求導，解得如圖2.6所示 圖2.6 解得如圖2.7 2.8所示 圖2.7 圖2.8 2.5齒輪機構設計 由前面的計算可知，小車的傳動比為1:5，設兩個齒輪的模數(shù)為相同的1，小齒輪設計為齒數(shù)為22，大齒

8、輪設計為齒數(shù)為110。兩齒輪的中心距設計為60mm，齒厚為相同的5mm。如圖2.9 2.10所示 圖2.9 圖2.10 2.6傳動比計算 傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉彎機構和驅動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結構簡單重量輕等要求，如圖2.11所示。 圖2.11 即C滑輪/C后輪=（4*6）/（25*102.5）=106.77 因此滑塊下降400mm則小車前進42400mm 2.7自由度計算 無碳小車轉向機構采用曲柄滑塊的形式做空間四桿機構，機構件圖如圖2.12所示 圖2.12 F=3*n

9、-2*p1-p2=3*3-2*4=1 自由度為1， 2.8軸的設計分析 主軸需要裝有后輪，固定機架，轉動軸承，齒輪以及螺釘。如圖2.13 2.14所示。 對應半徑及長度從左到右分別3*7 5*16 6*26 7*10 6*76 5*16 3*7 圖2.13 圖2.14 副軸需要裝在傳動機構上,分別裝有曲柄，副軸支撐架2，副軸支撐架，轉動軸承，如圖2.15所示。 副軸半徑及長度從左到右分別5*15 6*26 7*10 6*76 5*15 圖2.15 2.9軸承設計分析 主軸及副軸的滾動軸承長度14，內徑10，外徑30，如圖2.16所示

10、 圖2.16 前輪滾動軸承長度為3，內徑為3外徑為10，如圖2.17所示。 圖2.17 3小車機構設計 3.1整體機構設計 驅動輪是直徑為205mm的圓輪，轉向輪是直徑為50mm的圓輪，該小車內部采用了四桿機構，從而控制小車的轉彎，進而實現(xiàn)小車的周期性s字形運動。設計其結構。主要結構如下：重物下降時采用同軸雙線輪調速，由繞繩輪帶動小車后軸轉動，實現(xiàn)小車的行進。后軸的轉動速度通過齒輪轉動，帶動四桿機構轉動，從而魚眼的來回運動，帶動前輪擺動，實現(xiàn)小車的周期性旋轉。整體設計圖形如圖3.1所示。 圖3.1 3.2前輪機構設計 轉向機構是小車設計的關鍵部分，直接決定著小車走s

11、字形的路線。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦，而且結構要設計的簡單，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。采用四桿機構，轉動從動件，從動件作為轉動機構。 轉向機構轉彎的動力靠四桿來進行，利用凸輪的特性來對前輪的拐彎進行分時段的過渡。具體設計如圖3.2 所示。 圖3.2 3.3連桿機構設計 轉向機構轉彎動力的傳動主要靠連桿機構提供，利用杠桿原理將凸輪所提供的往復行程進行放大，從而實現(xiàn)前輪的運動。如圖3.3所示 圖3.3 3.4后輪機構設計 小車的兩個后輪通過轉軸連接，重物下降時因為采用同軸雙線輪調

12、速，由繞繩輪帶動轉軸轉動繼而后輪軸上的齒輪同時運動，從而帶動小車后軸轉動，如圖3.4所示。 圖3.4 4.小車整體三維圖 4.1小車裝配圖 圖4.1 圖4.2 圖4.3 4.2小車爆炸圖 圖4.4 圖4.5 5.設計總結 為期一學期的課程設計終于結束了。期中在家已經看過一個星期的視頻，查閱很多資料，都是無從下手。后來通過先確定小車的整體尺寸，畫零部件，設計路徑，設計凸輪，慢慢找到了方向。在小車的裝配中，出現(xiàn)了很多問題，總是過定義，在慢慢摸索中，終于探究出出現(xiàn)錯誤的原因。在整個小車的設計里，抓住功能實現(xiàn)的核心：1.要實現(xiàn)行走路程最遠；2.避開障礙多。要想實現(xiàn)功能1，要減少內部摩擦損耗，減少與地面摩擦損耗，可根據(jù)不同的地面調整驅動機構。功能2的實現(xiàn)，要保證加工裝配精度，對小車行走影響較靈敏的部件尺寸可微調。從這兩個方面著手，設計的小車才會更好。在設計凸輪和裝配小車的過程中，讓我不斷溫習了這學期學習的《機械原理》課程，在錯誤中讓我學習了之前我沒學好的知識。在這個課程設計中，我還是受益匪淺的。