凸輪8字無碳小車設計報告

1、目錄一、設計要求.41.1功能分析階段. .41.2參數(shù)分析與個性化設計階段.41.3制造階段.41.4調(diào)試階段.4二、正式設計.52.1機械總功能分解及功能元解.62.2機構選型與方案對比.62.2.1機構選型的基本原則.62.3勢能轉(zhuǎn)化機構分析.72.3.1重物錐臺輪機構功能元解的優(yōu)缺點.72.3.2重物飛輪機構功能元解的優(yōu)缺點72.3.3發(fā)條彈簧機構功能元解的優(yōu)缺點82.3.4橡皮筋結構功能元解的優(yōu)缺點82.6直線行走位移機構分析.8 2.6.1后雙輪差速驅(qū)動功能元解的優(yōu)缺點82.7前輪擺動機構分析92.7.1凸輪推桿機構功能元解的優(yōu)缺點.92.7.2曲柄搖桿機構功能元解的優(yōu)缺點92.7

2、.3圓輪導桿機構功能元解的優(yōu)缺點.102.8中間傳動機構分析102.8.1齒輪傳動機構功能元解的優(yōu)缺點.102.8.2皮帶輪傳動機構功能元解的優(yōu)缺點112.9組合方案擇優(yōu)并確定輔助、控制機構.112.9.1輔助機構之車架分析.112.9.2控制機構之微調(diào)機構分析11三、技術設計123.1建立8字軌跡理想模型.123.2、solidworks toolbox凸輪設計及其相關參數(shù)的確定：123.3建立小車數(shù)學模型.133.3.1小車轉(zhuǎn)彎狀態(tài)分析153.4動力學分析模型.183.5參數(shù)確定.21四、小車裝配圖22五、小車運動仿真軌跡及m文件.23一、設計要求本屆競賽命題為“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控

3、制功能的自行小車”。設計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標準砝碼（5065 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為4002mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。圖1 無碳小車示意圖要求小車在行走過程中完成所有動作所需的能量均由此給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來源的能量。要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機構，且此轉(zhuǎn)向控制機構具有可調(diào)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參賽學生自主完成。“8”字型賽道場地常規(guī)賽小

4、車在半張標準乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上，繞兩個障礙物按“8”字型軌跡運行。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個圓棒，相距一定距離放置在半張標準乒乓球臺的中線上，該距離由競賽項目開始時的抽簽產(chǎn)生，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來評定成績，見圖3。圖2 “8”字型賽道競賽所用乒乓球臺及障礙設置圖參加“8”字型賽道競賽的參賽隊，使用在現(xiàn)場調(diào)整裝配后的小車及組委會統(tǒng)一提供的標準砝碼參賽。出發(fā)點自定，每隊小車運行2次，取2次成績中最好成績。一個成功的“8”字繞障軌跡為：兩個封閉圖形軌跡和軌跡的兩次變向交替出現(xiàn)，變向指的是：軌跡的曲率中心從軌跡的一側(cè)變化到另一側(cè)。比賽中，小車需連續(xù)運行

5、，直至停止。小車沒有繞過障礙、碰倒障礙、將障礙物推出定位圓區(qū)域、砝碼脫離小車、小車停止或小車掉下球臺均視為本次比賽結束。本組小車由能量轉(zhuǎn)換機構、傳動機構、轉(zhuǎn)向機構和車身構成，通過能量轉(zhuǎn)換機構獲得動力來驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動，再通過傳動機構將運動傳給轉(zhuǎn)向機構使轉(zhuǎn)向輪，利用凸輪曲柄搖桿機構使轉(zhuǎn)向輪周期性擺動，從而避開設置在8字形內(nèi)固有間距的障礙物。我們把小車的設計分為三個主要階段：功能分析、參數(shù)分析與個性化設計、制造加工調(diào)試。通過每一階段的深入分析，加諸大量理論參數(shù)分析，比較整合，使我們的設計盡可能向最優(yōu)設計靠攏。1.1功能分析階段根據(jù)這次比賽中對小車功能要求，我們把小車分為車架 、原動機構 、傳動機構 、

6、轉(zhuǎn)向機構 、行走機構 、微調(diào)機構六個模塊，進行模塊化設計。分別針對每一個模塊進行多方案設計，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合1.2參數(shù)分析與個性化設計階段應用Solidworks、UG軟件進行小車的實體建模、部分運動仿真還有受力分析。本小組運用Matlab，將對方案建立數(shù)學模型進行理論分析，借助MATLAB分別進行能耗規(guī)律分析、運動學分析、動力學分析、靈敏度分析。再而得出小車的具體參數(shù)和運動規(guī)律。1.3制造階段我們會盡量選擇使用標準件，減少制造壓力，屆時將會使用數(shù)控加工幫助制造，部分零件例如凸輪不能自行加工的將雇傭外廠工人幫忙制造，對于塑料會采用自制的電鋸切割。鑒于小車受力限度和優(yōu)化成本，小車

7、將多處采用膠結。1.4調(diào)試階段會通過調(diào)整微調(diào)連桿長度的方式改變小車的擺角，在試驗的基礎上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。圖3.小車的設計三個主要階段二、結構設計2.1 機械總功能分解及功能元解表1.勢能轉(zhuǎn)向小車形態(tài)學矩陣功能元功能元解1234A勢能轉(zhuǎn)化重物+滾筒繞線輪重物+飛輪機構發(fā)條彈簧機構橡皮筋勢能裝置B直線分量行走后雙輪差速驅(qū)動C前輪擺動凸輪+推桿機構曲柄+搖桿機構不完全齒輪 槽輪+萬向節(jié)機構D中間傳動齒輪機構皮帶輪機構E 微調(diào)機構可調(diào)節(jié)螺母可調(diào)節(jié)連桿更換凸輪更換后輪2.2機構選型與方案對比正式進入機構方案分析時，必須遵守以下的選型原則2.3.1機構選型的基本原則 滿足工藝動作

8、和運動要求。 結構最簡單,傳動鏈最短。 原動機的選擇有利于簡化結構和改善運動質(zhì)量。 機構有盡可能好的動力性能。 機器操縱方便、調(diào)整容易、安全耐用。 加工制造方便，經(jīng)濟成本低。 具有較高的生產(chǎn)效率與機械效率。2.4勢能轉(zhuǎn)化機構分析原動機構的作用是將勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，小車對原動機構還有其它的具體要求：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.到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上。3.機構簡單，效率高。2.4.1重物錐臺輪機構功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：成本低廉,結構常見比

9、較熟悉?？梢酝ㄟ^改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出的動力。滾筒的設計實現(xiàn)了小車的起動和重物的從低速到減速下落，減小了因碰撞而損失的能量。缺點：重錘下降時與小車一同運動，導致重錘下降不穩(wěn)定間接影響小車行走軌跡的精度；另外因重錘質(zhì)量不容忽略，導致車子整體質(zhì)量大，從而與地面間的滾動阻力變大較大，能量消耗較快，行駛最遠路程就短 圖4.滾筒設計2.4.2重物飛輪機構功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：在儲能完畢后，釋放能量階段能做到平穩(wěn)連續(xù)輸出。缺點：質(zhì)量大，占用體積空間大。圖5.飛輪與后輪軸固連2.5.3發(fā)條彈簧機構功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：在小車運動前已儲能完畢，在小車運動時穩(wěn)定釋放能量 缺點：發(fā)條在儲能和釋放能

10、量時都會消耗能量，因而能量有效利用率不高圖6.發(fā)條彈簧2.5.4橡皮筋結構功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：成本低廉、橡皮筋質(zhì)量低，對小車運動過程影響幾乎可以忽略 缺點：很難精準控制儲能大小，能量釋放時間過于短暫，零件間容易打滑浪費能量。2.6.1后雙輪差速驅(qū)動功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：在小車行駛過程中，驅(qū)動輪不會打滑，軌跡更為準確。缺點：裝配時要求同軸心，精度要求高；2.7前輪擺動機構分析轉(zhuǎn)向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動。2.7.1凸輪推桿機構功能

11、元解的優(yōu)缺點 優(yōu)點：適當?shù)卦O計出凸輪的輪廓曲線后就可以使推桿精準地實現(xiàn)所需的運動規(guī)律，而且響應快速；缺點：凸輪廓線與推桿之間為點、線接觸，易磨損；凸輪精準制造較困難；需使用額外機構，利用彈簧力與使凸輪與推桿保持接觸；圖7.齒輪機構2.7.2曲柄搖桿機構功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：連桿機構中的運動副為低副，其運動副元素為面接觸，壓力較小，易潤滑，損耗能量少，且運動副一般是幾何封閉，對保證小車行進的可靠性有利。 缺點：由于連桿機構的運動必須經(jīng)過中間構件進行傳遞，因而構件數(shù)目多，傳動路線長，若加工不能保證適當精度，易產(chǎn)生較大的誤差積累，也使機械效率降低。 2.8中間傳動機構分析傳動概述：傳動機構的功能是把

12、動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構和驅(qū)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2.8.1齒輪傳動機構功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：齒輪具有效率高、適用的載荷和速度范圍大、工作可靠、傳動比穩(wěn)定。缺點：但價格較高，且傳動距離比較短圖8.齒輪機構2.8.2皮帶輪傳動機構功能元解的優(yōu)缺點優(yōu)點：具有結構簡單、可以遠距離傳動、價格低廉、緩沖吸震無噪音等特點，可使重物下落速度減緩；缺點：其效率及傳動精度并不高。圖9.皮帶輪2.9組合方案擇優(yōu)并確定輔助、控制機構 利用上述形態(tài)學矩陣，理論上可組合出4x1x3x2=24種方案。 而經(jīng)對各功能元解機構的優(yōu)缺點分析還有比賽要

13、求的分析后，本組最終定的小車組合方案為A2(繩輪機構)-B1（后雙輪差速驅(qū)動）-C3（凸輪推桿機構）-D2(齒輪機構)：圖10.本組組合方案圖2.9.1輔助機構之車架機構分析因為選擇了滾筒繩輪機構，凸輪結構和齒輪結構，所以將車身底板盡量挖空，以減低車身重量，而且使凸輪，齒輪不與車身發(fā)生干涉圖11.車身圖2.9.2控制機構之微調(diào)機構分析一臺完整的機器包括：原動機構、傳動機構、執(zhí)行機構、控制機構。微調(diào)機構就屬于控制機構，由于本次比賽對軌跡精度要求很高，并且上述本組組合方案機構對于加工誤差和裝配誤差很敏感，小車的行進軌跡可能會發(fā)生偏移，加上本次大賽新要求：8字兩桿之間的距離在300mm-500mm之

14、間變化，因此就必須加上微調(diào)機構，對誤差進行修正，使小車走一條最優(yōu)的軌跡。綜合各方面的因素，使得小車真正實現(xiàn)微調(diào)，我們選用了可調(diào)節(jié)連桿機構+多組后驅(qū)動輪，通過螺栓調(diào)節(jié)連桿長度，使連著前輪的桿a長度發(fā)生變化，進而影響前輪最小擺角，加上改變輪子的直徑，使得小車走過的路程發(fā)生變化，從而改變“8”字大小的變化；圖12.可調(diào)節(jié)連桿三、技術分析：3.1建立8字軌跡理想模型：圖13.“8”字理想軌跡小車由O點出發(fā)，依次經(jīng)過A、B、O、C、D、O完成一個周期，假設抽到兩樁之間的距離是400mm，及兩圓的中心距離是400mm，R=200mm故AOD直線距離，AOD圓軌跡距離628，取平均值596.8mm所以小車一

15、個周期走過的距離：1256+596.8*2=2449.6mm設后輪走3圈為一個周期，則后輪周長為816.53mm后輪直徑D=260mm3.2、solidworks toolbox凸輪設計及其相關參數(shù)的確定：凸輪設計：凸輪作順時針方向轉(zhuǎn)動 , 從動件運動方向過凸輪盤中心線，從動件在推程作等加速等減速運動 , 在回程作余弦加速度運動。由于傳統(tǒng)的反轉(zhuǎn)法和matlab設計凸輪較為麻煩，所以本小組由小車走過的軌跡將小車分為4小段，即AB=628;BOC=596.8;CD=628;DOA=596.8算出凸輪：推程運動角92.16、回程運動角92.16、遠休止角87.84、近休止角87.84、推程628、回

16、程628、設置行程h=25，基圓半徑20通過solidworks toolbox凸輪設計，輸入各參數(shù)如下 ：基圓半徑 R0= 20mm滾子半徑 Rt= 5mm推桿行程 h= 25mm推程運動角 = 92.16遠休止角 s=87.84回程運動角 = 92.16近休止角 s=87.84從動件基本運動規(guī)律多項式一般形式 ：式中，c0,c1,c2,.,cn 為待定系數(shù)，根據(jù)凸輪工作要求由邊界條件確定。對于多項式類運動規(guī)律，當 n=2 時，從動件按等加速等減速從動件運動規(guī)律運動，因此二次多項式運動規(guī)律也稱等加速等減速從動件運動規(guī)律，其位移為凸輪轉(zhuǎn)角的二次函數(shù)，位移曲線為拋物線。二次多項式運動規(guī)律（等加速

17、等減速從動件運動規(guī)律）在多項式運動規(guī)律中，令 n=2，則有 a. 推程邊界條件求解從動件在推程的運動方程 ：前半階段（等加速階段） 后半段（等減速階段）。b. 由推程邊界條件求解從動件在回程的運動方程 ：前半階段（等加速階段） 后半段（等減速階段）。SoildworksToolbox 參數(shù)化凸輪實體建模按照步驟，在 Soildworks 菜單欄中選擇 Toolbox 工具欄Toolbox 凸輪實體參數(shù)化建模1【設置】說明 ：1）推桿類型 ：當推桿與凸輪回轉(zhuǎn)中心無偏心時選擇【平移】即可。如有偏心點擊右側(cè)的【】調(diào)相應的方向并輸入?yún)?shù)即可。2）推桿直徑 ：此處直徑在三維生成時反應為凸輪“滾子直徑”。

18、3）開始半徑 ：開始半徑即為“基圓半徑”。2【運動】將已知條件的參數(shù)輸入如圖。3【生成】1）輸入其他相關參數(shù)說明 ：1）通孔直徑 ：通孔直徑即為凸輪與機架相鏈接的內(nèi)孔直徑。2）分辨率和數(shù)值 ：分辨率即為凸輪生成的精度，分辨率越大凸輪曲面連接越光順且精度更高，但高分辨率對計算機的要求隨之更高。3）軌道曲面 ：在此選項卡內(nèi)有盤形凸輪的 3 種形態(tài)。盤形內(nèi)凸輪、盤形外凸輪、盤形槽凸輪。2）點擊生成即可繪制出凸輪的三維實體模型。圖14.toolbox仿真出的凸輪3.3、建立小車數(shù)學模型:圖16.前輪擺角由設計好的凸輪行程可知，C=12.5mm，通過計算得到小車最小擺角為故可得到a桿的長度為21；b桿的

19、長度由最終裝配決定，得b=81.36為了方便地用數(shù)學工具分析小車運行的軌跡，且不會造成重大誤差，本文對小車計算模型做5點假設： 1、考慮到在較低的運行速度下，慣性力的作用及車身自身的角速度等都可忽略； 2、小車運動過程中，車輪在地面上純滾動； 3、認為地面絕對平整，即假設小車只做平面運動； 4、小車作等速運動，不考慮切向力和空氣動力的作用；5、忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的制造誤差影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角的計算結果作為輸入。圖15.無碳小車機構簡圖結構方案確定后，需要確定小車各項具體參數(shù)。與軌跡直接相關的小車幾何參數(shù)有：前后軸距；驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪的偏置距離；后輪半徑；前輪橫桿；齒輪總傳動比；驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速；前輪轉(zhuǎn)角（）

20、。3.3.1小車轉(zhuǎn)彎狀態(tài)分析當小車向右轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角為（）時，行駛狀態(tài)如圖所示。圖16.前輪右轉(zhuǎn)狀態(tài)由圖16可看出，設小車前輪轉(zhuǎn)彎半徑為R1，后輪驅(qū)動輪轉(zhuǎn)彎半徑為R2，根據(jù)速度關系有： （1） （2）（3）當小車向左轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角為時，行駛狀態(tài)如圖17所示。圖17.前輪左轉(zhuǎn)狀態(tài)此時小車與向右轉(zhuǎn)彎時有類似的幾何關系，可得： （4） （5）簡化模型的軌跡方程A點和B 點在前輪轉(zhuǎn)角為（）時的瞬時速度，三輪車的模型可以簡化為二輪車，即自行車的模型。設二輪小車某一時刻前輪轉(zhuǎn)角為（），A 代表驅(qū)動輪軸心，B代表轉(zhuǎn)向輪軸心。在一個微小的時間段dt內(nèi)，小車由移動AB，如圖所示。當忽略二階小量d2后，圖18可以表示

21、為如圖19所示。圖18.模型實際轉(zhuǎn)彎狀態(tài)圖19.忽略高階小輛模型轉(zhuǎn)彎狀態(tài)由圖19可得出： （6） （7） （8）聯(lián)立（6）（8） （9）（10）可見是二階小量，圖19的忽略是合理的。據(jù)此可得與時間的關系，以下在直角坐標系中求小車簡化模型的軌跡方程。某時刻小車方位，dt時刻后小車位于AB，如圖20所示。圖20.直角坐標下dt時間內(nèi)小車的轉(zhuǎn)彎狀態(tài)由圖20可得： （11） （12）結合（2）式、（4）式，以， ， 為初始狀態(tài)，可得小車簡化模型中A點，即小車驅(qū)動軸上A點的軌跡方程： (13) (14) 基于小車車身上任意點在相同時刻的變化相同，不僅A點軌跡可以得到，其他點也可以用相似的式子得到。如驅(qū)動輪軸心點D 軌跡參數(shù)方程為： (15) (16) 3.1.3動力學分析模型a、驅(qū)動如圖：重物以加速度向下加速運動，繩子拉力為，有產(chǎn)生的扭矩，（其中是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設置的系數(shù)。）驅(qū)動輪受到的力矩，凸輪軸受到的扭矩，為驅(qū)動輪A受到的壓力，為驅(qū)動輪A提供的動力，有（其中是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設置的系數(shù)）b、轉(zhuǎn)向假設小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為，其大小可由赫茲公式求得，由于b比較小，故對于連桿的拉力，有c、小車行走受力分析設小車慣量為，質(zhì)心在則此時