機(jī)械設(shè)計(jì)大賽無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、目錄前言第1章、緒論.4 1.1 參賽主題.4 1.2 功能分析.4 1.3 設(shè)計(jì)方法.4第2章、 軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型與計(jì)算6 2.1 軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型.6 2.2 軌跡參數(shù)計(jì)算.7第3章、控制機(jī)構(gòu)選型與計(jì)算.10 3.1 控制機(jī)構(gòu)選型.10 3.2 放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).12 3.3 凸輪的設(shè)計(jì).13第4章、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型與計(jì)算16 4.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選型.16 4.2 齒輪系的設(shè)計(jì).16 4.2 尺寸參數(shù)校核.17第5章、動(dòng)力機(jī)構(gòu)選型與計(jì)算19 5.1 繞繩輪安裝位置分析.19 5.2 力分析.20 5.3 前輪轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算.23 5.4 彈簧勁度系數(shù)的計(jì)算.23 5.5 尺寸參數(shù)的獲取.23

2、 5.6 質(zhì)量屬性參數(shù)的確定.26 5.7 參數(shù)的計(jì)算.27 5.8 繞繩輪最大半徑的確定.29第6章、微調(diào)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介.30第7章、誤差分析及效率計(jì)算.31 7.1 誤差分析.31 設(shè)計(jì)誤差.31 參數(shù)誤差31 加工與裝配誤差.31 7.2 傳動(dòng)效率的計(jì)算.32 動(dòng)力機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算.32 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算.33 控制機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算.34第8章、仿真分析.35第9章、綜合評(píng)價(jià)及改進(jìn)方案.37 9.1 綜合評(píng)價(jià).37 9.2 改進(jìn)方案.39第10章、參考文獻(xiàn).40第11章、附錄.40 11.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及裝配圖.40 11.2 小車(chē)三維裝配圖及爆炸圖.42第1章 、 緒論 1.1 參賽主題 第

3、三屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽的競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽”。這次競(jìng)賽包含兩個(gè)競(jìng)賽項(xiàng)目。第一個(gè)項(xiàng)目與往屆競(jìng)賽相同，為小車(chē)走“S”形線路繞桿。競(jìng)賽項(xiàng)目二為小車(chē)走“8”字形線路繞桿。通過(guò)商量，我們選擇的競(jìng)賽項(xiàng)目為項(xiàng)目二。1.2 功能分析根據(jù)本次競(jìng)賽規(guī)定，競(jìng)賽項(xiàng)目二是小車(chē)在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)（長(zhǎng)1525mm、寬1370mm）上，繞相距一定距離的兩個(gè)障礙沿8字形軌跡繞行，繞行時(shí)不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺(tái)。障礙物為直徑20mm、長(zhǎng)200mm的2個(gè)圓棒，相距一定距離放置在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)的中線上。 小車(chē)是在重物下落所帶來(lái)的重力勢(shì)能的作用下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。因此，小車(chē)需具備能量轉(zhuǎn)換裝置、轉(zhuǎn)向控制裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)

4、構(gòu)等。1.3 設(shè)計(jì)方法在小車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該充分綜合考慮到材料、加工制造、生產(chǎn)成本等個(gè)方面因素，以保證小車(chē)的設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際，削減理論與實(shí)際之間的差距。小車(chē)實(shí)現(xiàn)繞“8”字功能，應(yīng)有相應(yīng)的軌跡，因此，在進(jìn)行小車(chē)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采用從小車(chē)的理論軌跡入手，逆向進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用發(fā)散思維，注意機(jī)構(gòu)的選型與組合，應(yīng)充分考慮到各機(jī)構(gòu)間的相互關(guān)系以及整體效應(yīng)，注意及時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。小車(chē)的設(shè)計(jì)方法是保證小車(chē)技術(shù)含量的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)方法上，我們?cè)陉P(guān)鍵部分采用參數(shù)化組合設(shè)計(jì)，以保證設(shè)計(jì)精度和方案的可行性。再設(shè)計(jì)流程上，我們循序漸進(jìn)步步為營(yíng)，同時(shí)兼顧全局。下面是我們的設(shè)計(jì)流程圖。 圖1-1

5、第2章、 軌跡和行走機(jī)構(gòu)選型及其 計(jì)算2.1 軌跡和行走機(jī)構(gòu)的選型 為了獲得最優(yōu)的理論軌跡，我們采用列舉法，進(jìn)行逐一篩選。經(jīng)過(guò)商議，列舉了以下幾種軌跡： 1、雙紐線2、互補(bǔ)正弦曲線3、相切圓4、形“8”字折線 5、其他形似“8”的曲線等雙紐線：其直角坐標(biāo)以及極坐標(biāo)方程為：(x2 + y2)2 = 2a2(x2 y2)，2=a2*cos2，由此可知極坐標(biāo)下曲線上任何一點(diǎn)的曲率半徑為。通過(guò)分析，雙紐線是所有曲線中經(jīng)過(guò)相同距離的倆個(gè)樁的路程是最短的， 同時(shí)雙紐線曲率又大變小再變大在變小，再回到出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程沒(méi)有曲率突變，所有路程都光滑過(guò)渡。但是，由于雙紐線本身的復(fù)雜性，導(dǎo)致控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的難度相當(dāng)

6、大，通過(guò)繪圖計(jì)算，發(fā)現(xiàn)四桿機(jī)構(gòu)不能同時(shí)滿足轉(zhuǎn)向及時(shí)間上的控制，而用凸輪機(jī)構(gòu)則導(dǎo)致凸輪的輪廓曲線太過(guò)復(fù)雜。互補(bǔ)正弦曲線，相切圓，折線 正弦曲線可以用四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但是由于在端點(diǎn)處存在去兩次曲率突變。相切圓、“8”字折線可以很簡(jiǎn)答的實(shí)現(xiàn)，但是也存在曲率突變的問(wèn)題，這些問(wèn)題都會(huì)嚴(yán)重影響小車(chē)的穩(wěn)定性，因此不采用這些軌跡作為理論曲線。軌跡敲定： 為了保證小車(chē)能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)八字運(yùn)動(dòng)，我們最終確定小車(chē)的理論軌跡為倆段圓弧通過(guò)倆段公切線連接。這樣既保證了小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)性，又同時(shí)使得軌跡規(guī)律性強(qiáng)，易于控制。 針對(duì)這個(gè)想法，我們?cè)O(shè)定了倆種軌跡分別如圖（2-1）、（2-2）所示。圖2-1圖2-2考慮到小車(chē)的行走機(jī)

7、構(gòu)，我們擬定了三種小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的方案，如下：方案一、后輪單輪驅(qū)動(dòng)，其他倆輪從動(dòng)方案二、后輪定時(shí)驅(qū)動(dòng)，前輪從動(dòng)方案三、后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，前輪從動(dòng)針對(duì)方案一，左輪與主動(dòng)軸通過(guò)鍵連接，后輪通過(guò)軸承與主動(dòng)軸相連，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)的差速，簡(jiǎn)單有效。針對(duì)方案二，采用齒輪系分別驅(qū)動(dòng)左右后輪，其中用互補(bǔ)的的不完全齒輪定時(shí)驅(qū)動(dòng)左輪右輪。針對(duì)方案三，通過(guò)在后輪主動(dòng)軸上安裝差速器來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。通過(guò)分析，方案一不能實(shí)現(xiàn)軌跡圖（2-1），方案二不能實(shí)現(xiàn)軌跡圖（2-2），方案三則能實(shí)現(xiàn)倆種軌跡。由于方案二和方案三需要增加許多齒輪，大大的增加了成本和機(jī)構(gòu)復(fù)雜度。況且，方案二的定時(shí)控制難度較大，而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方案三可靠度不高，因此，考慮

8、到經(jīng)濟(jì)效益以及可靠度，放棄了這兩種方案。最終選定的軌跡如圖（2-2）所示，實(shí)現(xiàn)的方式為方案一。2.2 軌跡參數(shù)計(jì)算理論軌跡的計(jì)算及參數(shù)確定： 假設(shè)：小車(chē)尺寸參數(shù)：小車(chē)寬為2c，輪距為b，前輪最大轉(zhuǎn)角為 軌跡參數(shù)：中心距為2p,圓弧半徑為R，直線斜率為k, 設(shè)定不可行區(qū)域?yàn)橹睆綖?00mm的圓。 小車(chē)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地尺寸：長(zhǎng)1525mm，寬1370mm。根據(jù)以上參數(shù)，建立直角坐標(biāo)系，理論軌跡下，可列出以下方程： 2p+2R+2c1500 .(2-1) 2 (R+2c)1350.(2-2) R100+c .(2-3) 又小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)左輪曲率半徑滿足關(guān)系：= (2-4) 轉(zhuǎn)彎時(shí)，小車(chē)曲率半徑滿足根據(jù)以上式子，

9、線性規(guī)劃取合理的值，所得結(jié)果如下：=250mm, 2p=600mm, R=250, =38.66 2c=150mm, b=200mm. 根據(jù)以上參數(shù)，可作出小車(chē)左右輪的軌跡圖（2-1）如圖所示：圖2-1 由于左輪驅(qū)動(dòng)，右輪從動(dòng)，故需計(jì)算左輪有關(guān)參數(shù)，如圖粉色曲線所示。測(cè)量計(jì)算得：主動(dòng)輪一個(gè)周期走過(guò)的路程為S=3219.23mm， 其中直線路程為：S=331.66*2=663.32mm, 弧線路程為：S1278.00*2=2556 第3章、 控制機(jī)構(gòu)選型及計(jì)算3.1 控制機(jī)構(gòu)選型根據(jù)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的軌跡，可知小車(chē)前輪轉(zhuǎn)向?yàn)殚g歇運(yùn)動(dòng)，因此可用不完全齒輪機(jī)構(gòu)，槽輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)等做小車(chē)前輪轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)。

10、在假定小車(chē)速率恒定運(yùn)動(dòng)的情況下，設(shè)小車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的速率恒定為v，周期為T(mén)。忽略過(guò)渡階段，設(shè)小車(chē)走直線的時(shí)間為t，走弧線的時(shí)間為t。根據(jù)小車(chē)一個(gè)周期內(nèi)的軌跡可繪制出小車(chē)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖 表3-1 小車(chē)運(yùn)動(dòng)循環(huán)分析0 tt t+ tt+ t2 t+ t2t+t2(t+ t)小車(chē)啟動(dòng)，走直線，前輪轉(zhuǎn)角為0度。由直線過(guò)渡到曲線，并走直線，前輪右轉(zhuǎn)度。軌跡由弧線過(guò)渡到直線，前輪回轉(zhuǎn)度。軌跡由直線再轉(zhuǎn)回到弧線，前輪左轉(zhuǎn)度。歷時(shí)t后回到起始點(diǎn)。根據(jù)上表分析，由于tt,故排不采用槽輪機(jī)構(gòu)。不完全齒輪以及凸輪機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn).令：T=60s，后輪半徑R=70mm,前輪R=20mm,左輪周長(zhǎng)C=則：左輪一周期內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)為：

11、r=半個(gè)周期內(nèi)，走直線所需圈數(shù)：r=走曲線所需圈數(shù)：r=代入數(shù)據(jù)即可求得: r=7.3194rr=0.7541rr=2.9262r根據(jù)以上計(jì)算，可知，如果用不完全齒輪，在保證一定精度的情況下，導(dǎo)致齒輪過(guò)大，且須附加鎖止機(jī)構(gòu)，因此成本科及復(fù)雜度較高。而小車(chē)實(shí)現(xiàn)理論軌跡所需控制簡(jiǎn)單，只需在必要的時(shí)候驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向即可，而不需考慮轉(zhuǎn)向這個(gè)過(guò)程。如果用凸輪搖塊機(jī)構(gòu)，只需凸輪有四段圓弧即可，所以，凸輪輪廓曲線簡(jiǎn)單，加工難度大大降低，加工精度也可相應(yīng)提高。因此，可初步設(shè)計(jì)出凸輪搖塊機(jī)構(gòu)如圖所示：凸輪推程與推桿到搖塊的距離滿足關(guān)系：=d由于=38.66，考慮到安裝，d10mm,則：=8.00mm。圖3-132

12、 放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)由2.1可知，=8.00mm，推程過(guò)大，導(dǎo)致凸輪過(guò)渡區(qū)域過(guò)大，嚴(yán)重影響控制精度。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)放大機(jī)構(gòu)來(lái)保證控制精度。故須增加放大機(jī)構(gòu)。 圖3-2為了后續(xù)設(shè)計(jì)的方便，我們對(duì)整個(gè)控制機(jī)構(gòu)做了逐步分析計(jì)算以確定其大體尺寸參數(shù)。如圖所示;圖3-3設(shè)四桿長(zhǎng)度依次為：a,b,c,d，各桿的方向向量為： ，。根據(jù)幾何關(guān)系有：+=+.(3-1).(3-2) .(3-3)=.(3-4)b.(3-5).(3-6).(3-7)根據(jù)小車(chē)尺寸，考慮到安裝問(wèn)題，選定合適參數(shù)，令a=20mm,mm,又=38.66，可求得控制機(jī)構(gòu)各尺寸參數(shù)如下：b=30mm,c=84mm,=3.76mm,=4.08mm。3

13、.3 凸輪的設(shè)計(jì)：凸輪推程為=3.76mm，回程=4.08mm，凸輪基圓半徑為，偏距e=0。T=60s,小車(chē)走直線所對(duì)應(yīng)凸輪的轉(zhuǎn)角為=36.88，走弧線所對(duì)應(yīng)的凸輪的轉(zhuǎn)角為=180=143.12。則推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下表所示：表3-2 凸輪運(yùn)動(dòng)循環(huán)分析序號(hào)凸輪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律1036.88如圖位置2所示，前輪轉(zhuǎn)角位0，推桿處于推程為的位置。236.88180推桿由上升到+，之后保持遠(yuǎn)休3180216.88回程，通過(guò)圓弧過(guò)渡，回到位置，并保持休止4216.88360推桿繼續(xù)回程，推程變?yōu)?后保持休止?fàn)顟B(tài)根據(jù)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為了提高精確度，減少過(guò)渡時(shí)間，并且保證過(guò)渡平滑減少?zèng)_擊，同時(shí)考慮到整體尺

14、寸，設(shè)定凸輪基圓半徑mm,滾子半徑為7mm,則大圓弧半徑為，小圓弧半徑為，可設(shè)計(jì)圖輪輪廓曲線如下圖（3-4）所示：圖3-4根據(jù)以上設(shè)計(jì)，可繪制控制機(jī)構(gòu)總體部署如圖（3-5）所示：圖3-5第4章、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及計(jì)算4.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型重物下落產(chǎn)生的動(dòng)力需要經(jīng)過(guò)一定的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)速后傳動(dòng)到凸輪以驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使前輪轉(zhuǎn)向。凸輪做整周定速運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)末端構(gòu)件能做整周圓周運(yùn)動(dòng)，而傳動(dòng)機(jī)構(gòu)前端也是整周運(yùn)轉(zhuǎn)構(gòu)件，所以，可以考慮使用帶輪、齒輪、鏈輪為傳動(dòng)主機(jī)構(gòu)。由于小車(chē)整體尺寸比較小，傳動(dòng)距離較短，所以帶輪以及鏈輪機(jī)構(gòu)不能表現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，而且這倆種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率低，精度不夠高。再考慮到結(jié)構(gòu)方面，齒輪機(jī)構(gòu)是

15、最好的選擇。4.2 齒輪系的設(shè)計(jì)左輪轉(zhuǎn)速：凸輪轉(zhuǎn)速：總傳動(dòng)比為：7.3606因此，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)?？紤]到小車(chē)整體尺寸以及加工精度和難度問(wèn)題，取齒輪的模數(shù)為m=1.5。標(biāo)準(zhǔn)齒輪,各齒輪參數(shù)如下表：表4-1 齒輪參數(shù)序號(hào)MZAlpha(壓力角)/度d/毫米da/毫米df/毫米db/毫米b（齒寬）/毫米11.5202030.0033.0026.2528.192021.5502075.0078.0071.2570.481031.5202030.0033.0026.2528.192041.5592088.5091.5084.7583.16104.3齒輪尺寸校核：各齒輪模數(shù)等參數(shù)都一致，且

16、Z=,17，如果齒數(shù)最大的齒輪滿足齒厚條件，則其他各齒輪也將滿足條件。m=1.5,z=59,alpha=20,則，分度圓齒厚：s=齒頂圓半徑 基圓半徑齒頂圓壓力角：則齒頂厚度：s求得：，代入式：得滿足齒厚條件條件。所以，所有齒輪都不會(huì)有齒廓變尖的情況。整理設(shè)計(jì)后的齒輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如下圖所示：圖4-1第5章、 動(dòng)力機(jī)構(gòu)選型及計(jì)算 動(dòng)力機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向的原動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其輸入能量為鐵塊下落所提供的重力勢(shì)能，輸出為驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。就機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)形式而言，用繞繩輪直接連接驅(qū)動(dòng)軸作為動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)最為簡(jiǎn)便，能量損耗最低。因此，動(dòng)力機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵在于繞繩輪的設(shè)計(jì)。 小車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)停止

17、三個(gè)階段，在啟動(dòng)階段，小車(chē)需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)推動(dòng)小車(chē)前進(jìn)，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段要求小車(chē)的加速度很小，即驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定不變，停車(chē)階段主要是能量消耗完畢，動(dòng)能逐漸減少的零，是自動(dòng)的過(guò)程。因此，需要初步計(jì)算出小車(chē)的啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩以及穩(wěn)定運(yùn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)力矩。5.1 繞繩輪安裝位置的確定理論上，繞繩輪安裝在任何一根軸上都能實(shí)現(xiàn)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，但是，考慮到傳動(dòng)效率以及車(chē)體穩(wěn)定性問(wèn)題，把繞繩輪安裝在驅(qū)動(dòng)輪軸上最合適。理由如下：如圖（4-1）定軸齒輪系設(shè)：后輪驅(qū)動(dòng)阻力矩為：，前輪轉(zhuǎn)向阻力矩為：1、假設(shè)繞繩輪樁在齒輪2的輪軸上，重物下落通過(guò)繞繩輪產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩為，則傳遞到齒輪1所在輪軸上的力矩變?yōu)?，因此齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)存

18、在扭矩改變的問(wèn)題，而 ，若果繞繩輪不安裝在驅(qū)動(dòng)輪輪軸上的話，會(huì)導(dǎo)致齒輪系傳力負(fù)荷過(guò)大，一方面會(huì)降低傳動(dòng)效率，另一方面會(huì)加速齒輪磨損，而且對(duì)齒輪的各方面性能要求更高。因此，把繞繩輪安裝在驅(qū)動(dòng)輪輪軸最合適。5.2 控制過(guò)程力分析 根據(jù)小車(chē)的軌跡，前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)一個(gè)周期共分為四個(gè)階段，只有在過(guò)渡階段存在力的改變，轉(zhuǎn)向力矩的計(jì)算; 前輪轉(zhuǎn)向阻力矩為：。摩擦系數(shù)：各構(gòu)件材料均采用5A05鋁合金，滑動(dòng)摩擦系數(shù)為：，與木板的滾動(dòng)摩阻系數(shù)：0.36/mm，摩擦圓半徑為，各構(gòu)件長(zhǎng)為：，轉(zhuǎn)動(dòng)副銷(xiāo)釘半徑為R，彈簧的勁度系數(shù)為k，推桿最大推程p,暫態(tài)推程為x。對(duì)轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)做力分想，析： 階段4： 圖5-1過(guò)渡階段4，

19、各構(gòu)件的狀態(tài)如圖（5-1）所示，對(duì)構(gòu)件分別做力分析受力分析圖（5-3）如下圖5-2-1圖5-2-2 圖5-2-3 圖5-2-4 圖5-2-5 對(duì)構(gòu)件1有： （5-1)對(duì)構(gòu)件2有： .(5-2)對(duì)構(gòu)建3有： .(5-3)對(duì)構(gòu)件4有： .(5-4)對(duì)構(gòu)件5有： (5-5)聯(lián)立上述5式，求得： (5-6)忽略摩擦的情況下：同樣對(duì)各構(gòu)件分別做力分析可求得： (5-7)其中： .(5-8)代入數(shù)值得：=0.66mm.(5-9) .(5-10)5.3 前輪轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算： 前輪在車(chē)體重力的作用下發(fā)生變形，由于力很小，前輪變形極小，故可假設(shè)前輪與地面接觸面為一半徑為R深為的圓柱。則，前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩為：

20、(5-11) 積分得： (5-12) 其中：(5-13)5.4 彈簧勁度系數(shù)的計(jì)算： 為了保證第二過(guò)渡階段彈簧能驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，其勁度系數(shù)與阻力矩滿足以下關(guān)系： .(5-14) .(5-15) 5.5 參數(shù)的獲?。涸谶^(guò)渡階段，前輪的轉(zhuǎn)角處于漸變階段，為了獲取合適的參數(shù)，我們采用作圖法來(lái)獲取特殊點(diǎn)參數(shù)，以求得最大的驅(qū)動(dòng)力矩。由于實(shí)際加工與裝配過(guò)程中會(huì)有較大的誤差，因此，這些理論計(jì)算的出的數(shù)據(jù)只能作為一個(gè)參考，實(shí)際繞繩輪的大小可能還需經(jīng)過(guò)一定的調(diào)整。如下圖(5-4)所示：通過(guò)作一系列的輔助線，量取相應(yīng)的尺寸即可。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心到對(duì)應(yīng)位置滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離即連心線長(zhǎng)為，到滾子與凸輪接觸處切線的法線的距

21、離為d，連心線與法線的夾角為。圖5-3測(cè)得階段四與階段二的參數(shù)如下表：表5-1 階段四數(shù)據(jù)d8.6013.0119.841.4811.9024.301.4739.6410.0614.702.466.3514.984.65表5-2 階段二數(shù)據(jù)d42.9513.4118.121.692.9815.744.8543.989.9313.052.722.7626.177.825.6 質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的確定：通過(guò)三維造型，設(shè)計(jì)好零件并組裝成裝配圖之后，定義了各個(gè)零件的質(zhì)量屬性，通過(guò)proe分析測(cè)量，獲得了小車(chē)的質(zhì)量，重心（如圖（5-5）線圈內(nèi)的坐標(biāo)系）等數(shù)據(jù)，記錄如下：圖5-4體積 = 5.7502203e+

22、05 毫米3曲面面積 = 3.0700972e+05 毫米2平均密度 = 4.0046427e-09 公噸 / 毫米3質(zhì)量 = 2.3027578e-03 公噸 根據(jù) PRT_CSYS_DEF 坐標(biāo)邊框確定重心:X Y Z 4.9962801e+01 1.5108786e+02 7.8382376e+01 毫米5.7 參數(shù)的確定根據(jù)以上參數(shù)，可以計(jì)算出，在加上鐵塊后，各個(gè)輪子所受正壓力：設(shè)，前輪為C，后輪左輪為A，右輪為B。如圖（5-6）所示：圖5-5參照坐標(biāo)系在m處，測(cè)得小車(chē)重心坐標(biāo)系在n處。對(duì)小車(chē)整體受力分析有：.(5-16).(5-17)(5-18)代入數(shù)值，求得：代入式 :0.0003

23、 Nm (R=0.089mm)(5-19),第四過(guò)渡階段mm，第二過(guò)渡階段mm，k=24.32 N/m左輪的滾動(dòng)摩阻：,代入數(shù)值：得8.13Nmm第四階段：58.20Nmm 55.75Nmm第二階段： 0.165N =72.06Nmm 68.56Nmm因此，加在繞繩輪上的最大阻力矩為：80.19Nmm(5-20)5.8 繞繩輪最大半徑的確定：如圖所示：繞繩輪的半徑為鐵塊重力為G=9.8N平衡狀態(tài)下繞繩輪的受力關(guān)系滿足下式：代入數(shù)據(jù)，解得：=8.18mm圖5-6至此，所車(chē)體有構(gòu)件尺寸均已確定。第6章 微調(diào)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 由于存在加工誤差和轉(zhuǎn)配誤差，并且，小車(chē)轉(zhuǎn)向存在過(guò)渡階段，因此，小車(chē)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡將會(huì)

24、與理論軌跡有一定的偏差，為了是小車(chē)盡可地能實(shí)現(xiàn)盡量多的完整8字繞行，必要的微調(diào)機(jī)構(gòu)是比不可少的。小車(chē)轉(zhuǎn)彎的曲率半徑由車(chē)體尺寸以及前輪轉(zhuǎn)角決定，但是，車(chē)子一旦加工完成，車(chē)體尺寸無(wú)法改動(dòng)，因此，可以通過(guò)改變前輪轉(zhuǎn)角來(lái)調(diào)整小車(chē)的形勢(shì)軌跡。如圖所示：圖6-1控制前輪轉(zhuǎn)向的搖桿通過(guò)螺釘固定連接，但是螺釘相對(duì)于搖桿的位置式可調(diào)的，通過(guò)改變其相對(duì)位置來(lái)改變搖桿的長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)前輪的轉(zhuǎn)角 。第7章、誤差分析及效率計(jì)算7.1 誤差分析 設(shè)計(jì)誤差在進(jìn)行小車(chē)的設(shè)計(jì)時(shí)，添加了一些理想化設(shè)計(jì)，如在假定小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)的情況下完成整個(gè)軌跡，據(jù)此選定和似的參數(shù)，設(shè)計(jì)出了前輪轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)。實(shí)際中，小車(chē)不可能做完全的勻速運(yùn)動(dòng)，必

25、定會(huì)有速度的波動(dòng)，此外，由于小車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，不可能突變，過(guò)渡階段很關(guān)鍵地影響著小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡，雖然，我們通過(guò)放大機(jī)構(gòu)來(lái)提高精度，但是，任然存在一定的誤差，因此，在控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上存在誤差。7.1.2 參數(shù)誤差在第5章所進(jìn)行的力分析時(shí)，采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)，涉及到許多的參數(shù)，如鋁合金與木板的滑動(dòng)摩擦因素以及滾動(dòng)摩阻系數(shù)等，在計(jì)算前輪的變形時(shí)，使用的尼龍?jiān)S用應(yīng)力也與現(xiàn)實(shí)存在一定的差距。因此，在繞繩輪的設(shè)計(jì)上存在一定的誤差，但是這個(gè)誤差可以通過(guò)更換繞繩輪來(lái)的待解決。 加工誤差及裝配誤差 加工誤差和裝配誤差的存在，必定會(huì)導(dǎo)致小車(chē)運(yùn)動(dòng)的偏差，然而這個(gè)誤差是可以調(diào)節(jié)的。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們考慮到加工的問(wèn)題，使

26、設(shè)計(jì)出的零件盡可能地易于加工，減少成本，因而大大的減少了加工誤差。然而，對(duì)裝配的誤差考慮較少，造成整體結(jié)構(gòu)不夠緊湊，裝配誤差比較大。因此，在后續(xù)的過(guò)程程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化。 7.2 效率的計(jì)算小車(chē)主體由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成。令各機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率為、 、，則小車(chē)整體的機(jī)械效率為：動(dòng)力機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率如圖 所示，繞繩輪與后輪轉(zhuǎn)軸直接固定連接，繩子與定滑輪以及繞繩輪只存在滾動(dòng)摩擦（或者存在極少量的滑動(dòng)摩擦，故可忽略不計(jì)），因此能量的損耗只在于滑輪與滑輪軸之間的摩擦損耗?；喓突嗇S的材料都是采用5A05鋁合金，其滑動(dòng)摩擦因數(shù)為f=0.14，滑輪半徑=22mm，滑輪與滑

27、輪軸組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦圓曲率半徑為。 對(duì)滑輪受力分析如下圖(7-1)所示：圖7-1對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心由平衡條件可得： .(7-1) .(7-2)聯(lián)立可求得： T=.(7-3)忽略摩擦的情況下，同理可求得： .(7-4)又， .(7-5)聯(lián)立 代入數(shù)據(jù)，求得：95.9%.(7-6) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算查閱資料可知，8級(jí)精度的直齒圓柱齒輪在有席油潤(rùn)滑的情況下的傳動(dòng)效率為97%。由于，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩級(jí)齒輪副傳動(dòng)，因此，可計(jì)算出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總機(jī)械效率為： =94.1%.(7-7)轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率的計(jì)算過(guò)渡階段，前輪轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率可有式 計(jì)算可得。聯(lián)立式 有： (7-8)取最大傳動(dòng)力矩位置的參數(shù)做計(jì)算，求得： =93.6%.(7-9)綜合式(7-6)、(7-7)、(7-9)可得： %.(7-10)第8章、仿真分析 通過(guò)對(duì)小車(chē)進(jìn)行機(jī)構(gòu)連接，我們對(duì)小車(chē)做了運(yùn)動(dòng)仿真分析。輸出了仿真動(dòng)畫(huà)，以及小車(chē)前輪的轉(zhuǎn)速，角加速度和角位移圖象，如下圖所示：圖8-1通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)前輪最大轉(zhuǎn)角分別為：34.96度、38.46度。與理論設(shè)計(jì)的角度38.66存在一定的誤差。在時(shí)間上，通過(guò)測(cè)量，過(guò)渡階段主要分配在小車(chē)走弧線的階段，過(guò)渡階段的時(shí)間為3.5秒，走直線的時(shí)間為6.02秒，走弧線的時(shí)間為20.37秒。 小車(chē)前輪角速度和角加速度圖象如圖（8-2）所示，通過(guò)測(cè)量，小車(chē)前輪的最大加速度如圖第一個(gè)波