無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計報告

1、第三屆山東大學(xué)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽結(jié)構(gòu)設(shè)計報告總 頁第 1 頁產(chǎn)品名稱：無碳小車編號1、 設(shè)計概述設(shè)計原則：A.整車的重心要低，操作、調(diào)整方便靈活；B.結(jié)構(gòu)盡量簡單，傳動件數(shù)少；C.質(zhì)量小，足夠的剛度，振動?。?、 設(shè)計方案按照命題要求小車必須具有方向自控功能, 繞過直線布置的每隔1 米1 個障礙物的要求。小車必須左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向, 在速度一定的前提下, 必須要保證小車的運動軌跡曲率是連續(xù)變化的, 小車才能平穩(wěn)行駛。因此, 曲柄勻速轉(zhuǎn)動, 搖桿左右勻速擺動的曲柄搖桿機構(gòu)可以作為轉(zhuǎn)向機構(gòu), 小車運行軌跡接近正弦曲線, 曲率變化連續(xù)。從滾筒軸的回轉(zhuǎn)運動到控制前輪轉(zhuǎn)向的搖桿的水平擺

2、動, 需要把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動, 以實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。要實現(xiàn)把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動, 可以選用變形的曲柄搖桿機構(gòu)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的方案，見下圖4。曲柄搖桿機構(gòu)中的曲柄回轉(zhuǎn)中心(即滾筒軸軸心) 應(yīng)與搖桿的擺動平面等高,保證機構(gòu)無急回特性, 曲柄作等速轉(zhuǎn)動, 搖桿擺動時左右行程的平均速度相等, 即使得前輪左右擺幅相同, 按照指定軌跡行駛。把鉛垂平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動是個三維空間的運動轉(zhuǎn)換, 通用的曲柄搖桿機構(gòu)不能完成三維空間的運動轉(zhuǎn)換, 因此必須采用雙球型關(guān)節(jié)的連桿, 使得水平與垂直方向的自由度都不受約束。為了提高運行過程的精度和降低加工難度，可設(shè)計成四個圓柱關(guān)節(jié), 安裝成

3、水平和豎直形式(如下圖4 所示), 代替雙球型關(guān)節(jié), 最終實現(xiàn)了與滾筒軸連接的曲柄的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為搖桿的水平運動, 搖桿在水平面內(nèi)擺動, 使得前輪左右擺幅相同, 實現(xiàn)了小車前輪的轉(zhuǎn)向問題, 且保證了傳動的準(zhǔn)確。 根據(jù)圖2 行走示意圖, 采用余弦函數(shù): Y-035cosx, 周期T2 m 的曲線擬合小車行駛路徑 圖1：小車的三維視圖較為合理。求導(dǎo)得到在每個位置的轉(zhuǎn)角的正切大小: Y035 sinx, 通過數(shù)據(jù)查閱，可以得到前輪的最大轉(zhuǎn)角為36。小車的1 個周期的路徑長度約為2 433 mm, 也就是滾筒軸回轉(zhuǎn)一周, 擺桿要往復(fù)一次, 后輪行駛2 433 mm, 即id2 433mm。當(dāng)i5 時,

4、 d155 mm, 滿足采用一級變速, 傳動比較小, 后輪直徑也比較適中, 重心較低的要求。確定后輪直徑為155mm, 前輪直徑36mm。采用小模數(shù)齒輪, 增加齒數(shù), 增大齒輪嚙合重合度, 可提高傳動精度, 彌補齒輪制造精度差。因此選擇齒輪模數(shù)為1, 大齒輪Z1100, 小齒輪 圖2：小車的行駛路線Z220,中心距為50 mm。用曲柄搖桿機構(gòu)來實現(xiàn)前輪的左右均勻擺動,見圖5。必須滿足12180的條件。按最小傳動角設(shè)計行程速比系數(shù)k1(12180)的曲柄搖桿機構(gòu)。根據(jù)已知的12、12 及選定的最小傳動角min 及角, 然后查表及結(jié)合下列公式計算各構(gòu)件相對長度。通過計算，初取曲柄長度a=18mm，

5、連桿長度b=119.5mm，搖桿長度c=58mm，機架長度d=132mm?？紤]到可調(diào)性, 設(shè)置微調(diào)結(jié)構(gòu), 在搖桿處設(shè)置調(diào)長螺桿。底板選用厚度為4 mm 的鋁合金板料,尺寸定為208 mm 100 mm。小車運行起來按避障要求左右轉(zhuǎn)向,牽引繩帶動重塊在重力的作用下將大幅擺動,因此, 將重物支撐桿設(shè)計成由三根中空管按等邊三角形布置, 圍成一個中間恰好通過直徑50 mm 的重塊,達(dá)到車體運行中良好的平衡。另外, 也可以通過降低小車底板距離地面的高度來降低整車的重心,為此將小車底板折彎, 滿足整車重心降低的需要, 在滾筒軸上安裝大齒輪的對應(yīng)部位將小車底板銑出長孔, 使得大齒輪轉(zhuǎn)動不與底板干涉。整個車(包括重塊及負(fù)載重量塊)的重心居于小車三個輪構(gòu)成的三角形的形心上, 保證小車的平穩(wěn)運行，見下圖3。齒輪傳動效率可高達(dá)98%, 因此可以很好的提高能量利用率?？紤]到啟動時, 需要的力矩大, 而在小車行駛的過程中, 運動平穩(wěn)有慣性,需要的力矩小, 因此在滾筒軸上設(shè)計一個錐形滾筒。必須將滾筒軸的動力輸出用嚴(yán)格的定傳動比輸出到后輪軸及前輪的轉(zhuǎn)向裝置上, 實現(xiàn)后輪的行程與前輪的轉(zhuǎn)向相匹配, 這也是選擇用齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動的主要原因。另外在布置上也要考慮軸的兩支承跨距盡量要小, 軸伸尺寸盡量短, 齒輪盡量靠近支承處(如滾筒軸的設(shè)計), 來提高內(nèi)傳動鏈的運動精度。