S形軌跡無(wú)碳小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)

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S 形軌跡無(wú)碳小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 針對(duì)第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽題目 設(shè)計(jì)一輛通過(guò)重力驅(qū)動(dòng) 的純機(jī)械結(jié)構(gòu)的無(wú)碳小車(chē) 且小車(chē)具有周期性越障功能 通過(guò)所學(xué)知識(shí) 設(shè)計(jì)并制 作該小車(chē) 參加比賽 設(shè)定不同的參數(shù) 借助工程軟件 MATLAB 對(duì)小車(chē)的軌跡進(jìn) 行仿真計(jì)算 通過(guò)分析 設(shè)計(jì)出一輛滿(mǎn)足比賽要求的小車(chē) 并且通過(guò)調(diào)試證明 小 車(chē)能夠穩(wěn)定行駛 具有較高的可靠性 關(guān)鍵詞 無(wú)碳小車(chē) 越障 軌跡 仿真 0 前言 本文針對(duì)第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽關(guān)于 S 形軌跡的要求 設(shè)計(jì)并制作了一種將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能 并且按照 S 形軌跡穩(wěn)定前行的無(wú)碳 小車(chē) 小車(chē)為三輪結(jié)構(gòu) 前輪為方向輪 后面一輪為驅(qū)動(dòng)輪 一輪為從動(dòng)輪 小車(chē) 具有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu) 以適應(yīng) 700 1300mm 間距的不同間距障礙物 1 小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本文把小車(chē)的機(jī)構(gòu)分為 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 微調(diào)機(jī)構(gòu)與車(chē)身 除了軸承 螺栓螺母等標(biāo)準(zhǔn)件可以直接選用外 小車(chē)的其余部件均使用 LY102 鋁 合金制作 本文的設(shè)計(jì)目的是使小車(chē)各部分的尺寸協(xié)調(diào) 滿(mǎn)足強(qiáng)度要求 實(shí)現(xiàn)不同 距離的越障功能 下面是各個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1 1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用重物下落時(shí)的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 從而驅(qū)動(dòng)小車(chē)前進(jìn)和轉(zhuǎn) 向的機(jī)構(gòu) 重物是 1kg 的標(biāo)準(zhǔn)砝碼 重物周?chē)侨嫉匿摴?從而約束重物的 自由度 使重物直線下降 減少了能量損失 保證了小車(chē)重心的穩(wěn)定性 重物通過(guò) 尼龍線繞在小車(chē)的繩輪上 在下降的過(guò)程中 帶動(dòng)繩輪的轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換 在實(shí)際測(cè)試中 證明了該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 能量轉(zhuǎn)化率高 成本低等特點(diǎn) 1 2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)部分是原動(dòng)機(jī)構(gòu)和小車(chē)主動(dòng)輪動(dòng)力傳遞的樞紐 本文設(shè)計(jì)的小車(chē)的傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)由后輪 一級(jí)齒輪 及其相關(guān)零件組成 由于小車(chē)具有轉(zhuǎn)向的功能 為不干擾 小車(chē)的轉(zhuǎn)向 后輪采用差速連接 小車(chē)的右后輪為主動(dòng)輪 左后輪為從動(dòng)輪 主動(dòng) 輪與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連 驅(qū)使小車(chē)的運(yùn)動(dòng) 從輪輪用軸承空套在后軸上 跟隨小車(chē)的運(yùn) 動(dòng) 為了適應(yīng)不同間距越障 同時(shí)增大小車(chē)行駛的距離 我們采用多組齒輪嚙合的 方式 將 700 1300mm 的間距大致分為三組 700 900mm 900 1100mm 1100 1300mm 分組后可根據(jù)不同障礙物間距 對(duì)應(yīng) 著不同組齒輪的嚙合 從而調(diào)整越障的幅度 與單組齒輪傳動(dòng)相比 這種傳動(dòng)方法 越過(guò)的障礙物更多 行走距離更遠(yuǎn) 下圖是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪分布圖 通過(guò)移動(dòng)后輪 軸上的齒輪組 則可以切換不同組齒輪的嚙合 圖 3 傳動(dòng)齒輪分布示意圖 根據(jù)本文設(shè)計(jì) 兩后輪輪距為 150mm 且后輪的直徑為 150mm 且保證小車(chē) 最逼近障礙物時(shí)的安全距離 即最小振幅為 200mm 下面是三組齒輪嚙合的具體 計(jì)算 在間距為 700 900mm 時(shí) 以滿(mǎn)足最大樁距 900mm 且軌跡曲線為余弦曲線 取 x 為小車(chē)軌道中心線位移 y 為小車(chē)偏離中心線位移 單位為 mm 則有 90cos 20 x 對(duì)弧長(zhǎng)進(jìn)行積分得 mdydyf xss 201 800 通過(guò)計(jì)算 當(dāng)弧長(zhǎng)為 2002mm 時(shí) 最大振幅是 330mm 此時(shí)樁距為 700mm 在間距為 900 1100mm 時(shí) 以滿(mǎn)足最大樁距 1100mm 則有 10cos 21xy 對(duì)弧長(zhǎng)進(jìn)行積分得 mdydyf xss 23701 20 在間距為 1100 1300mm 時(shí) 以滿(mǎn)足最大樁距 1300mm 則有 130cos 2xy 對(duì)弧長(zhǎng)進(jìn)行積分得 mdydyf xss 27461 260 因?yàn)槲覀兝镁€切割特種加工齒輪 齒輪的模數(shù)可以是非標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 故針對(duì)以 上三組數(shù)據(jù) 結(jié)合后輪的直徑與一個(gè)周期軌跡的弧長(zhǎng) 得到三組不同的傳動(dòng)比 計(jì) 算得到 8 5 130 0 5 1 90 25 4 90 7 2 ixixix 1 3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車(chē)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu) 是小車(chē)前進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)的重要保證 我們采用了空間曲柄連桿機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)了小車(chē)在行駛過(guò)程中 前輪左右周期性的轉(zhuǎn)動(dòng) 該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 穩(wěn)定性較高 連桿之間使用球鉸連接 摩擦阻力較小 方向輪叉 架與車(chē)身采用了推力球軸承和一對(duì)法蘭軸承 減小轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的摩擦阻力 提高轉(zhuǎn) 軸的同軸度 保證了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性 圖 6 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖 下面是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)后輪輪距為 150mm 則取曲柄與車(chē)中心線距離為 且與轉(zhuǎn)向輪mf5 連接的擺桿長(zhǎng)度也為 同時(shí)轉(zhuǎn)向輪間與后軸的距離為 根據(jù)小me5 b138 車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡 計(jì)算小車(chē)的最大轉(zhuǎn)角為樁距為 700mm 時(shí)的轉(zhuǎn)角 通過(guò)計(jì)算在樁距為 700mm 時(shí) 軌跡公式為 70cos 3xy 根據(jù)質(zhì)心處轉(zhuǎn)彎半徑與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系為 為前輪的轉(zhuǎn)角 tanr 根據(jù)小車(chē)軌跡在計(jì)算小車(chē)的曲率半徑為 y 5 12 得 轉(zhuǎn)角 此時(shí)對(duì)應(yīng)曲柄和連桿的最大合長(zhǎng)度 93 0tan 0max43 maxl 通過(guò)計(jì)算得到最大合長(zhǎng)度 且連桿長(zhǎng)度 與曲柄長(zhǎng)度 分別達(dá)l 1n 到各自的最大值 且根據(jù)長(zhǎng)度關(guān)系 得 3 9522 nmnm8 32 5 0axax 同理計(jì)算小車(chē)在樁距為 1300mm 時(shí)的最小轉(zhuǎn)角 通過(guò)軌跡和曲率半徑公式 得 轉(zhuǎn)角 此時(shí)對(duì)應(yīng)曲柄和16 tn 0in1 連桿的最小合長(zhǎng)度 minl 通過(guò)計(jì)算達(dá)到最小合長(zhǎng)度為 且曲柄和連桿分別達(dá)到各自的最ml49 0in 小值 根據(jù)長(zhǎng)度關(guān)系 得 49 10 9522 nmmnm04 9 45 9iin 綜上 連桿長(zhǎng)度 曲柄長(zhǎng)度 單位為 mm 5 832 為本文加工零件提供了參數(shù) 同時(shí)也為調(diào)試時(shí) 提供了連桿長(zhǎng)度和曲柄長(zhǎng)度的范圍 方便了后期的調(diào)試 圖 7 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維示意圖 1 4 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車(chē)柔性的體現(xiàn) 調(diào)整它能使小車(chē)能夠適應(yīng)不同的障礙物間距 無(wú)碳小車(chē)的微調(diào)主要體現(xiàn)在對(duì)曲柄長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度的微調(diào) 曲柄的長(zhǎng)度控制的是小 車(chē)行駛的周期即樁距 曲柄長(zhǎng)度越長(zhǎng) 周期越短 即適應(yīng)障礙物的間距越短 連桿 的長(zhǎng)度控制的是方向輪左右轉(zhuǎn)角多少有關(guān) 根據(jù)軌跡對(duì)稱(chēng)性 所以要調(diào)整連桿的長(zhǎng) 度 使左右轉(zhuǎn)角盡可能相等 否則軌跡就會(huì)偏離賽道 這決定了小車(chē)?yán)@樁的情況 所以曲柄長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度的調(diào)整恰當(dāng)與否是比賽時(shí)的關(guān)鍵 因?yàn)檐壽E線對(duì)兩者長(zhǎng)度 非常敏感的 所以要精確的調(diào)試兩者的長(zhǎng)度 本文使用的是類(lèi)似絲杠的機(jī)構(gòu) 用帶 螺紋的的連桿和曲柄 并用螺母鎖死 調(diào)整時(shí)擰松螺母 旋轉(zhuǎn)螺栓 改變長(zhǎng)度 這 樣可以比較精確的調(diào)整曲柄和連桿的長(zhǎng)度 提高了小車(chē)的可靠性 1 5 車(chē)身 車(chē)身是一切機(jī)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的載體 其主要承受的是重物的壓力和地面對(duì)車(chē)輪 的反作用力 為了滿(mǎn)足強(qiáng)度 本文采用 3mm 鋁合金板 對(duì)不承受力且不影響強(qiáng)度 的地方 采取鏤空處理 2 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的小車(chē)的創(chuàng)新之處在于能適應(yīng)不同的間距 采用不同傳動(dòng)比的齒輪嚙 合 減小了行駛過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)幅度 從而使小車(chē)行駛的距離更遠(yuǎn) 并且通過(guò)類(lèi)似絲 杠的微調(diào)機(jī)構(gòu) 通過(guò)擰螺絲的方式調(diào)整曲柄和連桿長(zhǎng)度 從而更加方便 精確地調(diào) 整小車(chē)的行進(jìn)間距 本文加工出了較高精度的零件 裝配后進(jìn)行了調(diào)試 實(shí)際應(yīng)用 結(jié)果表明 設(shè)計(jì)加工出的小車(chē)具有較高的穩(wěn)定性與可靠性 滿(mǎn)足比賽要求 參考文獻(xiàn) 1 王斌 無(wú)碳小車(chē) 的創(chuàng)新性設(shè)計(jì) J 山西大同大學(xué)學(xué)報(bào) 2012 2 2 楊明忠 朱家誠(chéng) 機(jī)械設(shè)計(jì) M 武漢理工大學(xué)出版社 2013 3 白雪 唐鵬達(dá) 機(jī)械傳動(dòng)無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)構(gòu)想 J 工業(yè)設(shè)計(jì) 2011 8 4 趙登峰 陳永強(qiáng) 鄧茂云 機(jī)械原理 M 西南交通大學(xué)出版社 2012 5 杜志強(qiáng) 基于 MATLAB 語(yǔ)言的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 M 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2011 118 120