【文章內(nèi)容簡介】 方案（一） 的原理確實(shí)很具創(chuàng)新性，但是由于驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)和卡筍部分的設(shè)計(jì)還有些許欠佳。所以，彈跳小 車的最終方案用方案（二）。 18 第 七 章 彈跳小車方案（二）分析與設(shè)計(jì) 彈跳小車的基本功能及其展開分析 災(zāi)難的來臨無法預(yù)測，但是救援的快、及時(shí)、有效是我們的希望，讓受災(zāi)之人及時(shí)脫離危險(xiǎn)是我們的職責(zé)。 為救援研制的小車舉不勝數(shù)，并且隨著小車的飛速發(fā)展，小車的功能日新月異，但目前大部分小車都存在翻越障礙等問題，因此救援彈跳小車應(yīng)運(yùn)而生。 基于上述背景，我們小組共同設(shè)計(jì)制作這 地震搜救彈跳小車。它主要利用車體上的彈簧壓縮產(chǎn)生彈性勢能，彈簧釋放時(shí)，作用于地面的力反作用于小車，使小車向前 跳躍前進(jìn)，更好的解決了越障問題，并且當(dāng)小車在行駛或翻越障礙物時(shí)發(fā)生翻車現(xiàn)象的情況下，我們的小車照樣能夠行駛以及跳躍。 結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 動(dòng)物的彈跳機(jī)理（以袋鼠為例） 袋鼠的跳躍運(yùn)動(dòng)的奧秘就在于袋鼠后腿強(qiáng)大的跟腱里。 通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整重心、起跳受力點(diǎn)以及起跳力度三者之間的關(guān)系，使身體保持向前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。該方案節(jié)約能量、跳躍方式靈活機(jī)動(dòng)，但是，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制過程復(fù)雜，在小型小車上很難實(shí)現(xiàn)理想的效果。因此無法采用動(dòng)物的彈跳機(jī)理。 大炮的發(fā)射原理 確定好著彈點(diǎn)之后，直接計(jì)算出射 擊諸元如仰角、裝藥量等，然后發(fā)射炮彈，是一個(gè)靜態(tài)過程。其結(jié)構(gòu)簡單，控制過程簡單，易于實(shí)現(xiàn)。 最終小車采用的原理 為了小車能夠有更好的應(yīng)用前景，以及為了有更好的創(chuàng)新性，綜合考慮，彈跳小車的跳躍方式模仿大炮原理。不過大炮由用壓縮彈簧積聚的能量代替火藥產(chǎn)生的能量，如 下圖 所示 。 19 圖 25 彈跳小車方案 彈跳小車的主要技術(shù)性能及特點(diǎn) 主要技術(shù)參數(shù)： ▲彈跳高度 :≤ ▲調(diào)節(jié)角度 :177。 90186。 ▲自身重量 :5kg 主要性能、特點(diǎn) ▲能夠?qū)崿F(xiàn)基本的小車行駛功能，并且小車翻車后小車亦能前進(jìn)無阻 ▲彈簧壓縮蓄能以致能夠?qū)崿F(xiàn)彈跳的能力 ▲能夠?qū)崿F(xiàn)支撐小車形成一定的角度，小車翻車后亦能支撐一定的角度 20 第 八 章 彈跳小車方案（二） 動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算 電機(jī)功率的確定 車輪電機(jī)的選擇 小車裝有兩個(gè)車輪電機(jī)，有控制電路控制，分別驅(qū)動(dòng)四輪，完 成小車平地行走。 設(shè)小車的行走速度 v為 ，車輪與地面的摩擦系數(shù) f取 ，小車自重 m為 5kg，電機(jī)功率 ? 為 ，車輪半徑 R為 50mm 小車所需功率 mgfvP? =5***= 則單個(gè)電機(jī)所需功率 ?21 PP?=3W 彈簧壓縮電機(jī)的選擇 電機(jī)的作用驅(qū)動(dòng)絲杠螺母，壓縮彈簧，積聚能量，準(zhǔn)備彈射。由上可知電機(jī)的推力 F等于彈簧壓力加上解脫卡筍的推力，取絲杠與螺母之間的靜摩擦系數(shù) f為 ，絲杠中徑 d為 15mm，摩擦面最大正壓力 Fmax=? 2+1304=1540N 則所需電機(jī)扭矩 2m a xm a x dfFT ??? = 根據(jù)公式 NPT 9550? 電機(jī)的功率 P= 60w ，轉(zhuǎn)速 N= 100rpm的電機(jī) 。 舵機(jī)的選擇 舵機(jī)的作用是在小車要彈跳時(shí)，帶動(dòng)擺桿支起小車到達(dá)一定角度。舵機(jī)的型號(hào)為TowerPro MG995，共兩件。 21 第 九 章 彈跳小車方案（二） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)構(gòu)及主要零件空間布置方案的確定 彈力產(chǎn)生機(jī)構(gòu) 彈力產(chǎn)生機(jī)構(gòu) 該部分主要由 1個(gè)電機(jī)，絲桿螺母以及彈簧組成，電機(jī)與絲桿通過固定件連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，同時(shí)裝配在絲桿上的螺母會(huì)向前移動(dòng)，彈簧被壓縮，卡筍能量釋放板與螺母通 過螺釘固定連接，卡筍能量釋放板會(huì)隨著螺母前進(jìn)并壓縮彈簧以積蓄能量。實(shí)現(xiàn)其他運(yùn)動(dòng)方式不能越過的障礙?？倛D如圖 9所示 圖 26 彈力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)總圖 彈射套筒導(dǎo)向裝置 ，起導(dǎo)向作用的大套筒里聯(lián)接一個(gè)導(dǎo)向鍵，并且這個(gè)鍵是彈射裝置的導(dǎo)向件如圖 10所示。 圖 27 彈射套筒導(dǎo)向裝置 22 彈射套筒聯(lián)接裝置 ，電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲桿相聯(lián)，卡筍能量釋放板與螺母固定連接，并且螺母的前進(jìn)導(dǎo)致彈簧壓縮，起到蓄能的作用。并且彈簧在套筒的導(dǎo)向孔里，如圖11所示。 圖 28 彈射套筒內(nèi)部裝置 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)裝置兩個(gè)電機(jī)通過聯(lián)軸器的聯(lián)接，帶動(dòng)左右前輪的旋轉(zhuǎn)以帶動(dòng)后輪旋轉(zhuǎn)，達(dá)到前進(jìn)的目的。如 下 圖所示 圖 29 驅(qū)動(dòng)裝置 卡筍機(jī)構(gòu) 由卡筍套筒、彈簧、卡筍軸組成，彈簧在卡筍套筒的孔內(nèi)，并且頂住卡筍軸，而卡筍軸的的一端與彈射套筒聯(lián)接，使彈射套筒能夠積蓄能量。并且被彈簧頂住的卡筍軸有向小車中心運(yùn)動(dòng)的趨勢，這使小車能夠?qū)崿F(xiàn)多次彈跳。如 下圖 所示。 23 圖 30 卡 筍機(jī)構(gòu) 傾斜機(jī)構(gòu) ：利用舵機(jī)與支撐桿連接，通過控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)小車的傾斜角度。 結(jié)構(gòu)工藝性的考慮（鑄、鍛、切削、熱處理、檢測及裝配的工藝性等） 底板是用來支撐、固定和承載以上機(jī)構(gòu)，考慮到公益性，此處采用 4mm 的鋁板，并且將其窩邊以增強(qiáng)強(qiáng)度。 大套筒是用來作為彈射套筒的導(dǎo)向裝置，其由鋁制作而成。如圖 14 所示。 將鋁件車成Φ 82的圓筒 將圓筒銑成尺寸為 55mm*60mm*87mm 鉆孔 24 圖 31 大套筒 電機(jī)套筒 是 用來作為 固定電機(jī)以及安放軸承與聯(lián)軸器的裝置，其由鋁制作而成。如下圖 所示。 圖 32 電機(jī)套筒 支撐桿是用來支撐小車的功能因此支撐桿需進(jìn)行熱處理。 將支撐桿加工到預(yù)定尺寸。 進(jìn)行正火處理。 軸承的布局 前置電機(jī)的傳動(dòng)軸的軸承是通過軸承座固定，軸承座的一邊擋住軸承，另一邊通過 25 螺釘將其固定； 中央伺服電機(jī)是通過電機(jī)套通固定，電機(jī)套通一邊擋住軸承，并且利用螺釘將軸承另一邊擋住，以致固定軸承。 潤滑與密封方式的選擇 需要潤滑的地方是輪軸與滾動(dòng)軸承配合處以及絲杠與滾動(dòng)軸 承配合處，應(yīng)選用定期油潤滑；考慮結(jié)構(gòu)尺寸與散熱的因素，無需密封。 26 第 十 章 彈跳小車方案（二） 主要零配件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 傳動(dòng)軸直徑的估算及驗(yàn)算（包括彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、花鍵鍵側(cè)擠壓力及危險(xiǎn)斷面的強(qiáng)度等） 前后軸的計(jì)算 小車行走時(shí)： 軸的材料選用 45鋼，許用切應(yīng)力 [? ]=40Mpa ,許用應(yīng)力 [? ]=130Mpa ,由 此 可知電機(jī)要輸出的扭矩 (軸的扭矩 ) wPT? =VRP = 預(yù)設(shè)軸的外伸量 L=30mm，小車的整體重量 m=5kg，則每個(gè)軸受到的彎矩 4mgLM? = 由第三強(qiáng)度理論： ? ????W MT 22 抗彎截面系數(shù) 323dW ?? 帶入數(shù)據(jù)，解之得最小軸徑 d=4mm。 彈起后，落地： 設(shè)計(jì)小車最高跳 H=100mm ,落地瞬間到停止的時(shí)間 T= ， 由 公式 gHVV t 2022 ?? ，最后速度 Vt=0 ?V0=由 mvFt △? 小車著地后的平均沖擊力 F=5*此時(shí)輪軸受到的只有彎矩，每根軸的彎矩 M=70*由公式 ? ??? ?332dM ?最小直徑 d=。 因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中要考慮軸與其它標(biāo)準(zhǔn)件間的配合，四軸的尺寸有所變化；前軸為兩驅(qū)動(dòng)軸，后軸不同 ，前后軸的結(jié)構(gòu)也有所不同，兩軸的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示。 27 圖 33 前輪軸（左）與后輪軸（右） 滾動(dòng) 絲杠、螺母副的驗(yàn)算 絲杠螺母傳遞的最大力 F為 1540N，最大扭矩 T為 ，絲杠小徑 d為 12mm，材料為45鋼，表面硬化處理，許用抗拉強(qiáng)度 ??? =160Mpa，則 絲杠的拉應(yīng)力 AF?? = 絲杠的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 316dT???= 由于絲杠不受彎矩 主應(yīng)力 1? =? = 則絲杠的最大應(yīng)力 ??? 1m ax ??? ??? 設(shè)計(jì)要求計(jì)算 設(shè)小車 m為 5kg，彈跳高度 h為 100mm，彈射角度為 60176。，豎著方向的速度 vt 由 gh20vt2 ?? 有 Vt=則沿著彈射方向的速度 ?? 30cos1 tVV =小車所需動(dòng)量 mvP? =彈簧在釋放過程中，彈射筒與地面接觸，所以動(dòng)量不守恒。 小車所需動(dòng)能 2E 2k mv? = 設(shè)彈射時(shí)的能量利用率 ?? 75%，彈簧壓縮量 L=40mm ，彈簧剛度系數(shù)為 k， 28 則小車實(shí)際所需總能量 ?KEE?= 由 22kxE? 有 彈簧剛度系數(shù)為 k=彈簧的最大壓縮力 kxF? =1304N 彈簧的選擇與校核 彈簧為儲(chǔ)能元件，動(dòng)作過程中通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母壓縮彈簧，儲(chǔ)存能量，最后釋放使帶動(dòng)撞擊塊沖擊地面，以此給小車一個(gè)沖量，實(shí)現(xiàn)跳高。材料直徑 d=3mm， 彈簧中徑 D=14mm ， 許用應(yīng)力 p? =685Mpa ，一圈彈簧剛度 dk =291Nmm1 ，有 kn p?? = 有效圈數(shù) N=9 實(shí)際彈性系數(shù)