【文章內容簡介】 實很具創(chuàng)新性，但是由于驅動部分的設計和卡筍部分的設計還有些許欠佳。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）分析與設計 彈跳小車的基本功能及其展開分析 災難的來臨無法預測，但是救援的快、及時、有效是我們的希望，讓受災之人及時脫離危險是我們的職責。 為救援研制的小車舉不勝數，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運而生。 基于上述背景，我們小組共同設計制作這 地震搜救彈跳小車。它主要利用車體上的彈簧壓縮產生彈性勢能，彈簧釋放時，作用于地面的力反作用于小車，使小車向前跳躍前進，更好的解 決了越障問題，并且當小車在行駛或翻越障礙物時發(fā)生翻車現象的情況下，我們的小車照樣能夠行駛以及跳躍。 結構方案的設計 動物的彈跳機理（以袋鼠為例） 袋鼠的跳躍運動的奧秘就在于袋鼠后腿強大的跟腱里。 通過實時動態(tài)地調整重心、起跳受力點以及起跳力度三者之間的關系，使身體保持向前運動的狀態(tài)。該方案節(jié)約能量、跳躍方式靈活機動，但是，其結構復雜，控制過程復雜，在小型小車上很難實現理想的效果。因此無法采用動物的彈跳機理。 大炮的發(fā)射原理 確定好著彈點之后，直接計算出射擊諸元如仰角、裝藥 量等，然后發(fā)射炮彈，是一個靜態(tài)過程。其結構簡單，控制過程簡單，易于實現。 最終小車采用的原理 為了小車能夠有更好的應用前景，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性能及特點 主要技術參數： ▲彈跳高度 :≤ ▲調節(jié)角度 :177。 90186。 ▲自身重量 :5kg 主要性能、特點 ▲能夠實現基本的小車行駛功能，并且小車翻車后小車亦能前進無阻 ▲彈簧壓縮蓄能以致能夠實現彈跳的能力 ▲能夠實現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） 動力設計計算 電機功率的確定 車輪電機的選擇 小車裝有兩個車輪電機，有控制電路控制，分別驅動四輪，完成小車平地行 走。 設小車的行走速度 v為 ，車輪與地面的摩擦系數 f取 ，小車自重 m為 5kg，電機功率 ? 為 ，車輪半徑 R為 50mm 小車所需功率 mgfvP? =5***= 則單個電機所需功率 ?21 PP?=3W 彈簧壓縮電機的選擇 電機的作用驅 動絲杠螺母，壓縮彈簧，積聚能量，準備彈射。由上可知電機的推力 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 f為 ，絲杠中徑 d為 15mm，摩擦面最大正壓力 Fmax=? 2+1304=1540N 則所需電機扭矩 2m axm ax dfFT ??? = 根據公式 NPT 9550? 電機的功率 P= 60w ，轉速 N= 100rpm的電機 。 舵機的選擇 舵機的作用是在小車要彈跳時，帶動擺桿支起小車到達一定角度。舵機的型號為TowerPro MG995，共兩件。 21 第 九 章 彈跳小車方案（二） 結構設計 機構及主要零件空間布置方案的確定 彈力產生機構 彈力產生機構 該部分主要由 1個電機，絲桿螺母以及彈簧組成，電機與絲桿通過固定件連接，當電機轉動時帶動絲桿旋轉，同時裝配在絲桿上的螺母會向前移動，彈簧被壓縮，卡筍能量釋放板與螺母通過螺釘固定連 接，卡筍能量釋放板會隨著螺母前進并壓縮彈簧以積蓄能量。實現其他運動方式不能越過的障礙?？倛D如圖 9所示 圖 26 彈力產生機構總圖 彈射套筒導向裝置 ，起導向作用的大套筒里聯接一個導向鍵，并且這個鍵是彈射裝置的導向件如圖 10所示。 圖 27 彈射套筒導向裝置 22 彈射套筒聯接裝置 ，電機通過聯軸器與絲桿相聯，卡筍能量釋放板與螺母固定連接，并且螺母的前進導致彈簧壓縮，起到蓄能的作用。并且彈簧在套筒的導向孔里，如圖11所示。 圖 28 彈射套筒內部裝置 驅動部分設計 驅動裝置兩個電機通過聯軸器的聯接，帶動左右前輪的旋轉以帶動后輪旋轉，達到前進的目的。如 下 圖所示 圖 29 驅動裝置 卡筍機構 由卡筍套筒、彈簧、卡筍軸組成，彈簧在卡筍套筒的孔內，并且頂住卡筍軸，而卡筍軸的的一端與彈射套筒聯接，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動的趨勢，這使小車能夠實現多次彈跳。如 下圖 所示。 23 圖 30 卡筍機構 傾斜機構 ：利用舵機與支撐桿連接，通過控制舵機的旋轉角度來實現小車的傾斜角度。 結構工藝性的考慮（鑄、鍛、切削、熱處理、檢測及裝配的工藝性等） 底板是用來支撐、固定和承載以上機構，考慮到公益性，此處采用 4mm 的鋁板，并且將其窩邊以增強強度。 大套筒是用來作為彈射套筒的導向裝置，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 電機套筒 是 用來作為固定電機以及安放軸承與聯軸器的裝置，其由鋁制作而成。如下圖 所示。 圖 32 電機套筒 支撐桿是用來支撐小車的功能因此支撐桿需進行熱處理。 將支撐桿加工到預定尺寸。 進行正火處理。 軸承的布局 前置電機的傳動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； 中央伺服電機是通過電機套通固定，電機套通一邊擋住軸承，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軸承配合處以及絲杠與滾動軸承配合處，應選用定期油潤滑；考慮結構尺寸與散熱的因素，無需密封。 26 第 十 章 彈跳小車方案（二） 主要零配件的設計與計算 傳動軸直徑的估算及驗算（包括彎曲剛度、扭轉剛度、花鍵鍵側擠壓力及危險斷面的強度等） 前后軸的計算 小車行走時： 軸的材料選用 45鋼，許用切應力 [? ]=40Mpa ,許用應力 [? ]=130Mpa ,由 此 可知電機要輸出的扭矩 (軸的扭矩 ) wPT?=VRP= 預設軸的外伸量 L=30mm，小車的整體重量 m=5kg，則每個軸受到的彎矩 4mgLM? = 由第三強度理論： ? ????W MT 22 抗彎截面系數 323dW ?? 帶入數據，解之得最小軸徑 d=4mm。 彈起后，落地： 設計小車最高跳 H=100mm ,落地瞬間到停止的時間 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=。 因為在設計過 程中要考慮軸與其它標準件間的配合，四軸的尺寸有所變化；前軸為兩驅動軸，后軸不同，前后軸的結構也有所不同，兩軸的結構尺寸如下圖所示。 27 圖 33 前輪軸（左）與后輪軸（右） 滾動絲杠、螺母副的驗算 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，許用抗拉強度 ??? =160Mpa，則 絲杠的拉應力 AF?? = 絲杠的扭轉切應力 316dT???= 由于絲杠不受彎矩 主應力 1? =? = 則絲杠的最大應力 ??? 1max ??? ??? 設計要求計算 設小車 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 =小車所需動量 mvP? =彈簧在釋放過程中，彈射筒與地面接觸，所以動量不守恒。 小車所需動能 2E 2k mv? = 設彈射時的能量利用率 ?? 75%，彈簧壓縮量 L=40mm ，彈簧剛度系數為 k， 28 則小車實際所需總能量 ?KEE?= 由 22kxE? 有 彈簧剛度系數為 k=彈簧的最大壓縮力 kxF? =1304N 彈簧的選擇與校核 彈簧為儲能元件，動作過程中通過電機帶動絲杠螺母壓縮彈簧，儲存能量，最后釋放使帶動撞擊塊沖擊地面，以此給小車一個沖量，實現跳高。材料直徑 d=3mm， 彈簧中徑 D=14mm ， 許用 應力 p? =685Mpa ，一圈彈簧剛度 dk =291Nmm1 ，有 kn p?? = 有效圈數 N=9 實際彈性系數