【正文】 3 無碳越障小車各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 無碳越障小車部分零件的設(shè)計(jì) 小車零件總體來說結(jié)構(gòu)要簡單易于加工。 mNk /116min ? 則取彈簧的勁度系數(shù)為 mNmN /600~/350 皆滿足條件。 圖 推桿固定件 推桿固定件與推桿之間需要彈簧力使 凸輪 與 推桿 保持接觸，彈簧受力分析 : 最初力矩： FRM? ]8[ ,按照機(jī)械傳遞效率為 80%計(jì)算。 故可得到 a桿的長度為 17； b桿的長度由最終裝配決定，得 b=83。 圖 凸輪 三維實(shí)體模型 推桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 推桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括推桿的設(shè)計(jì)和推桿固定件的設(shè)計(jì) （ 1）推桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。盤形內(nèi)凸輪、盤形外凸輪、盤形槽凸輪。 2）分辨率和數(shù)值 ：分辨率即為凸輪生成的精度，分辨率越大凸輪曲面連接越光順且精度更高，但高分辨率對(duì)計(jì)算機(jī)的要求隨之更高。 2【運(yùn)動(dòng)】將已知條件的參數(shù)輸入如圖。 3 無碳越障小車各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 2）推桿直徑 ：此處直徑在三維生成時(shí)反應(yīng)為凸輪“滾子直徑”。 SoildworksToolbox 參數(shù)化凸輪實(shí)體建模按照步驟，在 Soildworks 菜單欄中選擇 Toolbox 工具欄 Toolbox 凸輪實(shí)體參數(shù)化建模 1【設(shè)置】說明 ： 1）推桿類型 ：當(dāng)推桿 與凸輪回轉(zhuǎn)中心無偏心時(shí)選擇【平移】即可。 ]10[ 二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律（等加速等減速從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律）在多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，令 n=2，則有 a. 推程邊界條件求解從動(dòng)件在推程的運(yùn)動(dòng)方程 ：前半階段（等加速階段） 后半段（等減速階段）。 從動(dòng)件基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律 多項(xiàng)式一般形式 ：20 1 2211 2 32223...( 2 3 .. . )( 2 6 .. . ( 1 ) )nnnnnns c c c cv w c c c n ca w c c n n c? ? ?? ? ?????? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? 式中， c0,c1,c2,..., 為待定系數(shù)，根據(jù)凸輪工作要求由邊界條件確定。 回程運(yùn)動(dòng)角 Φ’ = 176。 通過 solidworks toolbox 凸輪設(shè)計(jì)，輸入各參數(shù)如下 ： 基圓半徑 R0= 18mm 滾子半徑 Rt= 4mm 推桿行程 h= 20mm 推程運(yùn)動(dòng)角 Φ = 176。、近休止角 176。、回程運(yùn)動(dòng)角 176。DOA=。 由于傳統(tǒng)的反轉(zhuǎn)法和 matlab 設(shè)計(jì)凸輪較為麻煩，所以通過利用三維設(shè)計(jì)軟件 SolidWorks 的 Toolbox 工具箱做凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過凸輪基本參數(shù)建立凸輪三維實(shí)體模型，可 得到準(zhǔn)確高精度的凸輪，省去了求軌跡點(diǎn)的步驟。該機(jī) 構(gòu)的功能要求能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為能滿足小車轉(zhuǎn)向要求的來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)前輪來回轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)拐彎避過障礙物的功能，所以我們選擇的是凸輪推桿機(jī)構(gòu)來作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的材料全部為有機(jī)玻璃。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的選擇是無碳小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，這直接決定著無碳小車的使用功能。兩根傳動(dòng)軸的材料選用硬鋁，采用階梯軸的方式對(duì)軸上零件進(jìn)行軸向定位，另外利用軸套對(duì)齒輪和后輪進(jìn)行徑向定位。 驅(qū)動(dòng)輪 A 與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 a1=85； 驅(qū)動(dòng)輪 B 與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 a2=85。cosdx dAA?? （ 11） tandy dx?? （ 12） 結(jié)合（ 2）式、（ 4）式，以ｘＡ＝０， ｙＡ＝０，ｘＢ＝Ｌ， ｙＢ＝０為初始狀態(tài)，可得小車簡化模型中 A點(diǎn)，即小車驅(qū)動(dòng)軸上 A點(diǎn)的軌跡方程： 0 cost Ax v dt??? (13) 0 tanxy dx??? (14) 基于小車車身上任意點(diǎn)在相同時(shí)刻的α變化相同，不僅 A點(diǎn)軌跡可以得到，其他點(diǎn)也可以用相似的式子得到。某時(shí)刻小車方位ＡＢ， dt 時(shí)刻后小車位于 A’ B’，如圖 所示。 ( )Avtd d A A d d tL ????（ 10） 可見 2d 是二階小量，圖 的忽略是合理的。/ c o s ( )dBB dAA t?? （ 7） 3 無碳越障小車各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 sin sin ( ( ))39。 AdAA v dt? （ 6） 39。當(dāng)忽略二階小量 d2后，圖 可以表示為如圖 所示。 設(shè)二輪小車某一時(shí)刻前輪轉(zhuǎn)角為θ（ｔ）， A 代表驅(qū)動(dòng)輪軸心， B代表轉(zhuǎn)向輪軸心。 3 無碳越障小車各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 小車轉(zhuǎn)彎狀態(tài)分析及前后輪偏距的設(shè)計(jì) 當(dāng)小車向右轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角為θ（ｔ１）時(shí)，行駛狀態(tài)如圖 所示。 3 無碳越障小車各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 圖 齒輪的三維模型 前后輪的設(shè)計(jì) 建立“ 8”字軌跡理想模型，如圖 。齒輪通過軸套與軸配合，這樣可以保證齒輪的軸向和徑向定位。選擇小模數(shù)齒輪可以有效的減小小車前進(jìn)時(shí)的阻力，模數(shù)太小又會(huì)增加制造難度、加工成本和齒輪的使用壽命。即飛輪轉(zhuǎn)一圈車輪轉(zhuǎn) 6圈，較大的傳動(dòng)比和后輪直徑可以使小車前進(jìn)更遠(yuǎn)的距離。通過定滑輪帶動(dòng)飛輪，同時(shí)帶動(dòng)同軸相連的主動(dòng)齒輪并將其作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基本動(dòng)力來源，再帶動(dòng)后輪軸上的從動(dòng)齒輪，將從動(dòng)齒輪得 到的能量作為后輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力來源。與軌跡直接相關(guān)的小車幾何參數(shù)有： 齒輪總傳動(dòng)比ｉ； 前、后輪半徑ｒ； 前后軸距Ｌ； 驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪的偏置距離ｅ； 前輪橫桿 a； 前輪橫桿 b。所以我們的繞線部分直接纏繞在直徑20mm 的飛輪上使小車行進(jìn)更加平穩(wěn)連續(xù)，飛輪模型如圖 。 圖 小車的滑輪 3 無碳越障小車各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 飛輪的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力，飛輪設(shè)計(jì)有大直徑輪，便于小車啟動(dòng)，重物下落時(shí)，直接帶動(dòng)小車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)小車前進(jìn)，這種方法很易實(shí)現(xiàn)，又方便制作。為保證重物在下落過程中保持勻速，在滑輪上繞棉線時(shí)，在滑輪上多繞幾圈，這樣可以有效減慢重物下降的速度，提高能量的利用率。由公式： FRM? ]8[ 可知滑輪半徑（動(dòng)力臂）越大，形成的驅(qū)動(dòng)力矩就越大。同時(shí)保證重物在下落的過程中不會(huì)晃動(dòng)。 小車上的定滑輪由 3 根直徑為 6mm 的碳鋼絲桿支撐，將提供能量的重物通過定滑輪懸掛在有效高度為 400177。起動(dòng)后，原動(dòng)輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)重塊下落時(shí)通過棉線拉動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，以此通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小車后輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)小車向前行駛。重物支撐板的結(jié)構(gòu)，如圖 。重物支撐板的三個(gè)空的直徑為 6mm，通過螺母在重物支撐桿上固定。 重物支撐桿支架采用 3 根 M5 的碳鋼絲桿成等邊三角形分布，可以防止重物在下降的過程中晃動(dòng)，支撐桿的長度為 450mm。 重物支撐架的設(shè)計(jì) 重物支撐架的作用是固定滑輪，懸掛重物的支架。 綜合各方面的因素，使得小車真正實(shí)現(xiàn)微調(diào)，我們選用了可調(diào)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)，通過螺栓調(diào)節(jié)連桿長度，使連著前輪的桿 a 長度發(fā)生變化，進(jìn)而影響前輪最小擺角，加上改變輪子的直徑，使得小車走過的路程發(fā)生變化，從而改變“ 8”字大小的變化，如圖 。 2 無碳越障小車機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 11 圖 車身底板圖 控制機(jī)構(gòu)之微調(diào)機(jī)構(gòu)的分析 一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu) 。 而經(jīng)對(duì)各功能元解機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析還有比賽要求的分析后，本組最終定的小車組合方案為 A2(繩輪機(jī)構(gòu) )B1（后雙輪差速驅(qū)動(dòng)） C3（凸輪推桿機(jī)構(gòu)） D2(齒輪機(jī)構(gòu) )，組合方案如圖 。 缺點(diǎn)：由于連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)必須經(jīng)過中間構(gòu)件進(jìn)行傳遞，因而構(gòu)件數(shù)目多，傳動(dòng)路線長，若加工不能保證適當(dāng)精度，易產(chǎn)生較大的誤差積累，也使機(jī)械效率降低 。 缺點(diǎn)：凸輪廓線與推桿之間為點(diǎn)、線 接觸，易磨損；凸輪精準(zhǔn)制造較困難；需使用額外機(jī)構(gòu)，利用彈簧力與使凸輪與推桿保持接觸。 現(xiàn)代機(jī)械中 ,可以實(shí)現(xiàn)沿 “8 字形 ” 軌跡運(yùn)行的機(jī)構(gòu)很少 ,它們之中大多數(shù)為間歇性的機(jī)構(gòu) ,如 :凸輪、曲柄搖桿 、不完全齒輪等 。 缺點(diǎn)：裝配時(shí)要求同軸心，精度要求高。 圖 皮帶輪 2 無碳越障小車機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 9 無碳小車沿曲線前進(jìn)時(shí)，一對(duì)后輪間必定會(huì)產(chǎn)生差速，為此，我們采用單輪驅(qū)動(dòng)．單輪驅(qū)動(dòng)只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的差速是由兩后輪與地面之間的運(yùn)動(dòng)約束而產(chǎn)生的。 圖 齒輪機(jī)構(gòu) 皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功能元解的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡單、可以遠(yuǎn)距離傳動(dòng)、價(jià)格低廉、緩沖吸震無噪音等特點(diǎn)，可使重物下落速度減緩，如圖 。 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功能元解的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：齒輪具有效率高、適用的載荷和速度范圍大、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定，如圖。 2 無碳越障小車機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8 傳動(dòng)概述：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上，使小車按設(shè)計(jì)的軌道行駛并行駛得更遠(yuǎn)。 圖 發(fā)條彈簧 橡皮筋結(jié)構(gòu)功能元解的 優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、橡皮筋質(zhì)量低，對(duì)小車運(yùn)動(dòng)過程影響幾乎可以忽略。 圖 飛輪與后輪軸固連 發(fā)條彈簧機(jī)構(gòu)功能元解的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：在小車運(yùn)動(dòng)前已儲(chǔ)能完畢，在小車運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定釋放能量，如圖 。 圖 滾筒設(shè)計(jì) 2 無碳越障小車機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 7 重物飛輪機(jī)構(gòu)功能元解的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：在儲(chǔ)能完畢后，釋放能量階段能做到平穩(wěn)連續(xù)輸出，如圖 。滾筒的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小車的起動(dòng)和重物的從低速到減速下落，減小了因碰撞而損失的能量，如圖 。 重物錐臺(tái)輪機(jī)構(gòu)功能元解的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：成本低廉 ,結(jié)構(gòu)常見比較熟悉。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求： ，不至于小車拐彎時(shí)速度過大傾翻， 或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。 ⑦ 具有較高的生產(chǎn)效率與機(jī)械效率。 ⑤ 機(jī)器操縱方便、調(diào)整容易、安全耐用。 ③ 原動(dòng)機(jī)的選擇有利于簡化結(jié)構(gòu)和改善運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。正式進(jìn)入機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵守以下的設(shè)計(jì)選型原則： ① 滿足工藝動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)要求。 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總功能分解及功能元解 無碳越障小車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總功能分解及功能元解見表 。 ]6[ 根據(jù)對(duì)題目的分析，可知無碳小 車的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何將重物的勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并驅(qū)動(dòng)小車行走的 8 字形圈數(shù)多以及小車行走過程中如何避開障礙物。 2 無碳越障小車機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5 2 無碳越障小車機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 任務(wù)分析 任務(wù)要求 無碳小車是將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能，不需要其他裝置的控制，以實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)運(yùn)行以及小車的自動(dòng)轉(zhuǎn)彎繞障。鑒于小車受力限度和優(yōu)化成本，小車將多處采用膠結(jié)。再而得出小車的具體參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 ]4[ （ 2） 參數(shù)分析與個(gè)性化設(shè)計(jì)階段：應(yīng)用 Solidworks、 ProE 對(duì)無碳小車進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)、個(gè)性建模以及部分運(yùn)動(dòng)仿真。 ]3[ 功能分析 參數(shù)分析與個(gè)性化設(shè)計(jì) 制造加工調(diào)試 圖 小車設(shè)計(jì)的三個(gè)主要階段 （ 1） 功能模塊分析階段：根據(jù)對(duì)小車的功能要求，我們把小車分為原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)、車架六個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。把小車的設(shè)計(jì)分為三個(gè)主要階 段：功能分析、參數(shù)分析與個(gè)性化設(shè)計(jì)、制造加工調(diào)試，見圖 。因此我們?cè)O(shè)計(jì)制作無碳小車，希望可以找到新的方法來緩解能源和環(huán)保問題。無碳小車的研制，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、便利等優(yōu)點(diǎn)，有助于我們找到更為清潔環(huán)保的能源、有利的能量轉(zhuǎn)化途徑，以及提高能量的利用率。 目前全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，隨之帶來的環(huán)境問題也愈發(fā)明顯，傳統(tǒng)能源逐漸衰竭。設(shè)計(jì)能力項(xiàng)要求對(duì)參賽作品的設(shè)計(jì)具有完整性、正確性、創(chuàng)新性和規(guī)范性。小車設(shè)計(jì)過程中需要完成：機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)成本分析和工程管理方案報(bào)告。 圖 無碳小車 所用乒乓球臺(tái)及障礙設(shè)置 圖 要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，完成一套符合本命題設(shè)計(jì)要