【正文】 機構設計 24 無碳越障小車部分零件的設計 小車零件總體來說結構要簡單易于加工。 mNk /116min ? 則取彈簧的勁度系數為 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[ ,按照機械傳遞效率為 80%計算。 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 三維實體模型 推桿機構的設計包括推桿的設計和推桿固定件的設 計 （ 1）推桿機構的設計。盤形內凸輪、盤形外凸輪、盤形槽凸輪。 2）分辨率和數值 ：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，但高分辨率對計算機的要求隨之更高。 2【運動】將 已知條件的參數輸入如圖。 3 無碳越障小車各機構設計 22 2）推桿直徑 ：此處直徑在三維生成時反應為凸輪“滾子直徑”。 SoildworksToolbox 參數化凸輪實體建模按照步驟，在 Soildworks 菜單欄中選擇 Toolbox 工具欄 Toolbox 凸輪實體參數化建模 1【設置】說明 ： 1）推桿類型 ：當推桿與凸輪回轉中心無偏心時選擇【平移】即可。 ]10[ 二次多項式運動規(guī)律（等加速等減速從動件運動規(guī)律）在多項式運動規(guī)律中，令 n=2，則有 a. 推程邊界條件求解從動件在推程的運動方程 ：前半階段（等加速階段） 后半段（等減速階段）。 從動件基本運動規(guī)律 多項式一般形式 ：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，根據凸輪工作要求由邊界條件確定。 回程運動角 Φ’ = 176。 通過 solidworks toolbox 凸輪設計，輸入各參數如下 ： 基圓半徑 R0= 18mm 滾子半徑 Rt= 4mm 推桿行程 h= 20mm 推程運動角 Φ = 176。、近休止角 176。、回程運動角 176。DOA=。 由于傳統(tǒng)的反轉法和 matlab 設計凸輪較為麻煩，所以通過利用三維設計軟件 SolidWorks 的 Toolbox 工具箱做凸輪機構的設計，通過凸輪基本參數建立凸輪三維實體模型，可得到準確高精度的凸輪，省去了求軌跡點的步驟。該機構的功能要求能夠將旋轉運動轉化為能滿足小車轉向要求的來回擺動，帶動前輪來回轉動以實現(xiàn)拐彎避過障礙物的功能，所以我們選擇的是凸輪推桿機構來作為轉向機構，轉向機構的材料全部為有機玻璃。 轉向機構的設計 轉向機構的選擇是無碳小車設計的關鍵部分，這直接決定著無碳小車的使用功能。兩根傳動軸的材料選用硬鋁，采用階梯軸的方式對軸上零件進行軸向定位，另外利用軸套對齒輪和后輪進行徑向定位。 驅動輪 A與轉向輪橫向偏距 a1=85； 驅動輪 B與轉向輪橫向偏距 a2=85。cosdx dAA?? （ 11） tandy dx?? （ 12） 結合（ 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，即小車驅動軸上 A點的軌跡方程： 0 cost Ax v dt??? (13) 0 tanxy dx??? (14) 基于小車車身上任意點在相同時刻的α變化相同，不僅 A點軌跡可以得到，其他點也可以用相似的式子得到。某時刻小車方位ＡＢ， dt時刻后小車位于 A’ B’，如圖 。 ( )Avtd d A A d d tL ????（ 10） 可見 2d 是二階小量，圖 。/ c o s ( )dBB dAA t?? （ 7） 3 無碳越障小車各機構設計 19 sin sin ( ( ))39。 AdAA v dt? （ 6） 39。當忽略二階小量 d2后，圖 。 設二輪小車某一時刻前輪轉角為θ（ｔ）， A 代表驅動輪軸心， B代表轉向輪軸心。 3 無碳越障小車各機構設計 17 及前后輪偏距的設計 當小車向右轉向前輪轉角為θ（ｔ１）時，行駛狀態(tài)如圖 。 3 無碳越障小車各機構設計 16 圖 齒輪的三維模型 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。選擇小模數齒輪可以有效的減小小車前進時的阻力，模數太小又會增加制造難度、加工成本和齒輪的使用壽命。即飛輪轉一圈車輪轉 6圈，較大的傳動比和后輪直徑可以使小車前進更遠的距離。通過定滑輪帶動飛輪，同時帶動同軸相連的主動齒輪并將其作為轉向機構的基本動力來源，再帶動后輪軸上的從動齒輪，將從動齒輪得到的能量作為后輪轉 動動力來源。與軌跡直接相關的小車幾何參數有： 齒輪總傳動比ｉ； 前、后輪半徑ｒ； 前后軸距Ｌ； 驅動輪和轉向輪的偏置距離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 無碳越障小車各機構設計 14 飛輪的設計 驅動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力，飛輪設計有大直徑輪，便于小車啟動，重物下落時，直接帶動小車軸轉動，從而帶動小車前進，這種方法很易實現(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，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（動力臂）越大，形成的驅動力矩就越大。同時保證重物在下落的過程中不會晃動。 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。起動后，原動輪半徑變小，轉速提高，轉矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。當重塊下落時通過棉線拉動滑輪轉動，從而帶動飛輪旋轉，以此通過傳動機構驅動小車后輪旋轉，驅動小車向前行駛。重物支撐板的結構，如圖 。重物支撐板的三個空的直徑為 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，支撐桿的長度為 450mm。 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，使得小車真正實現(xiàn)微調，我們選用了可調節(jié)連桿機構，通過螺栓調節(jié)連桿長度，使連著前輪的桿 a長度發(fā)生變化，進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 無碳越障小車機構方 案設計 11 圖 車身底板圖 一臺完整的機器包括：原動機構、傳動機構、執(zhí)行機構、控制機構。 而經對各功能元解機構的優(yōu)缺點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(繩輪機構 )B1（后雙輪差速驅動） C3（凸輪推桿機構） D2(齒輪機構 )，組合方案如圖 。 缺點：由于連桿機構的運動必須經過中間構件進行傳遞，因而構件數目多，傳動路線長，若加工不能保證適當精度，易產生較大的誤差積累，也使機械效率降低 。 缺點：凸輪廓線與推桿之間為點、線接觸，易磨損； 凸輪精準制造較困難；需使用額外機構，利用彈簧力與使凸輪與推桿保持接觸。 現(xiàn)代機械中 ,可以實現(xiàn)沿 “8 字形 ” 軌跡運行的機構很少 ,它們之中大多數為間歇性的機構 ,如 :凸輪、曲柄搖桿 、不完全齒輪等 。 缺點：裝配時要求同軸心，精度要求高。 圖 皮帶輪 2 無碳越障小車機構方 案設計 9 無碳小車沿曲線前進時，一對后輪間必定會產生差速，為此，我們采用單輪驅動．單輪驅動只利用一個輪子作為驅動輪，另一個為從動輪，驅動輪與從動輪之間的差速是由兩后輪與地面之間的運動約束而產生的。 圖 齒輪機構 優(yōu)點：具有結構簡單、可以遠距離傳動、價格低廉、緩沖吸震無噪音等特點，可使重物下落速度減緩，如圖 。 優(yōu)點：齒輪具有效率高、適用的載荷和速度范圍大、工作可靠、傳動比穩(wěn)定，如圖。 2 無碳越障小車機構方 案設計 8 傳動概述：傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上，使小車按設計的軌道行駛并行駛得更遠。 圖 發(fā)條彈簧 優(yōu)點 ：成本低廉、橡皮筋質量低，對小車運動過程影響幾乎可以忽略。 圖 飛輪與后輪軸固連 優(yōu)點：在小車運動前已儲能完畢，在小車運動時穩(wěn)定釋放能量，如圖 。 圖 滾筒設計 2 無碳越障小車機構方 案設計 7 優(yōu)點：在儲能完畢后，釋放能量階段能做到平穩(wěn)連續(xù)輸出，如圖 。滾筒的設計實現(xiàn)了小車的起動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 。 優(yōu)點：成本低廉 ,結構常見比較熟悉。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，小車對原動機構還有其它的具體要求： ，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲 害影響行走。 ⑦ 具有較高的生產效率與機械效率。 ⑤ 機器操縱方便、調整容易、安全耐用。 ③ 原動機的選擇有利于簡化結構和改善運動質量。正式進入機構方案設計時，必須遵守以下的設計選型原則： ① 滿足工藝動作和運動要求。 機構設計總功能分解及功能元解 無碳越障小車機構設計總功能分解及功能元解見表 。 ]6[ 根據對題目的分析，可知無碳小車的設計重點 和難點是如何將重物的勢能轉換為機械能，并驅動小車行走的 8字形圈數多以及小車行走過程中如何避開障礙物。 2 無碳越障小車機構方 案設計 5 2 無碳越障小車機構方案設計 任務分析 任務要求 無碳小車是將重物的重力勢能轉化為小車的動能，不需要其他裝置的控制，以實現(xiàn)小車的自動運行以及小車的自動轉彎繞障。鑒于小車受力限度和優(yōu)化成本，小車將多處采用膠結。再而得出小車的具體參數和運動規(guī)律。 ]4[ （ 2） 參數分析與個性化設計階段：應用 Solidworks、 ProE 對無碳小車進行參數化設計、個性建模以及部分運動仿真。 ]3[ 功能分析 參數分析與個性化設計 制造加工調試 圖 小車設計的三個主要階段 （ 1） 功能模塊分析階段：根據對小車的功能要求，我們把小車分為原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構 、微調機構、車架六個模塊，進行模塊化設計。把小車的設計分為三個主要階段： 功能分析、參數分析與個性化設計、制造加工調試，見圖 。因此我們設計制作無碳小車，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，具有經濟、環(huán)保、便利等優(yōu)點，有助于我們找到更為清潔環(huán)保的能源、有利的能量轉化途徑，以及提高能量的利用率。 目前全球經濟飛速發(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。設計能力項要求對參賽作品的設計具有完整性、正確性、創(chuàng)新性和規(guī)范性。小車設計過程中需要完成：機械設計、工藝方案設計、經濟成本分析和工程管理方案報告。 圖 無碳小車 所用乒乓球臺及障礙設置 圖 要求經過一定的前期準備后，完成一套符合本命題設計要求的可運行裝置，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。障礙物為直徑 20mm、長 200mm的 2個圓棒，相距一定距離放置在半張標準乒乓球臺的中線上，以小車完成 8字繞行圈數的多少來綜合評定成績。圖 。 2mm。驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。無碳越障小車行駛的路線近似于 8字，呈周期性變化，而且 繞過間距 300mm5