一種勢能小車設(shè)計說明書

PAGE32PAGE33一種勢能小車的設(shè)計通過對第七屆全國大學生工程訓練“無碳重力勢能小車”的賽題分析。對小車的結(jié)構(gòu)部分進行設(shè)計。通過每一階段的深入分析把設(shè)計盡可能向最優(yōu)設(shè)計靠攏。根據(jù)小車功能要求，把小車分為車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)六個模塊，進行模塊化設(shè)計。首先針對每一個模塊進行多方案設(shè)計，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。確定的方案為:車架采用三角底板式、原動機構(gòu)采用了錐形軸、傳動機構(gòu)采用齒輪、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄搖桿、行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速、微調(diào)機構(gòu)采用微調(diào)螺母。然后對方案進行理論分析，綜合考慮零件材料性能、加工工藝等，進而得出了小車的具體參數(shù)和運動規(guī)律。關(guān)鍵字:工程訓練;參賽作品;重力勢能小車DesignofapotentialenergytrolleyBasedonthesecondnationalcollegeengineeringtrainingentries"carbon-freegravitationalpotentialenergycar"analysis.Findcartinthedesigndeficiencies.Inordertoimprovethedeficiencyofthetrolleycar,aportionofthestructureredesign.Througheachphaseofthein-depthanalysisofthedesignaspossibletomoveclosertooptimaldesign.Accordingtothefunctionalrequirementsofthetrolleycar,dividedintoframe,drivingmechanism,atransmissionmechanism,asteeringmechanism，awalkingmechanism,afineadjustmentmechanismofsixmodules,modulardesign.First,foreachmoduleperformsmultipledesign，throughcomprehensivecomparisonandchoosetheoptimalschemeofcombination.Determiningtheschemeare:framewithtriangularbottomplatetype,motivemechanismadoptsaconicalshaft,thedrivemechanismadoptsgear,steeringmechanismwithcrankrocker,walkingmechanismdrivenbyasinglewheeltoachievedifferential,finetuningmechanismbyfineadjustmentnut.Thentheschemetheoryanalysis,consideringthepartsandmaterialsproperties,processingtechnology,andthenthespecificparameters,andmovementrules.Keywords:Engineeringtraining,entries,gravitationalpotentialenergy目錄TOC\o"1-2"\h\u25471摘要 132208Abstract 288531緒論 5207551.1勢能小車主體功能設(shè)計要求 586751.2小車的設(shè)計方法 6170312勢能小車的方案設(shè)計 72.285591勢能小車的原理 72.28973勢能小車行走方案的對比和分析72.252173勢能小車方案的確定 82.146724小結(jié) 9195993勢能小車的總體方案設(shè)計 1015983.1重塊設(shè)計 1139963.2原動機構(gòu)的設(shè)計 11241133.3傳動機構(gòu)的設(shè)計 12185803.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計 1311453.5行走機構(gòu)的設(shè)計 14100643.6微調(diào)機構(gòu)的設(shè)計 1592563.7驅(qū)動機構(gòu) 166903.8底板和支撐板的設(shè)計 1762253.9整車設(shè)計 18292954勢能小車的主要技術(shù)設(shè)計 19181954.1影響小車性能主要因素的分析 19175084.1.1能耗規(guī)律分析 20118134.1.2運動學分析 2244664.1.3動力學分析 23299015勢能小車的三維建模與仿真 2656685.1機構(gòu)尺寸確定 26139145.2軟件建模 26219425.3運動仿真 2745066典型零件加工工藝的分析及編寫 305696.1驅(qū)動軸加工工藝分析 30114967車體車架的有限元分析 32150777.1有限元分析的介紹 3271097.2有限元分析的原理及分析過程 32311857.3有限元分析詳細流程 32148727.4有限元分析結(jié)果 325297結(jié)論 331067致謝 34230參考文獻 351緒論1.1勢能小車主體功能設(shè)計要求給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物。以小車前行距離的遠近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。本論文主要以第七屆工程能力競賽的要求為主，設(shè)計具有“8”字軌跡的繞障功能小車,小車必須繞過兩障礙物且不碰倒，并按規(guī)定路線運行，在賽道中心線上測量的驅(qū)動車有效的運動距離越長以及成功繞樁數(shù)量越多越好。(1）驅(qū)動車成功繞過障礙樁的評定:驅(qū)動車須分別從障礙樁前后的左側(cè)（或右側(cè)）和右側(cè)（或左側(cè))越過賽道中心線(即驅(qū)動車后輪過賽道中心線),且障礙物未被撞倒或推出障礙物定位圓方可計入成績;(2）驅(qū)動車一次繞過多根樁或多次繞過同一根樁:均算作繞過一根樁，障礙樁被推出定位圓或被推倒均不得分。對機構(gòu)設(shè)計方面的要求:轉(zhuǎn)向部分需要可控可調(diào)，只有重塊提供源能量（其中，ma=1kg,，懸高300±2mm)。行走過程中，小車不能碰倒障礙，重塊不能脫離小車。要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。1.2小車的設(shè)計方法小車的設(shè)計一定要做到目標明確，通過對命題的分析得到了比較清晰開闊的設(shè)計思路。設(shè)計需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計過程中需要綜合考慮材料、加工、制造成本等多方面因素。小車的設(shè)計是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計方法上考慮優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計理論方法。1.3本章小結(jié)設(shè)計前首先了解全國大學生工程訓練參賽的規(guī)則，這樣才能合理的制定這次的設(shè)計方案，才能達到所要求的設(shè)計目的。本次設(shè)計我是依據(jù)第七屆全國大學生工程訓練參賽規(guī)則來進行設(shè)計，以認真負責，刻苦鉆研的精神為根本，來對本次設(shè)計做到更好更精確的設(shè)計。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，我可以在設(shè)計、論證、畫圖以及實驗驗證的這個過程當中反復探索研究，一方面讓我對常用的工作軟件更加熟悉，使用起來更加得心應手，另一方面加強了我們對專業(yè)知識的理解，也能更加認識到自己學習的不足之處。在勢能小車設(shè)計不斷完善的這個過程中也許會碰到很多層出不窮的新問題，及時地去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，更能讓我不僅學會怎么從工程設(shè)計的角度去審視問題，從最開始的漫無目的，毫無頭緒，隨著查閱資料，一點點的了解勢能小車，慢慢的做出設(shè)計，看著勢能小車設(shè)計的一步步完成，我的成就感也隨之增加。2勢能小車的方案設(shè)計2.1勢能小車的原理根據(jù)第七屆全國大學生工程訓練大賽的比賽要求，勢能小車主要要實現(xiàn)兩個功能:重力勢能轉(zhuǎn)化為勢能小車的動能以及勢能小車行走方向的不定期轉(zhuǎn)向，根據(jù)這樣，可以將勢能小車分為驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這兩個大的部分。驅(qū)動系統(tǒng)的難點在于要能量損耗小和傳動比的精確，影響能耗與傳動比的主要機構(gòu)為傳動機構(gòu)，而常用的傳動機構(gòu)有帶輪傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、皮帶傳動、鏈條傳動，關(guān)于選擇，后續(xù)還需繼續(xù)深入討論。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的難點在于要控制精度高、能量損耗小并且可以進行調(diào)節(jié)，常見的有曲柄滑塊機構(gòu)、凸輪+搖桿機構(gòu)、曲柄連桿+搖桿機構(gòu)等。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可以設(shè)置微調(diào)機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)曲柄和連桿的長度，以此讓小車來適應不同樁距的行走。經(jīng)初步設(shè)計，將本小車結(jié)構(gòu)細分為六個部分,分別為車架、行走機構(gòu)、原動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、傳動機構(gòu)及微調(diào)機構(gòu)。驅(qū)動機構(gòu)要求能滿足小車的平穩(wěn)啟動，并以較低速度進行穩(wěn)定的行駛。如果小車的啟動力矩太小，則無法驅(qū)動勢能小車前進，但若小車的驅(qū)動力矩過大，則初始加速度也會過大，則小車啟動速度太快，小車很難滿足穩(wěn)定的啟動以及后續(xù)的穩(wěn)定行駛。傳動機構(gòu)要滿足小車驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向機構(gòu)之間的傳動。轉(zhuǎn)向機構(gòu)要求勢能小車能夠根據(jù)比賽的軌跡而進行精準的調(diào)節(jié)，該部分結(jié)構(gòu)尤為重要，若小車無法精確的轉(zhuǎn)向，就會出現(xiàn)運行軌跡的偏差，則會使繞樁的路徑發(fā)生偏差，甚至會與樁相撞，影響比賽的后續(xù)進行。微調(diào)機構(gòu)要求能根據(jù)比賽時現(xiàn)場樁距的變化來進行調(diào)整，改變小車轉(zhuǎn)彎半徑，實現(xiàn)小車的正常運行。2.4本章小結(jié)本次設(shè)計中轉(zhuǎn)向機構(gòu)初步確定為曲柄連桿+搖桿。行走機構(gòu)初步確定為單論驅(qū)動。原動機構(gòu)為輸出驅(qū)動力可調(diào)的錐形螺旋槽。3勢能小車的總體方案設(shè)計通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設(shè)計（車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu))。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。設(shè)計圖框如圖3-1圖3-1設(shè)計步驟在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。3.1重塊支架設(shè)計車架不用承受很大的力，精度要求低。但考慮到重量以及小車轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力造成重塊晃動從而使小車不穩(wěn)定等，重塊支架采用鋁合金制作成三角底板式。3.2原動機構(gòu)的設(shè)計原動機構(gòu)的功能是把重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為到小車前進的動力上。于是，小車原動部分的設(shè)計須考慮以下條件:①適當大的起動力矩，適當?shù)臓恳Γ拍苁剐≤囎阋云饎?、行駛平穩(wěn)，拐彎的時候不會因為速度太大而出現(xiàn)晃動或者側(cè)翻;②重塊在即將落到底板時，豎直方向上的速度應該盡可能地小，以免較大地沖擊小車，以至于停車;③由于每種材料的摩擦力不同，場地的不確定性，小車轉(zhuǎn)化的動力也不同，因此需要考慮牽引力可調(diào);④小車的機構(gòu)設(shè)計應該盡量簡化，減輕小車整體的質(zhì)量，減少消耗;綜合以上方面的考慮，選擇采用以前設(shè)計中出現(xiàn)的輸出動力可調(diào)的繩輪機構(gòu)，材料選用鋁合金。為減少能量損失，采用高強度的尼龍線。開始時，起動力矩克服車輪的阻力矩向前滾動，起動小車，重物下降的過程就是重力勢能向小車動能的轉(zhuǎn)換。由于重塊下降過程中不是勻速運動，實際下落的運動規(guī)律是:由靜止開始加速，然后勻速下落，最后進入減速階段，以接近速度為零落至底板。因此，開始時需要較大的起動力矩，才足以將小車牽動。所以需要對滾簡的直徑進行設(shè)計，這里通過資料的查閱，決定采用錐形圓柱體和滑輪組合結(jié)構(gòu)，能夠更好地滿足以上的運動規(guī)律，使小車能夠比較平穩(wěn)地起動和行走得更長。這樣既減小了能量的損失，也充分地運用了重塊下降所做的功。此外，需要注意的是變徑線輪和驅(qū)動輪軸之間為過盈配合。小車原動部分機構(gòu)設(shè)計的組合方案，如圖3-2所示，圖3-2小車原動機構(gòu)圖3.3傳動機構(gòu)的設(shè)計傳動機構(gòu)主要是將轉(zhuǎn)化來的動力傳到小車的驅(qū)動輪上。要使小車按照理想的軌跡行走，并且收到比較滿意的結(jié)果，傳動部分的設(shè)計須要保證傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕等優(yōu)點。常見的傳動機構(gòu)及分析如下:①帶輪傳動:相較于其他結(jié)構(gòu)來說，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單、傳動時平緩穩(wěn)定、抗震性能較好、成本低等，但其缺點也很明顯，傳動效率和傳動精度的不高，導致不適合本小車設(shè)計，固舍棄。②齒輪傳動:結(jié)構(gòu)較為緊湊、所以傳動比比較穩(wěn)定、故而傳動效率很高，甚至可以達到95%，因此工作可靠③同步帶傳動:雖然傳動效率很高，但是勢能小車中兩傳動軸的中心距小，不容易保證包角，所以舍棄。④皮帶傳動:易打滑，不夠平穩(wěn)，傳動性不好，摩擦較大，能耗損失太大。⑤鏈條傳動:傳動比較準確，且質(zhì)量輕，但瞬時轉(zhuǎn)速和瞬時傳動比無法固定，傳動的平穩(wěn)性較差。綜上分析，可以采用線切割鋁合金制造齒輪，以保證傳動的精確性與質(zhì)量較輕，固選齒輪傳動。由于小車的動力源全部由重塊提供，則驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)都是通過傳動機構(gòu)來運作的。驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)時，繞線筒在重塊的牽引力下產(chǎn)生扭矩使得驅(qū)動輪軸轉(zhuǎn)動。此外，還以一定的傳動比將驅(qū)動輪上的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給搖桿，帶動轉(zhuǎn)向機構(gòu)旋轉(zhuǎn)。為了行走到接近重合的軌跡，傳動部分的作用很大，則齒輪的傳動比i的取值就顯得非常重要。它不僅傳遞轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動力輸入，同時保證了在驅(qū)動輪完成一個周期的路程時，轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成一個周期的動作。本次大賽賽道如圖，兩個板最遠距離為3000mm，為了使小車有充足的行走空間，安全通過不撞隔板，則取行走軌跡的兩端點距離為3200mm。行走軌跡為“8”字，相當于兩個圓形，則一個圓的直徑為1600mm。S總軌跡=2×Πd=2×1600Π=3200Πmm我們假設(shè)輪子直徑400mm，則周長為400Πmm，則小車每走完一個八字，后輪就轉(zhuǎn)動8圈，轉(zhuǎn)向2次，如此循環(huán)，故暫選齒輪傳送比為1：8。不完全齒輪與轉(zhuǎn)向小齒輪的齒數(shù)比為1:2。須注意的是，齒輪的設(shè)計和材料的選擇，以及加工精度的保證。以盡量減少受載時軸彎曲變形，因此各傳動軸應有較高的剛度，位置上也有考慮軸的兩端支承跨距盡可能小，軸伸尺寸盡可能短，齒輪盡可能靠近支承處以提高運動的精度。3.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計本次勢能小車共有六部分組成，其中轉(zhuǎn)向部分為關(guān)鍵部分，初步篩選能滿足此次小車設(shè)計轉(zhuǎn)向要求的機構(gòu)有曲柄滑塊機構(gòu)、凸輪+搖桿機構(gòu)、曲柄連桿+搖桿機構(gòu)等。每個機構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點，所以在設(shè)計過程中需要對比自己設(shè)計機械的使用環(huán)境來進行選擇，如轉(zhuǎn)向機構(gòu)中凸輪：凸輪是一種具有特定凸輪輪廓或凹槽的元件。當它運動時，它可以通過高次接觸引起從動件的任何連續(xù)或不連續(xù)的往復運動。優(yōu)點：凸輪從動件只需設(shè)計一個合適的曲線輪廓就可以獲得任何所需的運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊并且易于設(shè)計。缺點:凸輪輪廓加工比較困難。在這種小車設(shè)計中，凸輪輪廓難以加工，尺寸不能隨意的變化，精度難以保證，重量比較大且效率低，因此會導致能量損失大（主要為滑動摩擦），所以不采用。曲柄連桿+搖桿優(yōu)點：運動部件的單位面積壓力較低，接觸面容易潤滑，所以磨損減少，容易制作，容易獲得較高的精度，兩個部件之間的接觸是靠自身的幾何閉合來維持，它不像凸輪機構(gòu)，有時必須用彈簧和其他閉合力來維持接觸。缺點：通常只能近似于給定的運動規(guī)律或軌跡，獲得完美的運動軌跡較難，而且設(shè)計比較復雜，如果給定的運動要求比較大或比較復雜，所需的部件和運動子集的數(shù)量往往比較大，所以機構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復雜，性能降低，不僅自鎖的可能性增大，而且對產(chǎn)生運動規(guī)律的機構(gòu)來說，誤差設(shè)定的靈敏度也增大。機構(gòu)對飛機復雜的運動部件和往復運動的慣性力部件難以平衡，在高速下會引起較多的振動和動應力，所以聯(lián)動機構(gòu)常在低速情況下使用。在小車設(shè)計中，由于小車控制的頻率和動力傳遞不大，所以機構(gòu)可以相對較輕，可以忽略慣性力，機構(gòu)也不復雜。對于敏感的設(shè)定誤差，我們可以增加一個微調(diào)機構(gòu)來解決這個問題。曲柄搖桿優(yōu)點：結(jié)構(gòu)較為簡單，易于制作。缺點：和凸輪一樣，有一個滑動的摩擦副，導致其效率低，對于能量提供有限的小車來說，比較致命，存在急回特性，且占用空間大，容易損壞，導致難以設(shè)計出較好的機構(gòu)。綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方案3.5行走機構(gòu)的設(shè)計有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為文獻[7]對于相同的材料為一定值,滾動摩擦阻力文獻[7]通過分析公式可知道，當壓力一定和材料一定時，摩擦力與輪子尺寸成反比，當輪子尺寸越大時，小車運動過程中所受到的阻力則會越小，故能夠行走的距離就會更遠。但由于需要考慮加工的問題、材料的問題以及安裝的問題等等，車輪的具體尺寸還需要對其進一步分析后再確定。由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。雙輪差速驅(qū)動可以很好避免雙輪同步驅(qū)動中出現(xiàn)的問題，雙輪差速驅(qū)動主要通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。差速器可以較好的減少摩擦損耗，單向軸承實現(xiàn)差速的原理是其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動不準確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為主動輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與主動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比單向軸承高。綜上所述行走機構(gòu)的輪子應有恰當?shù)某叽?，采用單輪?qū)動。3.6微調(diào)機構(gòu)的設(shè)計由于障礙物的間距不確定、隨機的，所以小車的最大轉(zhuǎn)向角需可調(diào)，而小車的轉(zhuǎn)角又與曲柄、連桿、搖桿的長度有關(guān)。曲柄和搖桿的長度對小車精確地完成重復軌跡至關(guān)重要，考慮到加工和裝配精度的限制，必須增設(shè)微調(diào)機構(gòu)。針對曲柄搖桿機構(gòu)可采用兩種微調(diào)方式，一種是螺母式，另一種是滑塊式。為了更方便的調(diào)節(jié)搖桿連桿的長度，選用螺母式。連桿的長短主要通過粗調(diào)和細調(diào)兩種方式來實現(xiàn)，即在連桿的一端設(shè)置不同位置的定位孔與曲柄連接實現(xiàn)粗調(diào)，而在連桿的另一端通過螺紋與搖桿連接實現(xiàn)細調(diào)，通過螺紋轉(zhuǎn)動的角度來改變連桿、搖桿的長度。此外，兩端的螺紋需要反向，當向某一側(cè)旋轉(zhuǎn)旋套，兩側(cè)的螺桿同時旋入或旋出，從而減小或增大連桿的長度。這里采用的是M5公制細牙螺紋，牙距為0.5mm。微調(diào)時，當旋轉(zhuǎn)旋套10°，連桿長度變化值△為:?？梢姡⒄{(diào)機構(gòu)可以實現(xiàn)小距離的調(diào)整，在一定范圍內(nèi)滿足調(diào)整要求。結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，圖3-3雙球頭螺桿3.7驅(qū)動機構(gòu)行走機構(gòu)常見的有單輪驅(qū)動，雙輪同步驅(qū)動以及雙輪差速驅(qū)動等。雙輪同步驅(qū)動用于這次比賽，在轉(zhuǎn)彎行駛的過程中必定有輪子會與地面打滑，而滑動摩擦遠比滾動摩擦損失的能量多，考慮小車的初始能量有限且后續(xù)沒有額外的能量來提供小車的運行，同時，雙輪同步驅(qū)動會使小車在前進受到過多的約束，不能夠保證其運行軌跡的穩(wěn)定，碰到障礙的概率大大增加。雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。差速器應用到最小能耗原理，能有效的減少摩擦帶來的損耗，同時還能夠較好的實現(xiàn)主要運動，但結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復雜，應用零件較多，會大幅度增加小車的整體重量以及制造成本。單向軸承是在一個方向上可以自動轉(zhuǎn)動，而在另一個方向上鎖死的一種軸承。而單向軸承能夠?qū)崿F(xiàn)差速的原理是在小車行駛過程中，使轉(zhuǎn)速較快的的那個車輪將成為從動輪，轉(zhuǎn)速較慢的車輪則會成為主動輪。然而，由于單向軸承中會存在側(cè)隙，故而在主動輪和從動輪切換的過程中存在誤差，以至于運動不準確。單輪驅(qū)動則是只利用一個輪子當作驅(qū)動輪，另外兩個輪子不提供驅(qū)動作用，其中一個作為主動輪，另一個作為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪和主動輪間的差速，則是依靠與地面的運動來進行約束確定的。其缺點是傳動精度比沒有單向軸承高，前進速度不如差速器穩(wěn)定，但優(yōu)點是比差速器的效率高，且機構(gòu)簡單，裝配方便，成本低。最終，考慮到加工過程中的可操作性和加工成本等一些列問題，選擇單輪驅(qū)動作為小車的驅(qū)動機構(gòu)。在確定單輪驅(qū)動作為驅(qū)動方案后，就直接把驅(qū)動輪作簡化為參考點，并進行軌跡分析。通過前面一章軌跡的分析可以得到理想的軌跡路線應該是一個對稱的且圓滑的八字形?？紤]到單輪驅(qū)動向左轉(zhuǎn)彎和向右轉(zhuǎn)彎時，在主動輪在內(nèi)側(cè)和外側(cè)，會產(chǎn)生不同的回轉(zhuǎn)半徑R。假設(shè)右邊的后輪為主動輪，向右轉(zhuǎn)時，向左轉(zhuǎn)時,(其中，a為障礙物間距，b為小車的車寬，為前輪擺角），因此，最終形成的軌跡是一個葫蘆型的八字。3.8底板和支撐板的設(shè)計為了防止重塊下降過程中擺動，影響小車行走，設(shè)計了三根立柱的約束導軌，提高了小車的穩(wěn)定性。車架要盡可能的輕便、牢固，剛度要適當，彈性小，在重物的壓力下要求變形盡可能小。綜合質(zhì)量、成本、加工難易、裝配等因素的考慮，車架選擇鋁合金制作成支撐架。如圖3-4所示，圖3-4三導軌支撐架底板是小車最主要的承載體，連接重要機構(gòu)，固結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要合理?？紤]到小車載重不是很大，將底板設(shè)計成框式結(jié)構(gòu)。為了避免底板因發(fā)生振動而造成大量能量損失，將邊框橫截面設(shè)計成T字型，邊框的寬度為10mm，厚度為4mm，這樣就可以保證了小車的剛度，在不變形的情況下又能承受住載荷，理想的底板結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。圖3-5底板理想結(jié)構(gòu)示意圖然而，底板的寬度決定了兩個后輪之間的軸距，由于小車連續(xù)不斷地作曲線運動，因此兩個后輪行走時存在著速差。軸距會影響小車的平穩(wěn)性，并且對后輪的差速性能也有很大的影響。軸距太小則會降低小車行走過程中的平穩(wěn)性，軸距太大又會加大小車的轉(zhuǎn)向難度。在把每個零件裝配上去后，取底板能夠達到的最小值，將底板的寬度設(shè)計為105mm，長度根據(jù)齒輪嚙合的長度以及轉(zhuǎn)向部分和行走部分所占長度設(shè)計為220mm，厚度為3mm，既可以保證形變量很小，也可以最大化的減輕重量，最終小車底板實際結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，圖3-6底板實際建模3.9整車設(shè)計整車的軸承統(tǒng)一選擇:內(nèi)徑確定為6毫米，外徑確定為10毫米，寬度確定3毫米的微型深溝球軸承。根據(jù)往屆工程能力競賽的要求設(shè)計前輪直徑為30mm，厚度為10mm,以便于放下兩個軸承。轉(zhuǎn)向部分的球頭為網(wǎng)上購買，設(shè)計尺寸為內(nèi)徑3mm，外徑5mm;微調(diào)螺母為雙向螺紋，為了適應球頭設(shè)計外徑為3毫米，長度為55毫米;轉(zhuǎn)向支撐架根據(jù)已確定的零件尺寸來設(shè)計;與前輪支撐架連接到螺桿為全螺紋，設(shè)計長度為56mm，便于大幅度的調(diào)節(jié)長度，改變前輪的最大轉(zhuǎn)角。傳動機構(gòu)的不完全齒輪設(shè)計為68個齒，模數(shù)為1，隔90°把齒切掉，與不完全齒輪連接的小齒輪設(shè)計為33個齒，模數(shù)為1，傳動比約為1:2;而有前面的說明可知原動軸上的齒輪與傳動軸上的齒輪齒數(shù)分別為19和99，模數(shù)為1;繞線輪設(shè)計為錐形，最大直徑和最小直徑分別為18mm和15mm。根據(jù)前面章節(jié)的設(shè)計，后輪的直徑200毫米，厚度為5毫米，小車底板寬105毫米，長度為220毫米，厚度為3毫米，各個支架依據(jù)安放位置自行調(diào)整設(shè)計，再把車架多余的地方掏空。依據(jù)以往比賽經(jīng)驗，支撐長桿要保持重心的穩(wěn)定，設(shè)計桿長500mm，且三根桿起穩(wěn)定砝碼的作用;滑輪直徑根據(jù)繞線軸一側(cè)到砝碼中心線的距離設(shè)計為25mm，厚度8mm.4勢能小車的主要技術(shù)設(shè)計技術(shù)設(shè)計階段的目標是完成詳細設(shè)計確定個零部件的的尺寸。設(shè)計的同時綜合考慮材料加工成本等各因素。4.1影響小車性能主要因素的分析通過對小車的能耗規(guī)律、運動學、動力學進行分析，可以實現(xiàn)小車的優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計方案。4.1.1能耗規(guī)律分析為了簡化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為1-，即小車能量的傳遞效率為。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有式中為第i個輪子對地面的壓力--為第i個輪子的半徑-為第i個輪子行走的距離-為小車總質(zhì)量由此，可以看出小車行走的距離S與能量的傳遞效率、摩擦系數(shù)、輪子半徑R都有很大的聯(lián)系。小車在盡可能消耗少的能量走得更遠，即是小車能耗少，性能好的體現(xiàn)，下面就主要以、、R分析。通常常一般材料的是在0.1到0.8，通過調(diào)查，隨著的遞增，車子所走距離與能量轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系，如圖4-1所示。由圖分析可見，隨著的增大，距離在減小，即小車可能更早的停下。由于，地面材料的不確定性，只有在選擇小車輪子時考慮與地面的摩擦和內(nèi)部能耗的因素，慎重選擇材料。。圖4-1行走距離摩阻系數(shù)圖圖4-2是當摩擦系數(shù)=0.5mm時，小車行走距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖。由圖4-2可知，當小車的半徑遞增lcm時距離則相應的增多1～2m。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，在能保證完成八字型繞行和結(jié)構(gòu)安裝的同時，可以適量地增大輪子半徑，從而使小車行走得更遠。圖4-2距離輪子半徑圖圖4-3是當小車后輪直徑與摩擦系數(shù)都定下來之后，隨著小車重量的遞增，小車的前進距離與內(nèi)部轉(zhuǎn)換的效率的關(guān)系圖。由圖4-3可知，小車質(zhì)量越重，行走的距離相應也就越近，能量消耗地也就更多，更容易較早地停車。因此在設(shè)計小車時應盡量減少機構(gòu)，材質(zhì)的密度也要盡可能小，以減輕小車質(zhì)量。。圖4-34.1.2運動學分析以小車為整體研究，系統(tǒng)的受力如圖4-4分析所示，其中、、是重塊下降的重力的等效作用力，即主動力;FA、FB、Fc為地面對小車的支撐力，即約束力，這六個力相互作用構(gòu)成空間三維上的一個平衡力系。圖4-4小車受力分析示意圖如上圖所示，在oxyz中，由力的平衡，可以得到方程;又∵木質(zhì)地板與鋁合金之間的摩擦系數(shù)大概在0.18~0.22，這里暫時以u=0.20為例計算，由，,所以，可解得三個輪子與地面的滾動摩擦分別為:==1.36N，fc=2.08N.這里對小車穩(wěn)定時的系統(tǒng)的動力分析，可得出輪子與地面間的滾動摩擦力的大小，但由于場地的不確定性，因此，摩擦力也不確定。但通過此分析，可以得出摩擦力的大小與小車的質(zhì)量有很大關(guān)系，因此，后期設(shè)計和選材方面，應該盡量減重。4.1.3動力學分析根據(jù)8字型軌跡的走法，一定存在轉(zhuǎn)向。有轉(zhuǎn)彎就有可能側(cè)翻，所以有必要找到不翻倒的條件，這里就以小車右傾倒為例做系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，圖4-5是右倒的受力分析圖，圖4-5小車側(cè)傾時的受力示意圖以小車為研究對象，F(xiàn)max為小車轉(zhuǎn)彎時重塊所受的離心力，其余力與圖4-4相同,由受力分析可得，若小車出現(xiàn)右側(cè)翻，則，可得，，，,其中,為小車轉(zhuǎn)彎時的最小半徑,則由上述的分析可知，小車在行走時的最大速度可以通過改變繩子繞錐形輪的位置改變，最大速度時不超過錐形輪的最大端，隨后慢慢減小，以此達到控制轉(zhuǎn)彎時速度過大而側(cè)翻。小車軌跡分析小車實現(xiàn)繞“8”字型運行，有兩種軌跡走法:其一，不規(guī)則的軌跡，可近似地看作是由圓形和非圓組成，如圖4-6所示;其二，接近于兩個相切的圓組成，如圖4-7所示。為使小車轉(zhuǎn)彎過程平穩(wěn)，所設(shè)計的小車運行的軌跡曲率半徑不能突變，并且應當在滿足加工的可制造性和繞障距離的同時，整個軌跡長度應盡可能的短。這樣才能充分地利用重塊的重力勢能，減少行走過程中的能耗，以至于讓小車在規(guī)的能量下多走幾個循環(huán)周期。圖4-6軌跡一圖4-7軌跡二軌跡一，為計算簡便，假設(shè)為兩段半圓和兩段正弦曲線組成。在這里設(shè)定相同的障礙物距離為400mm，經(jīng)計算，軌跡總長度為L~2042.59mm。相同情況下，軌跡二的總長度大概為L=2×2tR=2009.6mm，因此選擇軌跡二。但由于實際實驗中很難走到圓形并且相切的情況，因此在后期結(jié)構(gòu)設(shè)計中，也只能盡可能使8字軌跡更加豐滿，不要太瘦長。5勢能小車的三維建模與仿真本設(shè)計要對實物或設(shè)計進行三維建模時，同樣也需要零件的基本尺寸，所以實體建模之前還得確定每個零件的尺寸(這里不考慮材料的區(qū)分）。5.1機構(gòu)尺寸確定通過前面的機構(gòu)設(shè)計和軌跡模擬，整個小車的主要的結(jié)構(gòu)和尺寸基本確定，詳見表5-1所示，表5-1小車結(jié)構(gòu)尺寸5.2軟件建模建模步驟建立并選取基準（基準面、基準軸和基準坐標系等）作為參照;建立基礎(chǔ)實體特征:拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等;(3)建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等;(4)特征的修改:特征陣列、特征復制等編輯操作;(5)添加材質(zhì)和渲染處理。根據(jù)前面小車結(jié)構(gòu)和尺寸的確定，運用軟件繪制小車各零件實體圖（詳見后面附圖），通過裝配每個零件，形成一個完整的實物建模，如圖5-1所示小車裝配圖，圖5-1小車裝配圖5.3運動仿真在工程實驗中，凡是要求做實物、機構(gòu)存在運動，為了降低時間和加工的成本，一般都會事先使用軟件做部分運動仿真，主要是檢驗機構(gòu)間的傳動和配合，驗證機構(gòu)的可行性，準確裝配保證正常的運動特征。小車的運動仿真，主要是在三維建模之后的裝配圖中，實現(xiàn)運動部分的運動仿真。參數(shù)的設(shè)置尤為重要，需要根據(jù)運動的狀態(tài)和特性，添加電機和運動的時間，其中電機的位置和時間的長短等都是需要著重考慮的因素。下面就齒輪和電機的定義和測量分析做詳細的介紹。5.3.1齒輪連接的定義在裝配正確的情況下，需要定義齒輪的連接，如圖5-2和5-3，需要確定每個齒輪的直徑即可完成定義。圖5-2不完全齒輪連接副的定義圖圖5-3齒輪連接副的定義圖5.3.2電機的定義在動力方面，并沒有給定砝碼的自由落體提供能量，而是簡化成在原動軸上添加電機，如圖5-4，設(shè)定為伺服電機，速度為常數(shù)20度每秒。圖5-4伺服電機定義圖5.3.3測量分析設(shè)定初始時間0，結(jié)束時間50秒，幀數(shù)25幀每秒，最小間隔0.04，點擊確定和運行，即可觀察到電機運行機構(gòu)的運動情況，如圖5-5所示。并觀察發(fā)現(xiàn)，通過傳遞電機的動力帶動右后輪的轉(zhuǎn)動，并通過傳動驅(qū)使前輪間歇地轉(zhuǎn)向運動，即證明機構(gòu)的可行性。圖5-5測量分析圖6典型零件加工工藝的分析及編寫6.1驅(qū)動軸加工工藝分析驅(qū)動軸是無碳小車的一個典型零件，它主要用來支承傳動零部件，傳遞扭矩和承受載荷。該軸按給定的生產(chǎn)綱領(lǐng)600件/年，則生產(chǎn)批量為50件/月，生產(chǎn)類型屬于中批生產(chǎn)。而生產(chǎn)類型的不同，則其工藝特征也不同，則該驅(qū)動軸的工藝應結(jié)合中批生產(chǎn)的工藝特征來考慮。6.1.1零件結(jié)構(gòu)及其工藝性分析該軸為細長小臺階軸，由外圓柱面、螺紋和鍵槽組成，結(jié)構(gòu)比較簡單，但長徑比L/d>12屬撓性軸，剛性差，工藝性差，加工時極易造成彎曲變形，但可以使用中心架來防止其變形，能夠保證以高生產(chǎn)率和低成本制造。6.1.2零件技術(shù)要求分析1.尺寸精度該軸的主要尺寸精度要求在幾處臺階軸處，即安裝軸承和安裝齒輪的部位，精度較高，均是6級精度，過渡配合?？赏ㄟ^在MG1320E高精度磨床上磨削加工，均能保證其要求。2.形狀與位置精度分析該軸沒有形狀精度要求，只有3處階梯軸段對兩處基準的徑向圓跳動的要求，屬位置精度要求，精度較高，最高值為0.008mm，且該軸長徑比比較大，屬細長軸類零件，該徑向圓跳動要求屬于加工關(guān)鍵，加工時應優(yōu)先考慮基準統(tǒng)一的原則，可通過以兩端中心孔為工藝基準（精基準）和中心架來保證其圓跳動的位置精度要求;兩處鍵槽的對稱度要求較高，為0.01mm，在普通銑床上很難保證，應使用數(shù)控銑床來完成，但必須以兩端中心孔為工藝基準再輔以千斤頂做輔助支撐。3.表面粗糙度分析表面粗糙度最低值為Ra1.6um，要求不高，通過磨削可以保證。4.零件選材及熱處理分析該軸雖屬臺階軸，但外圓直徑尺寸相差不大，且強度要求不高，毛坯選用棒料即可。該軸選用了比較常用的45圓鋼，切削性能良好，加工時不需采取特殊工藝措施，刀具材料選擇范圍較大，高速鋼或YT類硬質(zhì)合金均可。選材合理。熱處理調(diào)質(zhì)硬度170-230HBS，容易達到。7車體車架的有限元分析7.1有限元分析方法概述有限元法是一種離散化的數(shù)值解法,是用于求解各類實際工程問題的方法。應力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問題及熱力學、流體力學、電磁學以及沖擊動力學問題都可以通過有限元法得到解決。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。20世紀60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學計算有限元概念的克拉夫（CloSOLIDWORKSh）教授形象地將其描繪為：“有限元法=RayleighRitz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是RayleighRitz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的RayleighRitz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。7.2有限元分析的原理有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）的基本思想是用較為簡單的問題代替比較復雜的問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互聯(lián)子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所替代。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元法不僅計算精度高，而且能適應各種復雜情況，因而有限元分析成為行之有效的工程分析手段。有限元法的基本思想可歸結(jié)為兩個方面，一是離散，二是分片插值。離散就是將一個連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數(shù)量的單元，單元又稱網(wǎng)格，單元之的連接點稱為節(jié)點，單元間的相互作用只能通過節(jié)點傳遞，通過離散，一個連續(xù)體便分割為由有限數(shù)量單元組成的組合體。離散的目的就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個節(jié)點變量的代數(shù)方程組，以利于用計算機求解。有限元法的離散思想借鑒于差分法，但做了適當改進。首先，差分法是對計算對象的微分方程和邊界條件進行離散，而有限元法是對計算對象的物理模型本身進行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過程依然能夠進行。其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網(wǎng)格，各個單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應力集中這樣的局部特性時，有限元法的適應性更強，離散精度更高。變分法是在整個求解域用一個統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實函數(shù)，當真實函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時，這種處理是合理的。但如果真實函數(shù)的性態(tài)很復雜，再用統(tǒng)一的試探函數(shù)就很難得到較高的逼近精度，或者說要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數(shù)。同時由于不能在求解域的不同部位對試探函數(shù)提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求問題的求解很困難。所以這類方法一般用于求解函數(shù)交規(guī)則和邊界條件較簡單的問題。分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個重要區(qū)別，它是針對每一個單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)），積分計算也是在單元內(nèi)完成。由于單元形狀簡單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項式就可獲得整個區(qū)域的適當精度。對于整個求解域而言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當單元尺寸縮小時，有限元就能收斂于實際的精確解。從以上分析可知，有限元法是差分法的一種發(fā)展，又可以看成是里茲法的一種新形式。它兼顧了兩者的優(yōu)點，同時克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實用性。7.3有限元分析詳細流程7.3.1零件建模在SolidWorks中，做出小車的建模比較容易實現(xiàn)，可以通過草圖繪制出各個零件的外形輪廓，然后通過拉伸，旋轉(zhuǎn)等一系列命令實現(xiàn)三維模型的建立。7.3.2模型簡化本次有限元分析是分析小車車架的受力，然后對小車的整體結(jié)構(gòu)的合理性進行分析，從而確定設(shè)計的合理情況，然而分析整個建?？赡苄枰獛资畟€小時，因此需要對整個分析模型進行簡化。7.3.3模型導入ANSYS通過SOLIDWORKS軟件與ANSYS軟件之間的無縫連接將三維實體模型導入ANSYS，形成ANSYS模型，具體操作為：File→Import→SOLIDWORKS，選擇三維實體模型，即可將模型導入ANSYS軟件。將模型顯示為實體：PlotCtrls→Style→SolidModelFacets,導入模型對話框如下圖所示：圖7-1導入模型7.3.4定義單元類型實際工程中的結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，為了方便模擬，ANSYS為用戶提供了幾十種單元用于結(jié)構(gòu)分析，而選取恰當?shù)膯卧愋褪琼樌M行有限元分析的重要一步。單元類型的選取，既要充分反映結(jié)構(gòu)的力學特性，也要盡可能的選取簡單的單元，使模型計算時簡單又節(jié)約計算費用。ANSYS軟件中，常用的單元類型有Solid實體單元、Shell板殼單元等。本文選用Solid186單元。相對于3-D，8節(jié)點的Solid45單元來說，Solid186單元更為高級，Solid186單元由20個節(jié)點定義，每個節(jié)點有三個自由度，為節(jié)點在x，y，z方向的平移自由度。它能夠吸收不規(guī)則形狀的單元而沒有精度損失，還有可并立的位移形狀，對于曲線邊界的模型能很好的適應。Solid186單元有塑性、蠕變、應力剛度、大變形及大應變能力.7.3.5定義材料屬性具體操作：MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,在彈出的對話框中選擇Structural→Linear→Elastic→Isotropic，設(shè)置材料的彈性模量EX為XXXXMPa，泊松比PRXY為XXXX。定義材料密度：Structural→Linear→Elastic→Density，設(shè)置材料的密度DENS為XXXXX噸/毫米37.3.6網(wǎng)格劃分在前兩步的基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格：MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，在MeshTool對話框中勾選SmartSize，選擇8級精度，點擊Mesh按鈕，出現(xiàn)MeshVolumes對話框，點擊PickAll，點擊OK。7.4有限元分析結(jié)果7.4.1應力云圖7.4.2應變云圖7.4.3合位移云圖結(jié)論本文經(jīng)過前期充分的調(diào)查，翻閱大量的書籍和資料，分析了命題相關(guān)的研究狀況，再結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢和背景，確定了命題具有一定的研究意義和研究價值。根據(jù)小車的運動原理和技術(shù)要求設(shè)計了比較合理的結(jié)構(gòu)，再使用MATLAB軟件中的Simulink-SimMechani