一種勢(shì)能小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

PAGE32PAGE33一種勢(shì)能小車的設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練“無(wú)碳重力勢(shì)能小車”的賽題分析。對(duì)小車的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)每一階段的深入分析把設(shè)計(jì)盡可能向最優(yōu)設(shè)計(jì)靠攏。根據(jù)小車功能要求，把小車分為車架、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)六個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。首先針對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)采用了錐形軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿、行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速、微調(diào)機(jī)構(gòu)采用微調(diào)螺母。然后對(duì)方案進(jìn)行理論分析，綜合考慮零件材料性能、加工工藝等，進(jìn)而得出了小車的具體參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。關(guān)鍵字:工程訓(xùn)練;參賽作品;重力勢(shì)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(shì)能小車主體功能設(shè)計(jì)要求 586751.2小車的設(shè)計(jì)方法 6170312勢(shì)能小車的方案設(shè)計(jì) 72.285591勢(shì)能小車的原理 72.28973勢(shì)能小車行走方案的對(duì)比和分析72.252173勢(shì)能小車方案的確定 82.146724小結(jié) 9195993勢(shì)能小車的總體方案設(shè)計(jì) 1015983.1重塊設(shè)計(jì) 1139963.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11241133.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12185803.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1311453.5行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14100643.6微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1592563.7驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 166903.8底板和支撐板的設(shè)計(jì) 1762253.9整車設(shè)計(jì) 18292954勢(shì)能小車的主要技術(shù)設(shè)計(jì) 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(yùn)動(dòng)學(xué)分析 2244664.1.3動(dòng)力學(xué)分析 23299015勢(shì)能小車的三維建模與仿真 2656685.1機(jī)構(gòu)尺寸確定 26139145.2軟件建模 26219425.3運(yùn)動(dòng)仿真 2745066典型零件加工工藝的分析及編寫(xiě) 305696.1驅(qū)動(dòng)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(guò)程 32311857.3有限元分析詳細(xì)流程 32148727.4有限元分析結(jié)果 325297結(jié)論 331067致謝 34230參考文獻(xiàn) 351緒論1.1勢(shì)能小車主體功能設(shè)計(jì)要求給定一重力勢(shì)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該自行小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開(kāi)障礙的多少來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。本論文主要以第七屆工程能力競(jìng)賽的要求為主，設(shè)計(jì)具有“8”字軌跡的繞障功能小車,小車必須繞過(guò)兩障礙物且不碰倒，并按規(guī)定路線運(yùn)行，在賽道中心線上測(cè)量的驅(qū)動(dòng)車有效的運(yùn)動(dòng)距離越長(zhǎng)以及成功繞樁數(shù)量越多越好。(1）驅(qū)動(dòng)車成功繞過(guò)障礙樁的評(píng)定:驅(qū)動(dòng)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(guò)賽道中心線(即驅(qū)動(dòng)車后輪過(guò)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(jì)入成績(jī);(2）驅(qū)動(dòng)車一次繞過(guò)多根樁或多次繞過(guò)同一根樁:均算作繞過(guò)一根樁，障礙樁被推出定位圓或被推倒均不得分。對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)程中完成的所有動(dòng)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(jì)方法小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，通過(guò)對(duì)命題的分析得到了比較清晰開(kāi)闊的設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)方法上考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法。1.3本章小結(jié)設(shè)計(jì)前首先了解全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練參賽的規(guī)則，這樣才能合理的制定這次的設(shè)計(jì)方案，才能達(dá)到所要求的設(shè)計(jì)目的。本次設(shè)計(jì)我是依據(jù)第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練參賽規(guī)則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以認(rèn)真負(fù)責(zé)，刻苦鉆研的精神為根本，來(lái)對(duì)本次設(shè)計(jì)做到更好更精確的設(shè)計(jì)。通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我可以在設(shè)計(jì)、論證、畫(huà)圖以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的這個(gè)過(guò)程當(dāng)中反復(fù)探索研究，一方面讓我對(duì)常用的工作軟件更加熟悉，使用起來(lái)更加得心應(yīng)手，另一方面加強(qiáng)了我們對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，也能更加認(rèn)識(shí)到自己學(xué)習(xí)的不足之處。在勢(shì)能小車設(shè)計(jì)不斷完善的這個(gè)過(guò)程中也許會(huì)碰到很多層出不窮的新問(wèn)題，及時(shí)地去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，更能讓我不僅學(xué)會(huì)怎么從工程設(shè)計(jì)的角度去審視問(wèn)題，從最開(kāi)始的漫無(wú)目的，毫無(wú)頭緒，隨著查閱資料，一點(diǎn)點(diǎn)的了解勢(shì)能小車，慢慢的做出設(shè)計(jì)，看著勢(shì)能小車設(shè)計(jì)的一步步完成，我的成就感也隨之增加。2勢(shì)能小車的方案設(shè)計(jì)2.1勢(shì)能小車的原理根據(jù)第七屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽的比賽要求，勢(shì)能小車主要要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能小車的動(dòng)能以及勢(shì)能小車行走方向的不定期轉(zhuǎn)向，根據(jù)這樣，可以將勢(shì)能小車分為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這兩個(gè)大的部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的難點(diǎn)在于要能量損耗小和傳動(dòng)比的精確，影響能耗與傳動(dòng)比的主要機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有帶輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)，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(diǎn)在于要控制精度高、能量損耗小并且可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，常見(jiàn)的有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪+搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿+搖桿機(jī)構(gòu)等。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可以設(shè)置微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄和連桿的長(zhǎng)度，以此讓小車來(lái)適應(yīng)不同樁距的行走。經(jīng)初步設(shè)計(jì)，將本小車結(jié)構(gòu)細(xì)分為六個(gè)部分,分別為車架、行走機(jī)構(gòu)、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及微調(diào)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要求能滿足小車的平穩(wěn)啟動(dòng)，并以較低速度進(jìn)行穩(wěn)定的行駛。如果小車的啟動(dòng)力矩太小，則無(wú)法驅(qū)動(dòng)勢(shì)能小車前進(jìn)，但若小車的驅(qū)動(dòng)力矩過(guò)大，則初始加速度也會(huì)過(guò)大，則小車啟動(dòng)速度太快，小車很難滿足穩(wěn)定的啟動(dòng)以及后續(xù)的穩(wěn)定行駛。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要滿足小車驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要求勢(shì)能小車能夠根據(jù)比賽的軌跡而進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)，該部分結(jié)構(gòu)尤為重要，若小車無(wú)法精確的轉(zhuǎn)向，就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行軌跡的偏差，則會(huì)使繞樁的路徑發(fā)生偏差，甚至?xí)c樁相撞，影響比賽的后續(xù)進(jìn)行。微調(diào)機(jī)構(gòu)要求能根據(jù)比賽時(shí)現(xiàn)場(chǎng)樁距的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)整，改變小車轉(zhuǎn)彎半徑，實(shí)現(xiàn)小車的正常運(yùn)行。2.4本章小結(jié)本次設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)初步確定為曲柄連桿+搖桿。行走機(jī)構(gòu)初步確定為單論驅(qū)動(dòng)。原動(dòng)機(jī)構(gòu)為輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的錐形螺旋槽。3勢(shì)能小車的總體方案設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開(kāi)障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架、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))。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。設(shè)計(jì)圖框如圖3-1圖3-1設(shè)計(jì)步驟在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)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(jì)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(shí)產(chǎn)生的離心力造成重塊晃動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為到小車前進(jìn)的動(dòng)力上。于是，小車原動(dòng)部分的設(shè)計(jì)須考慮以下條件:①適當(dāng)大的起動(dòng)力矩，適當(dāng)?shù)臓恳?，才能使小車足以起?dòng)、行駛平穩(wěn)，拐彎的時(shí)候不會(huì)因?yàn)樗俣忍蠖霈F(xiàn)晃動(dòng)或者側(cè)翻;②重塊在即將落到底板時(shí)，豎直方向上的速度應(yīng)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(chǎng)地的不確定性，小車轉(zhuǎn)化的動(dòng)力也不同，因此需要考慮牽引力可調(diào);④小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)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(jì)中出現(xiàn)的輸出動(dòng)力可調(diào)的繩輪機(jī)構(gòu)，材料選用鋁合金。為減少能量損失，采用高強(qiáng)度的尼龍線。開(kāi)始時(shí)，起動(dòng)力矩克服車輪的阻力矩向前滾動(dòng)，起動(dòng)小車，重物下降的過(guò)程就是重力勢(shì)能向小車動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。由于重塊下降過(guò)程中不是勻速運(yùn)動(dòng)，實(shí)際下落的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是:由靜止開(kāi)始加速，然后勻速下落，最后進(jìn)入減速階段，以接近速度為零落至底板。因此，開(kāi)始時(shí)需要較大的起動(dòng)力矩，才足以將小車牽動(dòng)。所以需要對(duì)滾簡(jiǎn)的直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里通過(guò)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，使小車能夠比較平穩(wěn)地起動(dòng)和行走得更長(zhǎng)。這樣既減小了能量的損失，也充分地運(yùn)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(dòng)輪軸之間為過(guò)盈配合。小車原動(dòng)部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的組合方案，如圖3-2所示，圖3-2小車原動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是將轉(zhuǎn)化來(lái)的動(dòng)力傳到小車的驅(qū)動(dòng)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(dòng)部分的設(shè)計(jì)須要保證傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及分析如下:①帶輪傳動(dòng):相較于其他結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)時(shí)平緩穩(wěn)定、抗震性能較好、成本低等，但其缺點(diǎn)也很明顯，傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度的不高，導(dǎo)致不適合本小車設(shè)計(jì)，固舍棄。②齒輪傳動(dòng):結(jié)構(gòu)較為緊湊、所以傳動(dòng)比比較穩(wěn)定、故而傳動(dòng)效率很高，甚至可以達(dá)到95%，因此工作可靠③同步帶傳動(dòng):雖然傳動(dòng)效率很高，但是勢(shì)能小車中兩傳動(dòng)軸的中心距小，不容易保證包角，所以舍棄。④皮帶傳動(dòng):易打滑，不夠平穩(wěn)，傳動(dòng)性不好，摩擦較大，能耗損失太大。⑤鏈條傳動(dòng):傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，且質(zhì)量輕，但瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)傳動(dòng)比無(wú)法固定，傳動(dòng)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(dòng)的精確性與質(zhì)量較輕，固選齒輪傳動(dòng)。由于小車的動(dòng)力源全部由重塊提供，則驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)都是通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)運(yùn)作的。驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞線筒在重塊的牽引力下產(chǎn)生扭矩使得驅(qū)動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還以一定的傳動(dòng)比將驅(qū)動(dòng)輪上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給搖桿，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。為了行走到接近重合的軌跡，傳動(dòng)部分的作用很大，則齒輪的傳動(dòng)比i的取值就顯得非常重要。它不僅傳遞轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入，同時(shí)保證了在驅(qū)動(dòng)輪完成一個(gè)周期的路程時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成一個(gè)周期的動(dòng)作。本次大賽賽道如圖，兩個(gè)板最遠(yuǎn)距離為3000mm，為了使小車有充足的行走空間，安全通過(guò)不撞隔板，則取行走軌跡的兩端點(diǎn)距離為3200mm。行走軌跡為“8”字，相當(dāng)于兩個(gè)圓形，則一個(gè)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(zhǎng)為400Πmm，則小車每走完一個(gè)八字，后輪就轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)和材料的選擇，以及加工精度的保證。以盡量減少受載時(shí)軸彎曲變形，因此各傳動(dòng)軸應(yīng)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(yùn)動(dòng)的精度。3.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本次勢(shì)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(jì)轉(zhuǎn)向要求的機(jī)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪+搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿+搖桿機(jī)構(gòu)等。每個(gè)機(jī)構(gòu)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)比自己設(shè)計(jì)機(jī)械的使用環(huán)境來(lái)進(jìn)行選擇，如轉(zhuǎn)向機(jī)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(dāng)它運(yùn)動(dòng)時(shí)，它可以通過(guò)高次接觸引起從動(dòng)件的任何連續(xù)或不連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：凸輪從動(dòng)件只需設(shè)計(jì)一個(gè)合適的曲線輪廓就可以獲得任何所需的運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊并且易于設(shè)計(jì)。缺點(diǎn):凸輪輪廓加工比較困難。在這種小車設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致能量損失大（主要為滑動(dòng)摩擦），所以不采用。曲柄連桿+搖桿優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)部件的單位面積壓力較低，接觸面容易潤(rùn)滑，所以磨損減少，容易制作，容易獲得較高的精度，兩個(gè)部件之間的接觸是靠自身的幾何閉合來(lái)維持，它不像凸輪機(jī)構(gòu)，有時(shí)必須用彈簧和其他閉合力來(lái)維持接觸。缺點(diǎn)：通常只能近似于給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或軌跡，獲得完美的運(yùn)動(dòng)軌跡較難，而且設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，如果給定的運(yùn)動(dòng)要求比較大或比較復(fù)雜，所需的部件和運(yùn)動(dòng)子集的數(shù)量往往比較大，所以機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，性能降低，不僅自鎖的可能性增大，而且對(duì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，誤差設(shè)定的靈敏度也增大。機(jī)構(gòu)對(duì)飛機(jī)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)部件和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力部件難以平衡，在高速下會(huì)引起較多的振動(dòng)和動(dòng)應(yīng)力，所以聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)常在低速情況下使用。在小車設(shè)計(jì)中，由于小車控制的頻率和動(dòng)力傳遞不大，所以機(jī)構(gòu)可以相對(duì)較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)也不復(fù)雜。對(duì)于敏感的設(shè)定誤差，我們可以增加一個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。曲柄搖桿優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于制作。缺點(diǎn)：和凸輪一樣，有一個(gè)滑動(dòng)的摩擦副，導(dǎo)致其效率低，對(duì)于能量提供有限的小車來(lái)說(shuō)，比較致命，存在急回特性，且占用空間大，容易損壞，導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)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(jī)構(gòu)的方案3.5行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為文獻(xiàn)[7]對(duì)于相同的材料為一定值,滾動(dòng)摩擦阻力文獻(xiàn)[7]通過(guò)分析公式可知道，當(dāng)壓力一定和材料一定時(shí)，摩擦力與輪子尺寸成反比，當(dāng)輪子尺寸越大時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的阻力則會(huì)越小，故能夠行走的距離就會(huì)更遠(yuǎn)。但由于需要考慮加工的問(wèn)題、材料的問(wèn)題以及安裝的問(wèn)題等等，車輪的具體尺寸還需要對(duì)其進(jìn)一步分析后再確定。由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過(guò)多的約束，無(wú)法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以很好避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)中出現(xiàn)的問(wèn)題，雙輪差速驅(qū)動(dòng)主要通過(guò)差速器或單向軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。差速器可以較好的減少摩擦損耗，單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過(guò)程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，但影響有多大會(huì)不會(huì)影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為主動(dòng)輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與主動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動(dòng)精度比單向軸承高。綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，采用單輪?qū)動(dòng)。3.6微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)由于障礙物的間距不確定、隨機(jī)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(zhǎng)度有關(guān)。曲柄和搖桿的長(zhǎng)度對(duì)小車精確地完成重復(fù)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(jī)構(gòu)。針對(duì)曲柄搖桿機(jī)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(zhǎng)度，選用螺母式。連桿的長(zhǎng)短主要通過(guò)粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種方式來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)粗調(diào)，而在連桿的另一端通過(guò)螺紋與搖桿連接實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，通過(guò)螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)改變連桿、搖桿的長(zhǎng)度。此外，兩端的螺紋需要反向，當(dāng)向某一側(cè)旋轉(zhuǎn)旋套，兩側(cè)的螺桿同時(shí)旋入或旋出，從而減小或增大連桿的長(zhǎng)度。這里采用的是M5公制細(xì)牙螺紋，牙距為0.5mm。微調(diào)時(shí)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)旋套10°，連桿長(zhǎng)度變化值△為:?？梢?jiàn)，微調(diào)機(jī)構(gòu)可以實(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的有單輪驅(qū)動(dòng)，雙輪同步驅(qū)動(dòng)以及雙輪差速驅(qū)動(dòng)等。雙輪同步驅(qū)動(dòng)用于這次比賽，在轉(zhuǎn)彎行駛的過(guò)程中必定有輪子會(huì)與地面打滑，而滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦損失的能量多，考慮小車的初始能量有限且后續(xù)沒(méi)有額外的能量來(lái)提供小車的運(yùn)行，同時(shí)，雙輪同步驅(qū)動(dòng)會(huì)使小車在前進(jìn)受到過(guò)多的約束，不能夠保證其運(yùn)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(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題，可以通過(guò)差速器或單向軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。差速器應(yīng)用到最小能耗原理，能有效的減少摩擦帶來(lái)的損耗，同時(shí)還能夠較好的實(shí)現(xiàn)主要運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，應(yīng)用零件較多，會(huì)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(gè)方向上可以自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而在另一個(gè)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(guò)程中，使轉(zhuǎn)速較快的的那個(gè)車輪將成為從動(dòng)輪，轉(zhuǎn)速較慢的車輪則會(huì)成為主動(dòng)輪。然而，由于單向軸承中會(huì)存在側(cè)隙，故而在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪切換的過(guò)程中存在誤差，以至于運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確。單輪驅(qū)動(dòng)則是只利用一個(gè)輪子當(dāng)作驅(qū)動(dòng)輪，另外兩個(gè)輪子不提供驅(qū)動(dòng)作用，其中一個(gè)作為主動(dòng)輪，另一個(gè)作為從動(dòng)輪。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪和主動(dòng)輪間的差速，則是依靠與地面的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行約束確定的。其缺點(diǎn)是傳動(dòng)精度比沒(méi)有單向軸承高，前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，但優(yōu)點(diǎn)是比差速器的效率高，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便，成本低。最終，考慮到加工過(guò)程中的可操作性和加工成本等一些列問(wèn)題，選擇單輪驅(qū)動(dòng)作為小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在確定單輪驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)方案后，就直接把驅(qū)動(dòng)輪作簡(jiǎn)化為參考點(diǎn)，并進(jìn)行軌跡分析。通過(guò)前面一章軌跡的分析可以得到理想的軌跡路線應(yīng)該是一個(gè)對(duì)稱的且圓滑的八字形。考慮到單輪驅(qū)動(dòng)向左轉(zhuǎn)彎和向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，在主動(dòng)輪在內(nèi)側(cè)和外側(cè)，會(huì)產(chǎn)生不同的回轉(zhuǎn)半徑R。假設(shè)右邊的后輪為主動(dòng)輪，向右轉(zhuǎn)時(shí)，向左轉(zhuǎn)時(shí),(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(gè)葫蘆型的八字。3.8底板和支撐板的設(shè)計(jì)為了防止重塊下降過(guò)程中擺動(dòng)，影響小車行走，設(shè)計(jì)了三根立柱的約束導(dǎo)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(dāng)，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(dǎo)軌支撐架底板是小車最主要的承載體，連接重要機(jī)構(gòu)，固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要合理?？紤]到小車載重不是很大，將底板設(shè)計(jì)成框式結(jié)構(gòu)。為了避免底板因發(fā)生振動(dòng)而造成大量能量損失，將邊框橫截面設(shè)計(jì)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(gè)后輪之間的軸距，由于小車連續(xù)不斷地作曲線運(yùn)動(dòng)，因此兩個(gè)后輪行走時(shí)存在著速差。軸距會(huì)影響小車的平穩(wěn)性，并且對(duì)后輪的差速性能也有很大的影響。軸距太小則會(huì)降低小車行走過(guò)程中的平穩(wěn)性，軸距太大又會(huì)加大小車的轉(zhuǎn)向難度。在把每個(gè)零件裝配上去后，取底板能夠達(dá)到的最小值，將底板的寬度設(shè)計(jì)為105mm，長(zhǎng)度根據(jù)齒輪嚙合的長(zhǎng)度以及轉(zhuǎn)向部分和行走部分所占長(zhǎng)度設(shè)計(jì)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(shí)際結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，圖3-6底板實(shí)際建模3.9整車設(shè)計(jì)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(jìng)賽的要求設(shè)計(jì)前輪直徑為30mm，厚度為10mm,以便于放下兩個(gè)軸承。轉(zhuǎn)向部分的球頭為網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)，設(shè)計(jì)尺寸為內(nèi)徑3mm，外徑5mm;微調(diào)螺母為雙向螺紋，為了適應(yīng)球頭設(shè)計(jì)外徑為3毫米，長(zhǎng)度為55毫米;轉(zhuǎn)向支撐架根據(jù)已確定的零件尺寸來(lái)設(shè)計(jì);與前輪支撐架連接到螺桿為全螺紋，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為56mm，便于大幅度的調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，改變前輪的最大轉(zhuǎn)角。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不完全齒輪設(shè)計(jì)為68個(gè)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(jì)為33個(gè)齒，模數(shù)為1，傳動(dòng)比約為1:2;而有前面的說(shuō)明可知原動(dòng)軸上的齒輪與傳動(dòng)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(jì)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(jì)，后輪的直徑200毫米，厚度為5毫米，小車底板寬105毫米，長(zhǎng)度為220毫米，厚度為3毫米，各個(gè)支架依據(jù)安放位置自行調(diào)整設(shè)計(jì)，再把車架多余的地方掏空。依據(jù)以往比賽經(jīng)驗(yàn)，支撐長(zhǎng)桿要保持重心的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)桿長(zhǎng)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(jì)為25mm，厚度8mm.4勢(shì)能小車的主要技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是完成詳細(xì)設(shè)計(jì)確定個(gè)零部件的的尺寸。設(shè)計(jì)的同時(shí)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(guò)對(duì)小車的能耗規(guī)律、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。4.1.1能耗規(guī)律分析為了簡(jiǎn)化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機(jī)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(rèn)為重塊的重力勢(shì)能都用在小車克服阻力前進(jìn)上。則有式中為第i個(gè)輪子對(duì)地面的壓力--為第i個(gè)輪子的半徑-為第i個(gè)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(yuǎn)，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(guò)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(jiàn)，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(shí)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(dāng)摩擦系數(shù)=0.5mm時(shí)，小車行走距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖。由圖4-2可知，當(dāng)小車的半徑遞增lcm時(shí)距離則相應(yīng)的增多1～2m。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在能保證完成八字型繞行和結(jié)構(gòu)安裝的同時(shí)，可以適量地增大輪子半徑，從而使小車行走得更遠(yuǎn)。圖4-2距離輪子半徑圖圖4-3是當(dāng)小車后輪直徑與摩擦系數(shù)都定下來(lái)之后，隨著小車重量的遞增，小車的前進(jìn)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(yīng)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(jì)小車時(shí)應(yīng)盡量減少機(jī)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(yùn)動(dòng)學(xué)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(dòng)力;FA、FB、Fc為地面對(duì)小車的支撐力，即約束力，這六個(gè)力相互作用構(gòu)成空間三維上的一個(gè)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(shí)以u(píng)=0.20為例計(jì)算，由，,所以，可解得三個(gè)輪子與地面的滾動(dòng)摩擦分別為:==1.36N，fc=2.08N.這里對(duì)小車穩(wěn)定時(shí)的系統(tǒng)的動(dòng)力分析，可得出輪子與地面間的滾動(dòng)摩擦力的大小，但由于場(chǎng)地的不確定性，因此，摩擦力也不確定。但通過(guò)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(jì)和選材方面，應(yīng)該盡量減重。4.1.3動(dòng)力學(xué)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(shí)的受力示意圖以小車為研究對(duì)象，F(xiàn)max為小車轉(zhuǎn)彎時(shí)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(shí)的最小半徑,則由上述的分析可知，小車在行走時(shí)的最大速度可以通過(guò)改變繩子繞錐形輪的位置改變，最大速度時(shí)不超過(guò)錐形輪的最大端，隨后慢慢減小，以此達(dá)到控制轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過(guò)大而側(cè)翻。小車軌跡分析小車實(shí)現(xiàn)繞“8”字型運(yùn)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(gè)相切的圓組成，如圖4-7所示。為使小車轉(zhuǎn)彎過(guò)程平穩(wěn)，所設(shè)計(jì)的小車運(yùn)行的軌跡曲率半徑不能突變，并且應(yīng)當(dāng)在滿足加工的可制造性和繞障距離的同時(shí)，整個(gè)軌跡長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短。這樣才能充分地利用重塊的重力勢(shì)能，減少行走過(guò)程中的能耗，以至于讓小車在規(guī)的能量下多走幾個(gè)循環(huán)周期。圖4-6軌跡一圖4-7軌跡二軌跡一，為計(jì)算簡(jiǎn)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(jì)算，軌跡總長(zhǎng)度為L(zhǎng)~2042.59mm。相同情況下，軌跡二的總長(zhǎng)度大概為L(zhǎng)=2×2tR=2009.6mm，因此選擇軌跡二。但由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(jì)中，也只能盡可能使8字軌跡更加豐滿，不要太瘦長(zhǎng)。5勢(shì)能小車的三維建模與仿真本設(shè)計(jì)要對(duì)實(shí)物或設(shè)計(jì)進(jìn)行三維建模時(shí)，同樣也需要零件的基本尺寸，所以實(shí)體建模之前還得確定每個(gè)零件的尺寸(這里不考慮材料的區(qū)分）。5.1機(jī)構(gòu)尺寸確定通過(guò)前面的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和軌跡模擬，整個(gè)小車的主要的結(jié)構(gòu)和尺寸基本確定，詳見(jiàn)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(zhǔn)（基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等）作為參照;建立基礎(chǔ)實(shí)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(fù)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(yùn)用軟件繪制小車各零件實(shí)體圖（詳見(jiàn)后面附圖），通過(guò)裝配每個(gè)零件，形成一個(gè)完整的實(shí)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(yùn)動(dòng)仿真在工程實(shí)驗(yàn)中，凡是要求做實(shí)物、機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)，為了降低時(shí)間和加工的成本，一般都會(huì)事先使用軟件做部分運(yùn)動(dòng)仿真，主要是檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)間的傳動(dòng)和配合，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可行性，準(zhǔn)確裝配保證正常的運(yùn)動(dòng)特征。小車的運(yùn)動(dòng)仿真，主要是在三維建模之后的裝配圖中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)仿真。參數(shù)的設(shè)置尤為重要，需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和特性，添加電機(jī)和運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，其中電機(jī)的位置和時(shí)間的長(zhǎng)短等都是需要著重考慮的因素。下面就齒輪和電機(jī)的定義和測(cè)量分析做詳細(xì)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(gè)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(jī)的定義在動(dòng)力方面，并沒(méi)有給定砝碼的自由落體提供能量，而是簡(jiǎn)化成在原動(dòng)軸上添加電機(jī)，如圖5-4，設(shè)定為伺服電機(jī)，速度為常數(shù)20度每秒。圖5-4伺服電機(jī)定義圖5.3.3測(cè)量分析設(shè)定初始時(shí)間0，結(jié)束時(shí)間50秒，幀數(shù)25幀每秒，最小間隔0.04，點(diǎn)擊確定和運(yùn)行，即可觀察到電機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，如圖5-5所示。并觀察發(fā)現(xiàn)，通過(guò)傳遞電機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)右后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)傳動(dòng)驅(qū)使前輪間歇地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，即證明機(jī)構(gòu)的可行性。圖5-5測(cè)量分析圖6典型零件加工工藝的分析及編寫(xiě)6.1驅(qū)動(dòng)軸加工工藝分析驅(qū)動(dòng)軸是無(wú)碳小車的一個(gè)典型零件，它主要用來(lái)支承傳動(dòng)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(dòng)軸的工藝應(yīng)結(jié)合中批生產(chǎn)的工藝特征來(lái)考慮。6.1.1零件結(jié)構(gòu)及其工藝性分析該軸為細(xì)長(zhǎng)小臺(tái)階軸，由外圓柱面、螺紋和鍵槽組成，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但長(zhǎng)徑比L/d>12屬撓性軸，剛性差，工藝性差，加工時(shí)極易造成彎曲變形，但可以使用中心架來(lái)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(tái)階軸處，即安裝軸承和安裝齒輪的部位，精度較高，均是6級(jí)精度，過(guò)渡配合?？赏ㄟ^(guò)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(méi)有形狀精度要求，只有3處階梯軸段對(duì)兩處基準(zhǔn)的徑向圓跳動(dòng)的要求，屬位置精度要求，精度較高，最高值為0.008mm，且該軸長(zhǎng)徑比比較大，屬細(xì)長(zhǎng)軸類零件，該徑向圓跳動(dòng)要求屬于加工關(guān)鍵，加工時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，可通過(guò)以兩端中心孔為工藝基準(zhǔn)（精基準(zhǔn)）和中心架來(lái)保證其圓跳動(dòng)的位置精度要求;兩處鍵槽的對(duì)稱度要求較高，為0.01mm，在普通銑床上很難保證，應(yīng)使用數(shù)控銑床來(lái)完成，但必須以兩端中心孔為工藝基準(zhǔn)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(guò)磨削可以保證。4.零件選材及熱處理分析該軸雖屬臺(tái)階軸，但外圓直徑尺寸相差不大，且強(qiáng)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(shí)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(dá)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(shí)際工程問(wèn)題的方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問(wèn)題及熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)以及沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都可以通過(guò)有限元法得到解決。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過(guò)短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)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(gè)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(jiǎn)單幾何形狀（如二維問(wèn)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(gè)定義域的復(fù)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(jiǎn)單的問(wèn)題代替比較復(fù)雜的問(wèn)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(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所替代。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元法不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)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(gè)方面，一是離散，二是分片插值。離散就是將一個(gè)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(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，單元間的相互作用只能通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞，通過(guò)離散，一個(gè)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(lái)具有無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)變量的代數(shù)方程組，以利于用計(jì)算機(jī)求解。有限元法的離散思想借鑒于差分法，但做了適當(dāng)改進(jìn)。首先，差分法是對(duì)計(jì)算對(duì)象的微分方程和邊界條件進(jìn)行離散，而有限元法是對(duì)計(jì)算對(duì)象的物理模型本身進(jìn)行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過(guò)程依然能夠進(jìn)行。其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網(wǎng)格，各個(gè)單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復(fù)雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應(yīng)力集中這樣的局部特性時(shí)，有限元法的適應(yīng)性更強(qiáng)，離散精度更高。變分法是在整個(gè)求解域用一個(gè)統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實(shí)函數(shù)，當(dāng)真實(shí)函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時(shí)，這種處理是合理的。但如果真實(shí)函數(shù)的性態(tài)很復(fù)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(shuō)要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數(shù)。同時(shí)由于不能在求解域的不同部位對(duì)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(wèn)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(jiǎn)單的問(wèn)題。分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個(gè)重要區(qū)別，它是針對(duì)每一個(gè)單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)），積分計(jì)算也是在單元內(nèi)完成。由于單元形狀簡(jiǎn)單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項(xiàng)式就可獲得整個(gè)區(qū)域的適當(dāng)精度。對(duì)于整個(gè)求解域而言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當(dāng)單元尺寸縮小時(shí)，有限元就能收斂于實(shí)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(diǎn)，同時(shí)克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實(shí)用性。7.3有限元分析詳細(xì)流程7.3.1零件建模在SolidWorks中，做出小車的建模比較容易實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)草圖繪制出各個(gè)零件的外形輪廓，然后通過(guò)拉伸，旋轉(zhuǎn)等一系列命令實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。7.3.2模型簡(jiǎn)化本次有限元分析是分析小車車架的受力，然后對(duì)小車的整體結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析，從而確定設(shè)計(jì)的合理情況，然而分析整個(gè)建?？赡苄枰獛资畟€(gè)小時(shí)，因此需要對(duì)整個(gè)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。7.3.3模型導(dǎo)入ANSYS通過(guò)SOLIDWORKS軟件與ANSYS軟件之間的無(wú)縫連接將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS，形成ANSYS模型，具體操作為：File→Import→SOLIDWORKS，選擇三維實(shí)體模型，即可將模型導(dǎo)入ANSYS軟件。將模型顯示為實(shí)體：PlotCtrls→Style→SolidModelFacets,導(dǎo)入模型對(duì)話框如下圖所示：圖7-1導(dǎo)入模型7.3.4定義單元類型實(shí)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(dāng)?shù)膯卧愋褪琼樌M(jìn)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(xué)特性，也要盡可能的選取簡(jiǎn)單的單元，使模型計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)單又節(jié)約計(jì)算費(fèi)用。ANSYS軟件中，常用的單元類型有Solid實(shí)體單元、Shell板殼單元等。本文選用Solid186單元。相對(duì)于3-D，8節(jié)點(diǎn)的Solid45單元來(lái)說(shuō)，Solid186單元更為高級(jí)，Solid186單元由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，為節(jié)點(diǎn)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(méi)有精度損失，還有可并立的位移形狀，對(duì)于曲線邊界的模型能很好的適應(yīng)。Solid186單元有塑性、蠕變、應(yīng)力剛度、大變形及大應(yīng)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(duì)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(duì)話框中勾選SmartSize，選擇8級(jí)精度，點(diǎn)擊Mesh按鈕，出現(xiàn)MeshVolumes對(duì)話框，點(diǎn)擊PickAll，點(diǎn)擊OK。7.4有限元分析結(jié)果7.4.1應(yīng)力云圖7.4.2應(yīng)變?cè)茍D7.4.3合位移云圖結(jié)論本文經(jīng)過(guò)前期充分的調(diào)查，翻閱大量的書(shū)籍和資料，分析了命題相關(guān)的研究狀況，再結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和背景，確定了命題具有一定的研究意義和研究?jī)r(jià)值。根據(jù)小車的運(yùn)動(dòng)原理和技術(shù)要求設(shè)計(jì)了比較合理的結(jié)構(gòu)，再使用MATLAB軟件中的Simulink-SimMechani