S型無碳小車設計教學教材

2整體設計思路基于上述考慮，得出無碳小車的結構越簡單重力勢能轉換成動能時損失的能量少效率就高；通過設計齒輪的傳動比可以改變小車的初始速度，速度越快，小車能走得越遠；合理的設計出轉向機構能夠讓小車按近似于“S”型路線行走；微調機構能夠調節(jié)小車的轉向角度，讓無碳小車順利避過障礙物；合理的選材減輕整車質量，減少摩擦。因此完整的無碳小車應當包括車架、傳動構件、轉向機構、車輪、重錘架。下面簡要考慮車架、傳動構件、轉向機構的選用。2整體設計思路車架車架承受的力不大，要求重量輕，加工簡單，考慮到加工成本等，車架采用無機橡膠加工制作成正方形底板式，尺寸還要進一步確定。傳動構件為了使小車行駛得更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構需要傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結構簡單重量輕等。一般傳動機構主要有齒輪傳動、帶輪傳動、鏈傳動。齒輪傳動的特點是：傳動平穩(wěn)、傳動比精確、工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。帶輪具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。鏈傳動平均傳動比準確,傳動效率高，軸間距離適應范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用；但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。帶輪傳動精確度不高，不適合小車精確傳動。鏈傳動由于制作不便，且制作成本高，故只用齒輪傳動。2整體設計思路轉向機構轉向機構是本無碳小車設計的關鍵部分，直接決定著小車能否按“S”的路線行走。一般能按特定規(guī)律運動的機構有：凸輪機構、曲柄搖桿、齒帶槽、凹槽輪等。凸輪機構：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓設計計算麻煩，加工比較困難。曲柄搖桿：優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力小，且面接觸方便潤滑，故磨損減小，制造方便，能夠獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構常用于速度較低的場合。2整體設計思路齒帶槽：通過在齒帶背后建立特定軌跡凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律擺動，驅動轉向輪規(guī)律轉動。優(yōu)點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便。缺點：如果小車運動軌跡長，齒條也要較長，齒輪的增加消耗過多勢能。凹槽輪：在輪子面部制作凹槽，凹槽連接搖桿，帶動搖桿左右有規(guī)律擺動，驅動轉向輪規(guī)律轉動。優(yōu)點：凹槽軌跡容易獲得，制作方便，在較小的空間在齒輪面可以圓周規(guī)律循環(huán)，不用考慮長度。缺點：體積較大。參見圖2-1圖2-1凹槽輪3結構設計及參數(shù)選擇軌道的設計無碳小車按正弦曲線行走，路線近似于“S”型，在行駛軌跡確定的情況下，小車的行駛路徑不變，對路徑的研究設計，可以大概確定小車行走路程，初步斷定車輪的半徑，轉向輪的最大角度。無碳小車在寬度為2000mm的賽道上行駛，中間的障礙物相隔100mm，為了不讓無碳小車越出賽道，避免無碳小車與障礙物碰撞，擬定出一下路線圖參見圖3-1：圖3-1小車行走路線示意圖3結構設計及參數(shù)選擇把此路線近似于余弦曲線，振幅為300mm，波長2000mm，軌跡方程近似為：用Mathematica數(shù)學軟件求解得s=2388.97mm可知無碳小車行駛一個周期走過的路徑為2388.97mm，無碳小車的車輪也近似走了2388.97mm。3結構設計及參數(shù)選擇車輪尺寸的設計由小車行走路線的軌跡及方案的初步計算可知，車輪半徑越大，小車走得越遠，無碳小車行走一個半徑時，車輪轉過的圈速越小越好。這里設定車輪轉過3圈，則可以計算出無碳小車的車輪半徑為

=126.8mm，為了方便制作取半徑為

=125mm齒輪的確定確定了無碳小車的車輪半徑后，根據(jù)ds=

*d

= (3-5)其中齒輪2于齒輪1的傳動比i=3結構設計及參數(shù)選擇選用齒輪1和齒輪2的總齒數(shù)為100。齒輪1齒數(shù)為20，齒輪2齒數(shù)為80。根據(jù)《機械設計課程設計》齒輪結構設計可計算出齒輪1、齒輪2的參數(shù)如下：m=2齒輪1：=20，直徑=m=40mm齒頂圓直徑=44mm；齒根圓直徑=35mm；齒頂高=2mm；

齒根高=2.5mm；齒輪2：=80，直徑=m=160mm齒頂圓直徑=164mm；齒根圓直徑=155mm；齒頂高=2mm；齒根高=2.5mm3結構設計及參數(shù)選擇轉向撥桿的設計轉向撥桿的端面小球直徑10mm，桿長60mm，桿直徑3mm，桿面有螺紋便于調節(jié)球面與凹槽輪的長度，引起轉向軸的輕微偏轉。這種設計把轉向機構與微調機構整合在一起，設計簡單、機構輕巧、靈活方便。凹槽輪的設計凹槽輪的寬度由撥桿小球的球面直徑和前輪轉向的最大角度決定。在實際的運動中無碳小車的轉向角度,參見圖3-2圖3-2前輪最大轉動角度為了便于設計與實際制作，凹槽輪的直徑與齒輪3的直徑相同為120mm。3結構設計及參數(shù)選擇轉向輪的設計轉向輪隨著軸向軸的偏轉而偏轉，轉向輪起到調整小車轉彎的作用，轉向輪不應過大，一般小于后輪的尺寸，設定轉向輪的半徑為25mm。軸承的選用考慮到軸承不易制作，在實際中可以通過選用購買標準件用于小車的制作。軸承的選用標準參考《機械設計課程設計》機械工業(yè)出版社第133頁滾動軸承的國家標準。選用最小的深溝球軸承C6201，最小直徑為12mm，最大外徑為32mm。軸的設計在整個無碳小車的設計方案中，包括后車輪軸、繩輪軸、槽輪軸、轉向軸4跟軸(參見圖3-4至3-7)。根據(jù)無碳小車的選用的C6201軸承，這4根最大直徑應該為12mm，便于裝配。因為無

碳小車的動力較小，軸承產生的扭矩較小，不再對軸的強度進行校核。3結構設計及參數(shù)選擇槽輪軸尺寸見圖3-6轉向軸尺寸見圖3-7圖3-6槽輪軸尺寸圖3-7轉向軸尺寸3結構設計及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖圖3-8無碳小車的完整裝配圖建模3結構設計及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖3結構設計及參數(shù)選擇完成各種零件的裝配后得到了無碳小車的完整裝配圖4仿真結果在完成整體裝配圖的環(huán)境下，單擊左下角的運動算例，把動畫模擬時間軸拉到20秒的位置。在無碳小車裝配體中，單擊虛擬馬達，彈出馬達類型對話窗，選擇旋轉馬達，然后單擊繩輪面，為繩輪軸添加一個虛擬馬達。虛擬馬達模擬重錘下落時牽動繩子帶動繩索轉動的情況，設定虛擬馬達的轉速為30r/min。然后按下從頭播放動畫，觀察小車齒輪、車輪、凹槽輪、撥桿運動情況。輸出動畫結果，對結果進行分析。對于建立的無碳小車，在沒有考慮其它摩擦力、阻力、能量損失的情況下，加人虛擬馬達模擬運動時，繩輪能帶動軸的轉動，引起齒輪2的轉動，齒輪2又帶動齒輪1、齒輪3的轉動。當車輪轉過1.5圈時，凹槽輪剛好轉過0.5圈，說明齒輪1、齒輪2、齒輪3在齒數(shù)設計上符合擬定的運動軌跡轉向要求。對于轉向機構的設計，凹槽輪轉動時，撥桿球面與凹槽面相切運動，隨著凹槽的