1、机械工程学院毕业设计（论文）题 目： 无碳小车设计 专 业： 机械电子工程 班 级：） 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2015 年 5 月 27 日 III无碳小车设计摘要：进入二十一世纪，科技在迅猛的发展，人们的生活水平在不断的提高，生活方式也发生了翻天覆地的变化。但是我们在享受科技带来便利的同时，环境问题越来越引起人们的广范关注，鉴于此，中国提出了走可持续发展道路，在响应绿色环保的口号的号召下，我们设计了用重力势能驱动的无碳小车，通过分析，设计出合理的尺寸，然后用 CAD画出小车的各个零件图和小车的装配图，最后用 UG 画出小车三维图。关键词：无碳小车；环保；机械设计Carbo
2、n-free car designAbstract: the 21st century, in the rapid development of science and technology, peoples standard of living is constantly improving, the lifestyle also changed dramatically. But we enjoy the technology bring convenient at the same time, environmental problems become more and more aro
3、used peoples wide attention, in view of this, puts forward the sustainable development in China, in response to the green environmental protection under the call of the slogan, we designed a carbon-free car driven by the gravitational potential energy, through the analysis, design a reasonable size,
4、 then use CAD draw a car parts diagram and the car assembly drawings, three-dimensional figure with UG finally draw a car.Key words: carbon-free car; Environmental protection; Mechanical design 引言设计无碳越障小车之初，首先我们要确定一套优化方案。然后我们运用所学过的一些物理学知识进行分析。最后用机械设计方面的知识来设计出合理的结构。小车主要有六个部分组成，它们分别是：车架 、原动机构 、传动机构 、转
5、向机构 、行走机构和微调机构。我们要对这六个机构逐个进行设计。无碳小车工作的原理就是把重力势能转化成机械能带动小车运动。然后小车通过合理的转向机构最终能够自行的避开障碍物等动作。IV目 录目 录 III1.1 概况 11.2 现状分析 .22 总体设计 .32.1 任务分析 52.2 总体设计要求 52.3 总体结构设计要求 83 小车各个重要机构设计 .93.1 滑轮的设计 .93.2 驱动机构的设计 .103.3 车架的设计 .113.5 导向机构的设计 .123.6 行走机构的设计 .133.7 传动机构的设计 .143.7.1 齿轮的设计 143.7.2 传动轴的设计 164 重要零件
6、设计计算 174.1 小车后轮尺寸计算 .174.2 微调机构的设计及选择 .174.3 车底板设计 .184.4 车支架的设计 .195.1 小车整体零件加工概述 .205.1.1 小车叉架工艺 205.1.2 前轮的工艺 216 三维模型的建立 227 装配并调试小车 2301 前言1.1 概况无碳小车是一项全国工程训练综合能力竞赛的课题。如表 1 所示是第三届工程训练综合能力竞赛中“S”型的小车全国前二十名。表 1 无碳越障小车比赛信息表参赛队 队号 总名次上海大学 14 1石油大学 06 2河南理工大学 38 3山东理工大学 27 4常州大学 47 5安徽工程大学 41 6北京理工大学
7、 45 7天津职业技术师范大学 02 8哈尔滨工业大学 32 9浙江大学 11 10桂林电子科技大学 37 11河南科技大学 42 12合肥工业大学 30 13厦门大学 33 14北京航空航天大学 36 15福州大学 01 16上海工程技术大学 22 17湖南工程学院 35 18江西理工大学 39 19安徽理工大学 06 20他们的车一般由车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块组成。对他们小车的六个模块依次分析可以得出下列结论：（1）在选材料方面,一般用铝合金和有机玻璃,因为这些材料密度低,相同体积下做出的材料,小车质量小.（2）传动机构选择要求传动效率高的,
8、一般用一级齿轮组传动并且选择模数小1的齿轮.（3）驱动机构小车通过滑轮悬挂重物，使重物缓慢下落,带动驱动轴旋转,从而带动轮子转动,最后保证小车能够正常运行.小车上的滑轮半径设计得要合理,过大过小都不好。（4）常用的微调机构有螺纹微调和曲柄盘微调。由于小车对转向机构精度要求非常高，在调试的时候，通过微调机构可以改变小车行走的轨迹，不断地微调直到小车跑出最优的轨迹路线。（5）转向机构是小车设计的关键部分，常用的转向机构有曲柄连杆+摇杆机构和凸轮机构。（6）行走机构常用的有两种驱动分别是单轮驱动和双轮驱动。通过上述分析之后，小车对加工精度，装配精度，工艺性都有较高的要求，因此在设计的过程中我们应该结
9、合自身的条件，通过比较最终选择加工精度相对高的设备加工小车零部件，提高小车的工艺性，探寻一套好的装配方法，提高小车装配精度，设计合理的转向机构。最后小车组装完成后，我们花大量时间调试，力求小车跑出的轨迹最优。近几年，竞赛的水平一直在提高，无碳小车的整体结构也越来越简单，这样调试起来相对比较简单，此外要想小车跑的跟远更好，加工精度一定要高，因此采用高精度的加工机器将是提高比赛成绩的可靠途径。在比赛中我们发现一些车子采用了新材料，结果成绩得到了显著的提高。但是新材料价格往往比较贵，这样会增加成本，因此，我们结合实际情况，选择适合的材料。1.2 现状分析最近几十年科技在高速的发展，经济得到了高速发展
10、，人们的生活水平得到了提高，生活方式也发生了很大的改变。但是科技发展的同时，环境问题也越来越变得严峻起来，一些传统的能源也在不断的减少。这几年我国经济持续增长，但是环境问题变得越来越严峻，到处都是污染，PM2.5 严重超标，再也看不到多年前清澈的河流和蔚蓝的天空。我们的身心健康受到了极大的影响，因此我国提出了走可持续发展的道路。新能源的发现，开发和利用渐渐的变成了科学家们关注的焦点。无碳小车顾名思义就是绿色环保的代名词，它具有经济、环保、便利等优点。无碳小车的研制对于我们寻找新的无污染能源有这一定的引导作用，有利于能量转化途径，以及提高能量的利用效率。2图 1.1： 小车整体简图带着浓厚的兴趣
11、我开始查阅资料来深入了解无碳小车这个课题.通过查找资料发现该课题已被当作一项比赛.近年来各个大学为了响应绿色环保主题,都积极参加该项比赛.无碳越障小车之所以能前进，它的驱动力直接由重物下落过程中的重力势转化成动能来实现的。重力势能与机械能的能量转换，使得小车实现前进、转向和调节。无碳越障小车行驶的轨迹近似于正弦曲线，呈周期性变化，并且障碍物的间距在 1000mm 左右可调。设计无碳越障小车，他的驱动力是通过重力势能转化过来的。给定重力势能为 4焦耳（取 g=10m/s2），竞赛时统一用质量为 1Kg 的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 4002mm，重块落下后，须被小车承载
12、并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图 1.1 为小车示意图。小车的结构为三轮结构，这样小车结构比较稳定，小车的整体设计方案，所用的材料以及采用什么方式加工制作不同的学校可以采用不同的方法。只要小车能够自动交错的绕过赛道上设置的障碍物，就达到了比赛的要求。障碍物是有多个圆棒组成的，相邻两个圆棒间距为一米。圆棒的直径 20mm、高度 200mm。最终以小车越过障碍的数量和所行的距离综合评定成绩。见图 1.2。图 1.2： 重力势能驱动小车行走图首先通过讨论确定一套可行的设计思路，然后通过不断地实践完成一个可以按照比赛规则运行的装置。最后通过不断地调试使小车跑出最理想的成绩。设计出来的无3碳小车
13、作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理报告。小车设计过程中需要完成以下四个方面的设计：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。机械设计要求能采用合理的设计方案，各个机构要合理的设计，同时要尽量做到参数最优化。经济成本分析要求在最节省成本的前提条件下作出最好的作品。工程管理要求整体考虑各个方面的因素，达到最优化的设计。工艺方案要求对制造工艺有一定的了解，对加工工艺要学会合理的运用。2 总体设计设计无碳越障小车之初，首先我们要确定一套优化方案。然后我们运用所学过的一些物理学知识进行分析。最后用机械设计方面的知识来设计出合理的结构。小车主要有六个部分组成，它们分别是：车架 、
14、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构和微调机构。我们要对这六个机构逐个进行设计。无碳小车工作的原理就是把重力势能转化成机械能带动小车运动。然后小车通过合理的转向机构最终能够自行的避开障碍物等动作。在确定最终方案的时候，我们应该考虑各个方面的因素，例如选择什么样的材料，采用什么样的加工方法。小车的制造成本如何。在我们做决策的时候应该要相互提出意见，避免决策的片面性，综合考虑，这样才能选择一套合理的方案。42.1 任务分析这次设计的无碳越障小车，其行走轨迹是 S 形的，当然比赛的小车也有走 8 字形的。走 S 形轨迹的小车能够绕过一排间距可调的障碍物并且能节约能源的小车。要想使小车能够走的
15、稳，绕过的障碍物多，主要在于设计出好的转向机构。如何才能让小车在 900mm1100mm 的范围内的实现精确可调，是亟待解决的问题。通过对题目分析，我们可以得出结论，要想让无碳小车跑出好的成绩，小车对加工精度，装配精度，工艺性都有较高的要求，因此在设计的过程中我们应该结合自身的条件，通过比较最终选择加工精度相对高的设备加工小车零部件，提高小车的工艺性，探寻一套好的装配方法，提高小车装配精度，设计合理的转向机构。最后小车组装完成后，我们花大量时间调试，力求小车跑出的轨迹最优。2.2 总体设计要求通过分析可以知道，小车的驱动力是通过重力势能转换成机械能获得的。小车的驱动力只能用重力势能转化得到，其
16、它形式的都是不符合要求，这也体现了小车绿色环保的优点。最终我们通过查阅大量的资料和借鉴了大量往届无碳小车的设计方案，我们初步得出了 3 种方案。（1）当重物缓慢匀速下落时，小车开始向前运动，小车上装有飞轮，其作用是储存能量。当重物落在小车上并且静止后，小车可以通过飞轮释放的能量来驱动其继续往前行走一段距离。采用飞轮储能这一原理源自于火车轮子储能的启发。该设计的缺点是：飞轮一般都是质量比较大而且直径大，固需要较大的启动力矩才能驱动小车行走，这将导致耗能比较大大。而且还增加了小车的重量，相应的成本也会有所提高。（2） 当重物缓慢匀速下落时，小车始终处于静止状态，这是因为小车上装有一个发条，重物下落
17、的过程中将重力能转换成弹性势，这些弹性势能存储在发条中。当重物静止后，发条中存储的弹性势能转换成动能驱动小车运动。这样做是源于玩具车能量存储方式的启迪。这种方法的缺点是不好控制小车的速度。而且要考虑如何激发发条释放动能来带动小车运行机构的设计。而且这种通过多个环节的能量转换必然会导致能量的损失。（3）当重物下落时，重力势能直接转化成动能驱动小车运行，这种方案在结构比较简单，加工起来方便，成本相对也较低。通过综合考虑，最终我们选择了第三种方案。小车上驱动小车的重物通过定滑轮连接，当重物下落时绳子驱动传动轮带动小5车向前运行。重物下落的过程中，由于重物可能偏移，因此我们可以在小车上设计三根竖棒。这
18、是利用了三角形的稳定性原理做成的。三根竖直的圆柱棒于下落的重物相切，这样可以阻止重物来回的摆动影响小车的正常运行，从而可以让小车稳定运行。 小车的转向控制机构，这是小车设计的难点，转向机构的的灵敏度非常高,小车要能适应在不同场地跑,需要给小车设计个微调机构,通过不断的微调,最终可以使小车在不同场地和不同间距障碍物之间可以正确行使。图 2.1：间距 0.9m 函数图像图 2.2 间距为 1m 的函数图像6图 2.3 间距为 1.1m 的函数图像从宏观上看小车行走的轨迹是 S 形的，固我们可以把这前进的轨迹近似的当做余弦函数。从而我们可以进行数学建模，更精确的分析小车运行的轨迹。 xAycos其中
19、 A 为振幅， 为频率。函数的图像就类似于小车前进的路线，从几个仿真图像可以发现不同间距障碍物小车所走的的函数图像相似。但由于障碍物间距不同，故函数因此对应的函数图像也是不同的。由 MATLAB 可以算出不同间距时对应的轨迹的振幅及周期长度，作出间距变化对应距离表 1.1。从下表可以看出当小车振幅取不同值时，障碍物间距不变时，小车行走的路程不同，振幅越大，小车行走的越远，当小车振幅不变时，改变障碍物的间距，会发现小车行走的路程不同，障碍物间距越大，小车行走的越远。通过分析表格发现，小车行走一个周期所走的路程大约为 2800mm。我们设定小车行走障碍物间距为 1 米，在行走的波峰位置距离安全位置
20、 300mm。通过微调机构调整使小车安全越障。表 1.1 不同振幅不同间距小车一个周期行走不同距离2.3 总体结构设计要求通过下面的结构简图我们可以看出小车的很多机构都安装在车身的上方，采用这种方式便于操作。而且可以降低车身的整体高度，这样可以使小车行驶的更加稳定，减少了小车行驶过程发生侧翻的可能性。小车底盘整体高度要低于轮轴，离地7面的距离通常在一厘米左右。这样是为了降低重心，让小车运行更平稳。小车上各个机构的安装都是以底板为基础的，这样小车整体负重，很多机构都在底板的上方，这样虽然减少了小车的灵活度，但是其优点大于缺点，这样小车的整体重量增加，重心低，重力集中，从而能够避免小车在运行的过程
21、中发生侧翻。而且便于组装和调试。图 2.3 小车简图为了减轻小车的质量，我们把整个车身设计的比较窄。因为质量轻，小车转向灵活。为了使小车不至于受集中载荷而变形，我们把传动机构放置在后轮轴上。为了保证重物下落过程中不会摆动，使其下落平稳，我们用 3 根直径为 6mm 的硬铝杆包围。这样也会减少小车在行驶的过程中因为重物晃动导致小车重心不稳从而使小车翻车的可能性。小车采用后轮轴驱动与曲柄摇杆机构控制前轮转向同时发生的机理，实现转向与直线前进的良好配合。无碳小车整体形状设计为前窄后宽，看上去大致呈三角形。我们不能把车身设计的太宽，也不能把后轮直径设计的太大。否则影响小车转向的灵活度，由于累积周期性转
22、向的位移差，对小车起动的横向偏移位置影响很大，所以小车的整体宽度不应设计很宽。整个车身设计的结构简、轻巧灵活。其结构原理图如图 2.8 所示。3 小车各个重要机构设计3.1 滑轮的设计滑轮的设计是不可缺少的一部分，该无碳越障小车的原动机构就是采用滑轮悬8挂重物让重力势能转化成动能。滑轮上用一根伸缩性比较好的棉绳线。线的两端分别连接重物和小车驱动轴的绕线筒。而滑轮则固定在三根圆柱杆的中间，作为定滑轮使用。这样一来，当重物在绳子的带动下缓慢下降时，小车上驱动轴的绕线筒将旋转，然后经过小车上的齿轮传动机构带动小车后轮行走，在经过其它转化带动小车整体向前行走。我们把驱动轴中间绕线的部分设计成圆锥形，我
23、们可以根据调整不同的绕线位置从而得到不同大小的驱动力，以适应小车在不同场地运行。重物在开始下落的时候，驱动轴的直径比较大，故启动转矩大，便于启动。随着重物的缓慢下落，驱动轴的直径变小，转速逐渐提高。转矩减小，直到驱动力和阻力二力平衡时小车匀速运行。当重物靠近小车底板时，驱动轴的直径再次变小，此时驱动力小于阻力，小车开始减速运行，直到小车静止。小车上的定滑轮由 3 根直径为 6mm 的碳钢丝杆支撑，将提供能量的重物通过定滑轮悬挂在有效高度为 4002mm 的重物支撑架上使其自由落下，为小车前进提供能量。同时保证重物在下落的过程中不会晃动。图 3.1 滑轮不同半径力矩图当质量为 1Kg 的重块通过
24、棉线绕过定滑轮转动时，就会在定滑轮上形成一个驱动力矩 M，原理如图 2.1 所示。由公式： FRM通过公式我们可以得知随着滑轮半径的增加，驱动力矩也会增大。因此我们可以在保证车身长度不变的条件下，把定滑轮的半径尽可能设置的更大些（滑轮半径值要在合理的范围内）。9图 3.1 小车滑轮三维模型一般在滑轮上会多绕几道棉线。这样做的好处是当重物匀速下落的时候，可以有效地减小重物匀速下落的速度，从而提高能量的利用率。这是通过大量的实践的出的结论。图 2.2 为滑轮的三维模型。3.2 驱动机构的设计所谓的驱动机构就是用来实现把重力势能转换成小车动能的装置机构。通过对各种原动机构的分析比较，最终我们选择了绳
25、轮，因为绳轮结构比较简单和效率比较高。在设计的过程中小车对绳轮有以下五点要求。（1）保证小车具有适中的驱动力，如果驱动力过大小车转弯的时候很容易发生侧翻。另外驱动力大重块的摆动不容易控制会影响小车的正常行走。（2）我们应该提高能量的转化效率，让重物在下落的过程中的动能最大效率的转化成驱动小车向前运行上。要想提高利用率我们应该控制重块下落的速度，如果重块下落的速度过大，这样在竖直方向上的速度比较大，就会导致重物自身还有较多的动能没有被释放，导致效率降低。（3）比赛的时候不同的场地对轮子产生的摩擦力也是不同的。鉴于此我们应该调节小车的驱动力，让小车能够适应不同的场地。驱动力的调整我们应该结合比赛场
26、地的相关信息来具体分析对待。（4）在设计的过程中我们应该避免重物下落速度过快与小车发生碰撞导致车体变形和能量的损失。因此我们应该减小小车在竖直方向到达终点的速度，最理想的条件下就是重物与小车接触时速度恰好为零。（5）原动机构采用绳轮，这样的机构结构简单，效率高。绕绳轮设计时把绳轮的直径设计大点，这样便于小车启动。当重物缓慢下落时，绳子直接带动小车轴转动，从而带动小车前进，采用这种方法很容易实现，而且又便于制作。我们可以通过10适当的调整小车的速度从而使小车稳定的向前运行，同时也方便转向。当重物下落的过程中会发生晃动影响小车正常运行，鉴于此我们设计了三根竖直的杆固定重物来回运动。要想是小车跑的远
27、，我们把传动比尽可能的设计大些，通过分析，最终把传动比设置为 1:6。这样在相同重力势能转化成动能的条件下，小车行驶的距离相对会更远。要想使小车的整体摩擦相对减小，我们直接把绳子缠绕在传动轴中间部位，传动轴中间我们设计圆锥形这是考虑到输出不同的动力可以把绳子绕在不同的位置，其结果是不同的。图 3.2 小车驱动轴模型3.3 车架的设计车架在整个运动过程中不用承受很大的力，而且对精度要求也不是很高。车架占整个小车重量的比例比较大，因此我们应该选择合适的材料，当选择的材料比较合适的时候，我们应该设计个美观的车底架。从材料成本多方面分析最终我们选择了铝合金材料。车架的外型我们最设计成三角底板的形状，因
28、为这种形状可调动性比较大。图 3.3 小车底板三维模型113.5 导向机构的设计选择好的导向机构决定着小车能行驶出更好的距离。因此导向机构的设计是整个小车设计中的关键环节之一。要设计出好的导向机构，必须使导向机构的摩擦力小和消耗的能量少。机构的结构不能太复杂，机构的组成零部件容易加工出来，此外机构还必须有要求的功能。该机构的功能是把旋转运动转换成小车转向的来回摆动，从而带动转向轮走 S 型的路线并且能够越过障碍物。由无碳小车设计的规则可以了解到，小车在前行的时候它能够自动的绕过赛道上每间隔 1 米，放置的一个直径 20mm、高 200mm 的弹性障碍圆棒，小车走的路线呈 S 型，并且是周期性变
29、化的。通过查阅机械设计基础课程，我们找到了能够实现周期性运动的机构最常用的有以下几种：平面四连杆机构、曲柄摇杆机构、涡轮蜗杆机构、圆柱凸轮和端面凸轮。综合考虑上面几种机构的优点和缺点，分析各个机构的制造工艺，加工所需的制造成本和加工难易程度。最终从上面几种机构里选择合适的导向机构。导向机构选择的依据是导向机构的摩擦力小，具有良好的稳定性，精度高便于加工。下面对各个导向机构逐一进行分析。（1）凸轮机构，该机构一般由凸轮、从动件和机架构件组成。凸轮的形状可以分为：盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮。从动件可以分为：尖顶从动件，滚子从动件、平底从动件。凸轮运动时将带动从动件做连续或不连续的任意预期往复运动
30、。优点：只要能够设计出需要的凸轮外形，就能够使从动件获得预期运动，凸轮的运动具有对称性，因此我们可以把凸轮设计成外凸轮，形状大致为一个椭圆，这样的形状便于加工。从而使机构的结构更加的简单，提高了传递效率。如果能够加工出高精度的凸轮，可以考虑使用这种结构。缺点：凸轮外形要求高精度的加工，凸轮一旦被磨损导致变形，就不能按照预期的轨迹运行。凸轮机构不能设计微调机构，凸轮一旦被磨损就不能使用。从新加工就会提高小车的成本。因此该种机构不是最优的机构（2）曲柄连杆摇杆机构优点：该机构运动副单位面积承受压力比较小，接触面润滑起来比较方便这样将会减小摩擦。并且该种机构结构简单便于加工制造。制造出来的机构精度也
31、比较高。构件于构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，与凸轮机构相比其不需要借助外物来维系运动。缺点：一般情况下曲柄连杆+摇杆机构不能准确的按照给定的运动规律和运动轨迹运动，需要不断地微调。设计起来比较复杂，如果要实现多个运动，需要的构件数和运动副数将会增多。这样将会增加机构的复杂程度，其效率也会降低。曲柄连杆+摇杆机构容易发生自锁，该机构的运动规律对制造精度要求比较高。同时对安装误差的敏感性要求不低。该机构在做相应运动时候容易产生惯性力，从而难以保持12平衡。当运动的速度过大将会引起振动并产生动载荷，故该机构适合低速运动的场合。通过比较最终选择了曲柄连杆+摇杆机构。图 3.5 小车导向机构
32、截图3.6 行走机构的设计小车的整个运行轨迹是呈 S 形的，所以在转弯的时候后轮必然会产生差速。对于后轮通常用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动之中的一种驱动方式。（1）双轮同步驱动行走起来比较平稳，不过在转弯时，外轮会和地面相互产生滑动，由于滑动摩擦较大，这样将会消耗更多的能量。同时小车前进受到各种约束，轨迹难以确定，而且不能灵活的避开障碍物。故不宜选择此驱动。（2）双轮差速驱动能够避免双轮同步驱动出现的问题，该种驱动通常使用两种驱动方式实现差速，一种是采用差速器另一种采用单向轴承。差速器设计时要求做到能耗最小的原则。因此采用差速器能够有效地减小摩擦，同时差速器能够准确的实现要求的运动。单
33、向轴承实现差速的原理是两个轮子的速度大小不同，速度大的就会成为从动轮，速度慢的就会成为主动轮。就这样来回不停的交替变换着实现小车的转弯运动。不过单向轴承存在侧隙，从动轮和主动轮相互切换的过程中会出现误差将导致运动不准确，但会不会影响小车正常运行轨迹任然需要我们做进一步的分析。（3）单轮驱动的原理就是让其中一个轮子作为驱动轮，另外两个分别作从动轮和导向轮。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。单轮驱动的效率要比差速器效率高，但是其前进的速度没有差速器的稳定，不过传动精度比单向轴承高。小车有单轮驱动和双轮驱动两种方式。小车运动过程中的轨迹为正弦函数曲线，故两后轮一个周期内行驶的距离不相
34、等，所以采用单轮驱动比较合适。开始的时候考虑在后轮轴上安装差速器，两个轮子相互交替单独驱动，原则上说这种方法可以13实行，但是差速器的结构比较复杂，加工起来想当困难。虽然在网上可以买到，但必须设计与后轮相连接的部分，增加了制造零件的数量，从而增加了整个小车设计的成本。在小车进行调试的时候，转向机构的精度由于过高不利于调整。这不满足单件生产的精确性和生产大批量小车的流水作业。我们把它改为在一根后轮轴上装两个后轮，采用单边为主动轮驱动，前轮受转向机构控制而转向，在未排除其他机构的机械调试影响的前提下，小车行驶的路线稍显不够稳定，反复的进行试验验证后发现该方法简单有效。3.7 传动机构的设计3.7.
35、1 齿轮的设计传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。常用的传动方式包括：齿轮传动、链传动、带传动、蜗杆涡轮传动。由表 2.2 的各种传动方式的优缺点比较，我们选择一级齿轮组传动作为无碳越障小车的传动机构。选择一级齿轮组可以避免二级齿轮传动带来的较大的阻力和较大的传动误差。图 3.7 小车齿轮图14为了使小车前行距离远，理论上后轮的直径越大越好，但后轮太大，启动时所需力矩较大且消耗的能量也大。按照传动比的选择原则，同时考虑到小车在行驶时要求传动比准确和加工工艺性，将传动比初步确定为 1：6，大齿轮齿数为 96，小齿轮齿数为 16。即带轮转一圈车轮转 6 圈，较大的传动比和后轮直径
36、可以使小车前进更远的距离。表 3.1 齿轮参数序号 模数 齿数 中心孔/mm 分度圆直径/mm 厚度/mm大齿轮 0.75 96 20 72 3小齿轮 0.75 16 6 12 5为了减轻小车的重量，将大齿轮确定为 3mm 厚的片齿轮，齿轮材料选用有机玻璃。采用线切割加工。有机玻璃质量轻能减轻小车自重。选择小模数齿轮可以有效的减小小车前进时的阻力， 模数太小又会增加制造难度、加工成本和齿轮的使用寿命。所以，将齿轮的模数确定为 0.75。齿轮通过轴套与轴配合，这样可以保证齿轮的轴向和径向定位。考虑到现有的加工能力，齿轮采用线切割机床进行加工。表 2.2 为选择的一对齿轮参数，图 3.7 齿轮的三
37、维模型。表 3.2 各种传动方式的优缺点传动方式 优点 缺点齿轮传动总体上齿轮传动相对平稳，传动比精确度高，工作比较可靠、效率高、使用寿命长，功率和速度可调性大。要求比较高的制造精度和安装精度，成本也比较高；不适合远距离两轴之间传动链传动相对于齿轮传动而言,链传动适合两轴中心距较远的情况下传输运动和传递动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带 传动比较,链传动能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率高,一般可达 0.950.97链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等带传动结构比较简单,常用
38、于两轴中心距较大的传动场合;传动过程中平稳无噪声,能缓冲、吸振;可以进行过载保护，即过载时带将会在带轮上打滑,能够防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用传动比的精确度得不到保证；带轮大多材料是铸铁等；因此质量较大蜗杆涡轮传动 有比较大的传动比，结构紧凑；传动稳定；噪声低； 传动摩擦损失较大，传动效率也很低，适合传递小功率15可以自锁； 和间断性的工作；成本投入比较大；蜗杆涡轮传动适用于传动比大；传递功率不高的机械上3.7.2 传动轴的设计由于小车是一级齿轮组传动，曲柄连杆摇杆机构导向，所以我们只需要两根传动轴，这样既减轻了小车的质量又减小了传动误差。两根传动轴的材料选用硬铝，采用阶梯轴的方式对轴
39、上零件进行轴向定位，另外利用轴套对齿轮，绕绳轮，曲柄盘和后轮进行径向定位。16图 3.8 小车传动机构和转向机构图两根传动轴的中心距 a 的计算 42)169(75.02)(1 zm小车轴上零件的布置如图 2.6 所示。4 重要零件设计计算4.1 小车后轮尺寸计算由图 2.1,2.2 和图 2.3 可知，无碳越障小车所行走的路线近似于余弦函数图像，进行数学建模 xAycos由越障小车的要求可以得出每两根障碍物之间距离为 1m，振幅 A=0.3，把数值代入建模的函数表达关系式可得 xycs3.0对函数求导 din.对小车行走一个周期进行路线积分 8.2si3.011220 xxyS从上面的积分我
40、们求得一个周期小车前进的距离 S=2.8m，由小车的传动比为1:6。可求出后轮直径。 8.26di解之得 d=148mm。因为小车的传动比为 1:6，故小车行驶一个周期时后轮转动的圈数为 6，小车前轮转向机构将做一次往复运动。在理想的状态下小车的后轮的直径越大小车将行走的越远，但是随着轮子直径的增加，启动时所需的力矩就会越大，同时将会消耗更多的能量，由于小车提供的驱动力是一定的，如果轮子过大，车子将跑步起来。通过上面的计算，小车在一个周期内行走的路程为 2.8m。障碍物之间的距离为 1m，小车行走在曲线顶峰距离障碍物的安全距离设置为 0.3m，根据公式（d=s/i），及动比为 i=6:1，计算
41、后，算出后轮直径取 d=200mm。174.2 微调机构的设计及选择因为曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，所以需要加上微调机构，对误差进行修正。另外无碳小车的轨迹需要不断地调试，最终才能走出一条最优的路线。由于无碳小车需要绕过间隔一米距离的障碍物。因此需要我们通过改变曲柄的长度不断的调试使小车跑出一条最优的路线。通常用来调节曲柄长度的装置有以下三种：曲柄，曲柄盘，微调螺母。根据目前所拥有的加工设备，加工所需成本和所能达到的加工工艺。最终选择曲柄盘作为微调机构。曲柄盘的三维模型如上图 2.7。如图 4.2 所示，转向机构的曲率半径可以通过改变关节球轴承在键槽的位置来调节，连杆的长度可以通
42、过螺纹微调来达到精确的尺寸。这样就可以使小车实现精确的转向和避开障碍的功能。图 4.2 键槽微调图4.3 车底板设计小车的底板设计是小车设计过程中最关键的部分，因为小车的所有零部件都是18以底板为基础进行装配的，各个零件连接方式主要采用螺钉和螺栓连接。采用这两种方式主要便于小车的装拆和调整，从而使小车调试起来更加的方便。采用螺钉锁紧的方法使部分零件定位。我们在小车的前轴、后轮轴、滑轮等都装有球轴承。这样可以降低摩擦，从而提高旋转精度。轴承与支撑零件均采用过盈配合。从审美的角度来设计，我们把小车的底板设计成流线型，小车的底板由铝合金材料加工而成，底板上面有部分镂空成不同的形状，一方面是为了减小小
43、车的质量另一方面让小车的外形更加美观。图 4.3 为小车底板模型。图 4.3 小车底板模型4.4 车支架的设计小车的支架用有机玻璃制造，为了方便装拆,小车支架与底板两者之间的连接采用胶结,小车两边支架设计形状相似,长度不同,两个支架孔分别用来装绕绳轴和轮轴.但是其中一个支架多了一个孔它用来装曲柄盘.曲柄盘的转动从而带动小车转向机构运动.19图 2.10 小车的支架支架孔中安装有轴承，轴承和轴之间采用基孔制过盈配合。5 部分零件工艺5.1 小车整体零件加工概述小车上多数零件都是我们自己加工制作的，共使用了数控铣床、数控车床、普通车床、线切割机、钳工 5 大工种，其中，数车、数铣、普车加工（后轮轴
44、、齿轮轴、前叉、底板、齿轮套筒、后轮套筒、绕线筒），线切割加工（大齿轮、小齿轮），钳工车间装配（钻孔、攻丝、组装）。5.1.1 小车叉架工艺20图 3.3 前轮叉架零件图前轮叉架是与转向龙头，连杆，曲柄盘一起构成周期转向机构。要求有：（1）前轮叉架设计的要合理，加工精度高，对称性要好，转向轮安装上去不会发生偏转，正好处在前叉正中心位置。歪，。（2）前叉上装配有轴承，与轴承约束的圆柱面，采用基孔制的过度配合，轴的精度为 IT6。（3）5 的轴端与转向横梁配合，正常钻孔时孔都会比钻头直径大，因此采用轴为基准即基轴制，精度选 IT7。(4)小车需要不断的装拆和调试，因此粗糙度不应太大，所以 Ra=0
45、.8。根据前叉的结构特点和技术要求，多数表面的加工都选择外圆和端面作为定位基准。这样选择的优点是基准统一，而且大多数表面的定位基准与设计基准重合，可以避免基准不重合误差，有利于保证加工精度。图 3.3 为前轮叉架零件图。前轮叉架的作用是支撑转向机构转向和固定前轮。左边的阶梯轴可以分别对摆杆、前轮支撑架进行轴向定位，同轴度要求高。右边的叉架用于对前轮的固定，对称度要求高。对其工艺编排如下：（1）用三抓卡盘夹外圆，车一个直径 25,长度为 80mm 的圆柱。（2）用数控车床编写程序加工出一个阶梯圆柱直径和长度分别为 8，长39、5 长 30 和 4 长 17。21（3）切断反向装夹修另一端面，使工
46、件长 79。（4）夹持外圆 8，用铣床铣一个外形尺寸 2015 的矩形面，铣槽宽 10 深 32尺寸到位。（5）取下用虎钳装夹已加工平面，铣槽宽 4 深 9.5（到底）底为半径为 2 的半圆尺寸到位。5.1.2 前轮的工艺由于无碳小车要求转向灵活、平稳。因此，对前轮的加工要求严格，下面是前轮的主要技术要求：（1）加工精度： 5 采用 4.9 的钻头进行加工，该尺寸与轴承配合。（2）位置精度： 35 的轴心线与 5 的轴心线的同轴度要求为 0.10mm。图 3.4 前轮零件图图 3.4 小车前轮零件图。根据无碳小车前轮工艺性分析我们对前轮的工艺做如下编排：（1）平端面，车外圆 35，倒圆角。（2
47、）打中心孔，钻 5 孔，倒圆角。（3）切断，长度尺寸为 5 mm。（4）倒角，去除毛刺，最终检验。6 三维模型的建立22图 6.1 小车三维模型图所谓的三维建模就是利用具有三维建模功能的软件，对设计好尺寸的零件进行模型的制作和对机器各个零部件之间进行装配。通过三维建模能够让我们更直观的了解零件的整体外形以及机器内部各个零件之间的关系。三维模型的建立能够使我们更直观的观察小车的实际结构，让我们清楚的看到零件与零件之间的装配关系。通过观察小车的实际三维模型能够看出零件的整体分布是否合理以及小车的设计是否符合要求。同时为我们实际制作小车提供了模板。最后我们用 UG 建立小车的三维模型，确定各个零件之
48、间的装配关系，并且生成各个零件的工程图，给我们制作小车做好准备。23图 6.2 小车三维模图7 装配并调试小车无碳越障小车所有零部件都以底盘为基础进行装配，连接方式多采用螺钉或者螺栓连接，这样便于小车的拆卸和调整，部分零件的定位我们采用螺钉锁紧的方法。为了降低摩擦提高旋转精度，小车前叉、驱动轴、后轴以及滑轮上均装有轴承，这样做目的是为了减小摩擦从而提高旋转精度，轴承与支撑零件的配合采用紧配合。在老师的指导下，我们最终完成了小车的装配。整个小车装配好后，需要一定的磨合期，并且需要不断的调试来探索最佳初始位置，调试出小车最优的轨迹路线。无碳小车对跑道要求相对较高，一般跑道选用的材料是木质地板，因为
49、木地板的摩擦因数较小。木地板在安装的时候一定要保证其在水平面上，小车的整体能量较少，所以跑道一定要保持水平。小车要想跑出一个理想的成绩，在开始跑之前一定要固定一个准确的起跑位置。（1）调试小车的过程中会遇到了以下问题，主要有： 无碳越障小车在越障的过程中受客观环境的影响较大，例如地板材料的摩擦因数大小、跑道的水平度。 24无碳越障小车在行驶时重力势能转化成动能的利用率低。小车调试的重复度不高，调试时即使小车的各种参数都一定的前提条件下，然后让小车从同一地点，同一角度出发，小车最终行走的轨迹也会相差很大。小车的装配精度也不容易控制，因为此小车对精度的要求比较高，用现有的设备加工出来的零件进行装配时往往达不到装配的要求。特别是调节转向机构的时候，连杆长度很难调节，往往误差较大。只能通过微调最终使小车行驶出比较好的轨迹无碳小车的后轮和底板之间存在着一定距离，小车一旦碰到障碍物，障碍物则会卡在后轮与底板之间，从而影响小车的正常运行。（2）通过不断的实验和探索，最终找到一些改善的方案。通过大量重复性实验和调试，积
