S形軌跡無碳小車的結構設計(1)

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S 形軌跡無碳小車的結構設計 摘要 針對第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽題目 設計一輛通過重力驅動 的純機械結構的無碳小車 且小車具有周期性越障功能 通過所學知識 設計并制 作該小車 參加比賽 設定不同的參數(shù) 借助工程軟件 MATLAB 對小車的軌跡進 行仿真計算 通過分析 設計出一輛滿足比賽要求的小車 并且通過調試證明 小 車能夠穩(wěn)定行駛 具有較高的可靠性 關鍵詞 無碳小車 越障 軌跡 仿真 0 前言 本文針對第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽關于 S 形軌跡的要求 設計并制作了一種將重力勢能轉換為動能 并且按照 S 形軌跡穩(wěn)定前行的無碳 小車 小車為三輪結構 前輪為方向輪 后面一輪為驅動輪 一輪為從動輪 小車 具有可調節(jié)的轉向控制機構 以適應 700 1300mm 間距的不同間距障礙物 1 小車結構設計 本文把小車的機構分為 原動機構 傳動機構 轉向機構 微調機構與車身 除了軸承 螺栓螺母等標準件可以直接選用外 小車的其余部件均使用 LY102 鋁 合金制作 本文的設計目的是使小車各部分的尺寸協(xié)調 滿足強度要求 實現(xiàn)不同 距離的越障功能 下面是各個機構的設計 1 1 原動機構設計 原動機構是利用重物下落時的重力勢能轉化為動能 從而驅動小車前進和轉 向的機構 重物是 1kg 的標準砝碼 重物周圍是三根均布的鋼管 從而約束重物的 自由度 使重物直線下降 減少了能量損失 保證了小車重心的穩(wěn)定性 重物通過 尼龍線繞在小車的繩輪上 在下降的過程中 帶動繩輪的轉動 實現(xiàn)了能量轉換 在實際測試中 證明了該結構簡單 能量轉化率高 成本低等特點 1 2 傳動機構設計 傳動部分是原動機構和小車主動輪動力傳遞的樞紐 本文設計的小車的傳動 機構由后輪 一級齒輪 及其相關零件組成 由于小車具有轉向的功能 為不干擾 小車的轉向 后輪采用差速連接 小車的右后輪為主動輪 左后輪為從動輪 主動 輪與傳動機構相連 驅使小車的運動 從輪輪用軸承空套在后軸上 跟隨小車的運 動 為了適應不同間距越障 同時增大小車行駛的距離 我們采用多組齒輪嚙合的 方式 將 700 1300mm 的間距大致分為三組 700 900mm 900 1100mm 1100 1300mm 分組后可根據(jù)不同障礙物間距 對應 著不同組齒輪的嚙合 從而調整越障的幅度 與單組齒輪傳動相比 這種傳動方法 越過的障礙物更多 行走距離更遠 下圖是傳動機構的齒輪分布圖 通過移動后輪 軸上的齒輪組 則可以切換不同組齒輪的嚙合 圖 3 傳動齒輪分布示意圖 根據(jù)本文設計 兩后輪輪距為 150mm 且后輪的直徑為 150mm 且保證小車 最逼近障礙物時的安全距離 即最小振幅為 200mm 下面是三組齒輪嚙合的具體 計算 在間距為 700 900mm 時 以滿足最大樁距 900mm 且軌跡曲線為余弦曲線 取 x 為小車軌道中心線位移 y 為小車偏離中心線位移 單位為 mm 則有 90cos 20 x 對弧長進行積分得 mdydyf xss 201 800 通過計算 當弧長為 2002mm 時 最大振幅是 330mm 此時樁距為 700mm 在間距為 900 1100mm 時 以滿足最大樁距 1100mm 則有 10cos 21xy 對弧長進行積分得 mdydyf xss 23701 20 在間距為 1100 1300mm 時 以滿足最大樁距 1300mm 則有 130cos 2xy 對弧長進行積分得 mdydyf xss 27461 260 因為我們利用線切割特種加工齒輪 齒輪的模數(shù)可以是非標準模數(shù) 故針對以 上三組數(shù)據(jù) 結合后輪的直徑與一個周期軌跡的弧長 得到三組不同的傳動比 計 算得到 8 5 130 0 5 1 90 25 4 90 7 2 ixixix 1 3 轉向機構設計 轉向機構是小車的關鍵機構 是小車前進過程中實現(xiàn)周期性運動的重要保證 我們采用了空間曲柄連桿機構 實現(xiàn)了小車在行駛過程中 前輪左右周期性的轉動 該機構結構簡單 穩(wěn)定性較高 連桿之間使用球鉸連接 摩擦阻力較小 方向輪叉 架與車身采用了推力球軸承和一對法蘭軸承 減小轉彎過程中的摩擦阻力 提高轉 軸的同軸度 保證了轉向機構的穩(wěn)定性和可靠性 圖 6 轉向機構示意圖 下面是轉向機構的桿長設計計算 根據(jù)后輪輪距為 150mm 則取曲柄與車中心線距離為 且與轉向輪mf5 連接的擺桿長度也為 同時轉向輪間與后軸的距離為 根據(jù)小me5 b138 車運動軌跡 計算小車的最大轉角為樁距為 700mm 時的轉角 通過計算在樁距為 700mm 時 軌跡公式為 70cos 3xy 根據(jù)質心處轉彎半徑與前輪轉角的關系為 為前輪的轉角 tanr 根據(jù)小車軌跡在計算小車的曲率半徑為 y 5 12 得 轉角 此時對應曲柄和連桿的最大合長度 93 0tan 0max43 maxl 通過計算得到最大合長度 且連桿長度 與曲柄長度 分別達l 1n 到各自的最大值 且根據(jù)長度關系 得 3 9522 nmnm8 32 5 0axax 同理計算小車在樁距為 1300mm 時的最小轉角 通過軌跡和曲率半徑公式 得 轉角 此時對應曲柄和16 tn 0in1 連桿的最小合長度 minl 通過計算達到最小合長度為 且曲柄和連桿分別達到各自的最ml49 0in 小值 根據(jù)長度關系 得 49 10 9522 nmmnm04 9 45 9iin 綜上 連桿長度 曲柄長度 單位為 mm 5 832 為本文加工零件提供了參數(shù) 同時也為調試時 提供了連桿長度和曲柄長度的范圍 方便了后期的調試 圖 7 轉向機構三維示意圖 1 4 微調機構設計 微調機構是小車柔性的體現(xiàn) 調整它能使小車能夠適應不同的障礙物間距 無碳小車的微調主要體現(xiàn)在對曲柄長度和連桿長度的微調 曲柄的長度控制的是小 車行駛的周期即樁距 曲柄長度越長 周期越短 即適應障礙物的間距越短 連桿 的長度控制的是方向輪左右轉角多少有關 根據(jù)軌跡對稱性 所以要調整連桿的長 度 使左右轉角盡可能相等 否則軌跡就會偏離賽道 這決定了小車繞樁的情況 所以曲柄長度和連桿長度的調整恰當與否是比賽時的關鍵 因為軌跡線對兩者長度 非常敏感的 所以要精確的調試兩者的長度 本文使用的是類似絲杠的機構 用帶 螺紋的的連桿和曲柄 并用螺母鎖死 調整時擰松螺母 旋轉螺栓 改變長度 這 樣可以比較精確的調整曲柄和連桿的長度 提高了小車的可靠性 1 5 車身 車身是一切機構得以實現(xiàn)的載體 其主要承受的是重物的壓力和地面對車輪 的反作用力 為了滿足強度 本文采用 3mm 鋁合金板 對不承受力且不影響強度 的地方 采取鏤空處理 2 結論 本次設計的小車的創(chuàng)新之處在于能適應不同的間距 采用不同傳動比的齒輪嚙 合 減小了行駛過程中的運動幅度 從而使小車行駛的距離更遠 并且通過類似絲 杠的微調機構 通過擰螺絲的方式調整曲柄和連桿長度 從而更加方便 精確地調 整小車的行進間距 本文加工出了較高精度的零件 裝配后進行了調試 實際應用 結果表明 設計加工出的小車具有較高的穩(wěn)定性與可靠性 滿足比賽要求 參考文獻 1 王斌 無碳小車 的創(chuàng)新性設計 J 山西大同大學學報 2012 2 2 楊明忠 朱家誠 機械設計 M 武漢理工大學出版社 2013 3 白雪 唐鵬達 機械傳動無碳小車的設計構想 J 工業(yè)設計 2011 8 4 趙登峰 陳永強 鄧茂云 機械原理 M 西南交通大學出版社 2012 5 杜志強 基于 MATLAB 語言的機構設計與分析 M 上?？茖W技術出版社 2011 118 120