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2012國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃 益智循跡機(jī)械小車 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 設(shè)計(jì)： 指導(dǎo)老師： 二〇一三 年 六 月 摘要 本設(shè)計(jì)以機(jī)械能為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種可以按一定軌跡行進(jìn)的機(jī)械小車，通過(guò)機(jī)械裝置的調(diào)整與操作可直觀的展示機(jī)械能量轉(zhuǎn)化、能量守恒、機(jī)械傳動(dòng)原理的奧秘，開(kāi)發(fā)智力，培養(yǎng)其對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的興趣。 根據(jù)益智循跡機(jī)械小車基本功能，將其分為能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)四個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用了發(fā)條、繞線輪的結(jié)構(gòu)組成，將彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，并基于齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)齒輪的有關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)，同時(shí)為了降低成本，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，利用UG軟件對(duì)齒輪進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車設(shè)計(jì)的核心，采用齒輪+凸輪的傳動(dòng)方案控制小車轉(zhuǎn)向，完成避障行走；微調(diào)機(jī)構(gòu)采用螺母、絲杠的微調(diào)方案彌補(bǔ)零件加工、裝配的誤差，從而使益智循跡機(jī)械小車達(dá)到按照預(yù)定的軌跡避障行走、找到最佳起跑點(diǎn)的目的 使用者通過(guò)觀察樣機(jī)的工作原理，并親手調(diào)試，改變小車的可調(diào)變量，觀察其行走規(guī)律，從而以游戲的形式鍛煉了操作者的動(dòng)手能力，使人們獲得身心健康，增強(qiáng)自身的邏輯分析能力，和思維敏捷性。而且?jiàn)蕵?lè)性也十分強(qiáng)。 關(guān)鍵字：益智 微調(diào)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) Abstract The design of the mechanical energy as a power source, mechanical design and development of a car can travel in a certain path, through the adjustment and operation of mechanical device can directly display the mechanical energy conversion, energy conservation, mechanical transmission principle of mystery, intellectual development, cultivate interest on its mechanical design. According to the basic function of educational tracking machinery trolley, which is divided into the energy conversion mechanism, transmission mechanism, turn to the four module mechanism, adjustment mechanism for design and development. The energy conversion mechanism adopts winding, the winding wheel structure, the elastic potential energy of the spring is converted to kinetic energy driving car movement; the drive mechanism adopts gear transmission, and based on the tooth surface contact fatigue strength, the parameter design of tooth root bending fatigue strength of gear, at the same time in order to reduce the cost, in the process of the design, to gear are simulated by using UG software; the steering mechanism is the core of car design, the transmission gear and cam control car steering, complete avoidance walking; adjustment mechanism by trimming nut, screw up program error parts processing, assembly, so that the puzzle tracking machinery trolley achieve according to a predetermined trajectory obstacle avoidance walking, find the best starting point for the purpose of The user through the working principle of the prototype, and personally debugging, change car adjustable variables, observe its walking rules, so as to the game in the form of exercise the ability, causes the people to obtain the physical and mental health, enhance their ability of logical analysis, and thinking agility. And the entertainment is also very strong. Keywords: Alpinia oxyphylla Fine tuning mechanism steering gear transimission gear 目錄 第一章 緒論 1 1.1 “S”型路線益智循跡機(jī)械小車設(shè)計(jì)的目的及意義 1 1.2 益智循跡機(jī)械小車的設(shè)計(jì)思路 1 第二章 益智循跡機(jī)械小車的方案設(shè)計(jì)階段 2 2.1總體方案分析 2 2.2車架設(shè)計(jì)理念 3 2.3動(dòng)力部分 4 2.4機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4 2.5轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案分析 4 2.6差速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5 2.7 微調(diào)機(jī)構(gòu) 5 第三章 益智循跡機(jī)械小車的技術(shù)設(shè)計(jì) 7 3.1 能量耗散分析模型 7 3.2 小車驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向原理分析 8 3.3 計(jì)算小車的傳動(dòng)比 9 3.4 小車行走路程估算 11 3.5 齒輪的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 11 3.5.1第一對(duì)齒輪的分析設(shè)計(jì) 11 3.5.2第二對(duì)齒輪的分析設(shè)計(jì) 17 3.6 凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 3.7 軸的強(qiáng)度校核 24 3.7.1 驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度校核 24 3.7.2 后輪軸的強(qiáng)度校核 28 第四章 益智循跡機(jī)械小車主要零件的加工 34 4.1 小車的底板設(shè)計(jì)及加工 34 4.2 車輪的設(shè)計(jì)與加工 39 4.3 軸承支座的設(shè)計(jì)加工 44 4.4 齒輪的加工 45 第五章 益智循跡機(jī)械小車的整體設(shè)計(jì) 48 5.1 小車樣機(jī)展示 48 5.2 小車制作調(diào)試及改進(jìn) 48 5.3 分析討論小車如何實(shí)現(xiàn)變樁距的避障行走 50 5.4 小車優(yōu)缺點(diǎn) 50 致謝詞 51 參考文獻(xiàn)： 52 第一章 緒論 1.1 “S”型路線益智循跡機(jī)械小車設(shè)計(jì)的目的及意義 本設(shè)計(jì)以機(jī)械能為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種可以按一定軌跡行進(jìn)的機(jī)械小車，通過(guò)機(jī)械裝置的調(diào)整與操作可直觀的展示機(jī)械能量轉(zhuǎn)化、能量守恒、機(jī)械傳動(dòng)原理的奧秘，開(kāi)發(fā)智力，培養(yǎng)其對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的興趣。 使用者通過(guò)觀察樣機(jī)的工作原理，并親手調(diào)試，改變小車的可調(diào)變量，觀察其行走規(guī)律，從而以游戲的形式鍛煉了操作者的動(dòng)手能力，使人們獲得身心健康，增強(qiáng)自身的邏輯分析能力，和思維敏捷性。而且?jiàn)蕵?lè)性也十分強(qiáng)。 1.2 益智循跡機(jī)械小車的設(shè)計(jì)思路 根據(jù)益智小車的要求，小車的基本結(jié)構(gòu)為：三輪結(jié)構(gòu)（后輪驅(qū)動(dòng)，前輪導(dǎo)向），平板底盤(pán)（主體架構(gòu)），發(fā)條通過(guò)拉線帶動(dòng)傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)一定的機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向，并考慮一個(gè)微調(diào)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)整。 本設(shè)計(jì)堅(jiān)持了“整車重心低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；傳動(dòng)件數(shù)少；質(zhì)量??；足夠的剛度；振動(dòng)?。徊僮?、調(diào)整方便靈活”的原則。 在設(shè)計(jì)方法上借鑒了優(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。采用MATLAB、UG等軟件輔助設(shè)計(jì)。通過(guò)直觀的模型對(duì)小車進(jìn)行仔細(xì)深入的結(jié)構(gòu)分析，得到可行的方案。小車的設(shè)計(jì)過(guò)程采用的基本步驟如下圖1.1。 圖1.1 益智循跡機(jī)械小車設(shè)計(jì)基本步驟 第二章 益智循跡機(jī)械小車的方案設(shè)計(jì)階段 2.1總體方案分析 對(duì)命題進(jìn)行分析，小車需要完成發(fā)條的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能、驅(qū)動(dòng)小車行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制小車轉(zhuǎn)向，在行走的過(guò)程中自行避開(kāi)障礙物，實(shí)現(xiàn)越障功能。為達(dá)到調(diào)試方便的目的、以盡可能少的投入生產(chǎn)出和理論設(shè)計(jì)盡可能相符合的產(chǎn)品，將小車劃分為六個(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)）。 圖2.1 益智循跡機(jī)械小車的設(shè)計(jì)方案 根據(jù)提出的方案，在滿足性能要求的同時(shí)，也要考慮加工、制造成本等各方面因素，權(quán)衡利弊。首先小車要保證設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能完成避障行走的性能，行走軌跡差之毫厘謬以千里，所以對(duì)方案的要選擇可調(diào)的方案，便于對(duì)軌跡進(jìn)行修正。為了是小車在有限的重力勢(shì)能的作用下行走最遠(yuǎn)，這就要求小車要具有很小的質(zhì)量。為此，選用較輕的材料作為小車的主題材料。 圖2.2 提高益智循跡機(jī)械小車的運(yùn)動(dòng)性能示意圖 圖2.3 提高益智循跡機(jī)械小車的工藝性能示意圖 2.2車架設(shè)計(jì)理念 由于車子整體較輕，所以車架受力不大，為盡量減輕小車重量，采用鋁合金板材加工。車架是益智循跡機(jī)械小車其他零件的定位基準(zhǔn)，車架精度的高低直接決定小車性能的好壞。采用鋁合金板材便于機(jī)械加工（本設(shè)計(jì)的底板采用線切割加工）、重量輕。在保證其加工精度的同時(shí)也減輕了其重量。 2.3動(dòng)力部分 為了將發(fā)條的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力需要能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)的方案是用繩子和線輪來(lái)完成該功能。能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)需要滿足一下基本要求： 1） 驅(qū)動(dòng)力的大小要合適，不能太大。行走速度不能很高，防止小車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過(guò)高傾翻；防止小車在換向的過(guò)程中行走路線偏離預(yù)定軌跡，導(dǎo)致其繞樁失敗。 2）不同的跑道對(duì)輪子的摩擦不一樣，要求車子具有很強(qiáng)的適應(yīng)場(chǎng)地的能力，所以要能根據(jù)場(chǎng)地來(lái)及時(shí)調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力的大小。 2.4機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 益智循跡機(jī)械小車機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要能將發(fā)條提供的彈性勢(shì)能加以改變，把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。為了使小車行駛的更遠(yuǎn)及按預(yù)定的軌道精確地進(jìn)行避障行走，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需具備傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等特點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案是：通過(guò)定線輪，直接把拉發(fā)條的線繩拉在動(dòng)力輸入軸上；動(dòng)力輸入軸和行走機(jī)構(gòu)之間采用齒輪傳動(dòng)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用齒輪+凸輪控制轉(zhuǎn)向。 2.5轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案分析 轉(zhuǎn)向模塊的設(shè)計(jì)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。為了減少能量損失，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，在完成功能的同時(shí)，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。 圖2.4 小車行走軌跡示意圖 面對(duì)小車如何實(shí)現(xiàn)S軌跡目標(biāo)，轉(zhuǎn)向部分在于采用什么機(jī)構(gòu)讓小車按一定的周律變向轉(zhuǎn)身，此處我們?cè)谠O(shè)計(jì)中最大的爭(zhēng)議在于采用連桿還是凸輪，在我們工作調(diào)研分析、仿真之后，最終考慮制作難度、小車本身狀況、材料、制作能力與工藝等多方面因素考慮，決定采用齒輪+凸輪機(jī)構(gòu)。我們將與凸輪同軸的齒輪與主動(dòng)軸上的齒輪嚙合，通過(guò)主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)前輪往復(fù)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)周律變向轉(zhuǎn)身。 2.6差速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 汽車在拐彎時(shí)車輪的軌線是圓弧，如果汽車向左轉(zhuǎn)彎，圓弧的中心點(diǎn)在左側(cè)，在相同的時(shí)間里，右側(cè)輪子走的弧線比左側(cè)輪子長(zhǎng)，為了平衡這個(gè)差異，就要左邊輪子慢一點(diǎn)，右邊輪子快一點(diǎn)，用不同的轉(zhuǎn)速來(lái)彌補(bǔ)距離的差異。差速機(jī)構(gòu)的重要性及工作原理如下圖所示。 圖2.6差速器作用示意圖 本設(shè)計(jì)采用超越離合器進(jìn)行差速，在益智循跡機(jī)械小車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中兩個(gè)后輪交替為主動(dòng)輪、從動(dòng)輪。假設(shè)此時(shí)小車是向右轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于右輪和軸之間有超越離合器，可以給小車提供向前的力，是主動(dòng)輪。此時(shí)左輪是從動(dòng)輪。那么在轉(zhuǎn)向力的作用下小車也不會(huì)向后行走一段距離，所以可以按預(yù)定的軌跡運(yùn)行。下半個(gè)周期小車將向左轉(zhuǎn)向，同樣左輪和后輪軸之間也裝有超越離合器，在次情況下可以給小車提供向前的力，是主動(dòng)輪，右輪是從動(dòng)輪。在慣性力的作用下，也不會(huì)向前滑行一段距離，所以可以按預(yù)定的軌跡運(yùn)行，該方案可行。 綜合上面分析我們選擇在兩個(gè)后輪和軸之間安裝超越離合器進(jìn)行差速，保證小車按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。 2.7 微調(diào)機(jī)構(gòu) 一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于在制作、裝配過(guò)程中不可避免的存在加工誤差和裝配誤差，裝配后的成車是不可能直接就能按規(guī)定的軌跡和路線行進(jìn)的，必須予以調(diào)試。微調(diào)機(jī)構(gòu)的作用就在此，通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的修正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車行進(jìn)軌跡（幅值，周期，方向等）的調(diào)整，使小車走一條最優(yōu)的軌跡。同時(shí)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)命題的要求，樁距屆時(shí)將是變化的，微調(diào)機(jī)構(gòu)更顯重要。 微調(diào)機(jī)構(gòu)需要具有調(diào)節(jié)可靠穩(wěn)定、調(diào)節(jié)量可控的要求，本設(shè)計(jì)的方案是：設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用一個(gè)調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)由于加工誤差造成的運(yùn)動(dòng)部件間的間隙，以及小車行走軌跡的偏差。微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用如下的方案（如下圖） 圖2.7微調(diào) 由于加工和裝配誤差的存在，不能保證前輪軸和凸輪軸的中心距離等于凸輪基圓半徑。因此，在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中前輪將產(chǎn)生不對(duì)稱的左右擺動(dòng)，這種現(xiàn)象將使小車的S型軌跡的中心線不是一條直線。最終導(dǎo)致小車不能繞過(guò)等距直線擺放的障礙物。為了改變這種現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)采用的方法是，在裝配凸輪軸及前輪軸的過(guò)程中，有目的的使兩個(gè)軸之間的距離略小于凸輪基圓的半徑。這樣便于接下來(lái)的修正偏差。在前輪軸和凸輪軸之間的距離稍微小于基圓半徑的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)螺母來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向塊向上或向下運(yùn)動(dòng)，這樣凸輪推桿和凸輪之間的接觸點(diǎn)就發(fā)生了變化，顯然其距離是變大的，通過(guò)微調(diào)螺母可以精確的找到其合適的位置。實(shí)現(xiàn)對(duì)加工、裝配誤差的修正。 第三章 益智循跡機(jī)械小車的技術(shù)設(shè)計(jì) 3.1 能量耗散分析模型 為了對(duì)小車進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，首先分析能量損耗在何處，很直觀的會(huì)想到小車內(nèi)部的能量損耗（比如軸承間的滾動(dòng)摩擦損耗、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和凸輪之間的滑動(dòng)摩擦損耗等）。還有一部分能量損耗在和地面之間的滾動(dòng)摩擦，摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)，要解決這些問(wèn)題，就要找到關(guān)鍵因素。為了更直觀、準(zhǔn)確的解決這些問(wèn)題，需要借助數(shù)學(xué)工具。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，得到合理的方案?，F(xiàn)在先不考慮小車內(nèi)部的能耗原因。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。設(shè)小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，假如小車的驅(qū)動(dòng)力能使小車在硬質(zhì)地面上行走。小車的能量耗散可以用下面的表達(dá)式表示。 （3-1） 式中： 為小車總質(zhì)量 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 為了更全面的分析各因素對(duì)小車行走路程的影響，分別對(duì)下面四個(gè)方面進(jìn)行討論。 1）輪子與地面的滾動(dòng)摩阻系數(shù) 2）輪子的半徑 3）小車的重量 4）小車能量轉(zhuǎn)換效率 （1）輪子與地面的滾動(dòng)摩阻系數(shù)對(duì)小車行走路程的影響 通過(guò)查閱資料知道一般材料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的分析可知滾動(dòng)摩阻系數(shù)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)影響非常顯著，因此在設(shè)計(jì)小車時(shí)也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。 （2）輪子的半徑對(duì)小車行走路程的影響 對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的分析可見(jiàn)，小車輪子的半徑越大其行走的距離也就越大。所以在不影響裝配等條件的情況下，盡量采用大的車輪半徑。 （3）小車的重量對(duì)小車行走路程的影響 小車越輕其能量利用的效率就越高，主要原因是重量輕減少了小車克服不必要的額外重量做功。因此盡量減少小車的重量。 （4）小車能量轉(zhuǎn)換效率對(duì)小車行走路程的影響 可以看到小車能量利用的效率越高，小車行走的距離越遠(yuǎn)。因此應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，充分潤(rùn)滑。 3.2 小車驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向原理分析 小車結(jié)構(gòu)越緊湊，其轉(zhuǎn)向性能越好。整體重量越輕，在行走的過(guò)程中阻力就越小，行走的路程就越遠(yuǎn)。設(shè)計(jì)理念是讓小車結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)潔、加工方便、結(jié)構(gòu)緊湊。益智循跡機(jī)械小車驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向原理圖如下： i1 i2 圖3.1 益智循跡機(jī)械小車驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向原理圖 （1）對(duì)各序號(hào)說(shuō)明 1是與凸輪同軸的齒輪，作用是驅(qū)動(dòng)凸輪軸，并帶動(dòng)凸輪做周期回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2是凸輪軸 3是凸輪，作用是控制轉(zhuǎn)向。 4轉(zhuǎn)向軸的擺桿，在凸輪的作用下，做周期性的前后往復(fù)擺動(dòng)帶動(dòng)前輪左右擺 動(dòng)，控制小車 做周期性的轉(zhuǎn)身，避障行走。 5是主動(dòng)軸 6是主動(dòng)齒輪 7是后輪軸 8后輪軸上的齒輪 （2）驅(qū)動(dòng)原理說(shuō)明 小車在工作的時(shí)候，先把線繩繞在5（主動(dòng)軸）上，發(fā)條通過(guò)線輪輪拉線繩帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)6（主動(dòng)齒輪）把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到8（后輪軸上的齒輪）帶動(dòng)后輪軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成向前行走的動(dòng)作。與此同時(shí)，6（主動(dòng)齒輪）把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到1（凸輪軸上的齒輪）帶動(dòng)2（前輪軸）轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)3（凸輪）做周期性的旋轉(zhuǎn)。3（凸輪）推動(dòng)4（轉(zhuǎn)向軸的擺桿）做周期性的前后往復(fù)擺動(dòng)帶動(dòng)前輪左右擺動(dòng)，控制小車做周期性的轉(zhuǎn)身，避障行走。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于：能夠極大的簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，使得傳動(dòng)效率較高，運(yùn)動(dòng)傳遞的可靠性及穩(wěn)定性較好。 3.3 計(jì)算小車的傳動(dòng)比 小車的行走軌跡如下圖3.2所示，小車中心與障礙物中心的中心距設(shè)計(jì)值為225mm。 則該行走軌跡的函數(shù)表達(dá)式為 在一個(gè)周期內(nèi)，益智循跡機(jī)械小車各機(jī)構(gòu)所要完成的任務(wù)是：凸輪旋轉(zhuǎn)一周、小車要行走一個(gè)周期的距離、避開(kāi)兩個(gè)障礙物。 為了讓小車內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，就要求得到精確地?cái)?shù)據(jù)。下面對(duì)小車進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算： 1）益智循跡機(jī)械小車行走一個(gè)周期的路程計(jì)算 根據(jù)軌跡表達(dá)式，借助matlab求該函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)的弧長(zhǎng)，求得弧長(zhǎng)為L(zhǎng)S =2230.274mm。 2）對(duì)后輪半徑進(jìn)行計(jì)算 小車的行走阻力不僅和地面有關(guān)，而且也和輪子的材料、大小等因素有關(guān)。 有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 對(duì)于相同的材料為一定值。 而滾動(dòng)摩擦阻力 所以輪子越大小車受到的阻力越小，在行走的過(guò)程中能量損失越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問(wèn)題材料問(wèn)題安裝問(wèn)題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。 由于小車是在行走的過(guò)程中自動(dòng)完成避障行走的，這就要求其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)之間存在著精確的傳動(dòng)比。換句話說(shuō)就是，后輪行走多少圈完成一個(gè)周期的軌跡，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成一次轉(zhuǎn)向。為此必須選擇合適的傳動(dòng)比，下面根據(jù)一個(gè)周期軌跡長(zhǎng)度對(duì)小車后輪半徑進(jìn)行試計(jì)算。 假設(shè)后輪轉(zhuǎn)一周，走一個(gè)周期，前輪完成一次轉(zhuǎn)向，則后輪半徑為 355mm 假設(shè)后輪轉(zhuǎn)一周，走兩個(gè)周期，前輪完成一次轉(zhuǎn)向，則后輪半徑為 177.569mm 假設(shè)后輪轉(zhuǎn)一周，走一個(gè)周期，前輪完成一次轉(zhuǎn)向，則后輪半徑為 118.38mm 假設(shè)后輪轉(zhuǎn)一周，走一個(gè)周期，前輪完成一次轉(zhuǎn)向，則后輪半徑為 88.78mm 雖然R越大，其滾動(dòng)阻力系數(shù)越小。但是半徑過(guò)大不僅增加了小車的重量，而且也增加了車子的結(jié)構(gòu)尺寸，使小車在行走的過(guò)程中，行走笨拙，避障性能不好。鑒于以上因素，選擇半徑R=88.78mm進(jìn)行小車的設(shè)計(jì)計(jì)算。這要求后輪轉(zhuǎn)動(dòng)4周，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成一次周期性的擺動(dòng)，小車實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)身。這就確定小車后輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)比為i2=4 主動(dòng)軸與后輪軸的傳動(dòng)比選擇論證，由于小車在行走的過(guò)程中受力不大，同時(shí)為了保證較高的效率（多級(jí)傳動(dòng)不易保證裝配精度，降低傳動(dòng)效率），采用一級(jí)直齒圓柱齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。傳動(dòng)比選擇i1=6進(jìn)行試計(jì)算。 3.4 小車行走路程估算 設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。設(shè)小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，假如小車的驅(qū)動(dòng)力能使小車在硬質(zhì)地面上行走。根據(jù)公式（3—1） 有前面章節(jié)的討論知道R=88.7mm 初步估算小車的質(zhì)量m=2kg 小車內(nèi)部傳動(dòng)效率假設(shè)為1 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的命題，便于設(shè)計(jì)，假設(shè)小車在兩種不同的地面上進(jìn)行調(diào)試，一種是光滑的石板地面，一種是粗糙的水泥地面。 情況一：在石板地面上行走，通過(guò)查閱資料知道鋁合金和石板之間的滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)為0.25。通過(guò)能量耗散公式初步估計(jì)小車的行走路程 S = 70 m 情況二：在粗糙水泥地面上行走，在網(wǎng)上查得，小車在粗糙水泥地面上行走時(shí)和地面之間的滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)為1～1.5，取=1.2。通過(guò)能量耗散公式初步估計(jì)小車的行走路程 S = 14.6 m 依據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算。 3.5 齒輪的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核 3.5.1第一對(duì)齒輪的分析設(shè)計(jì) 益智循跡機(jī)械小車的驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向原理圖如圖3.1，已知條件：6，后輪旋轉(zhuǎn)四周，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成一個(gè)周期性的擺動(dòng)，小車實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)身。驅(qū)動(dòng)力為發(fā)條通過(guò)拉線繞在主動(dòng)軸的線輪上帶動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪的嚙合帶動(dòng)7（后輪軸）及2（前輪軸）旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)行走機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)避障行走。設(shè)計(jì)要求：按照小車每天工作4h，每年工作300天，工作壽命為15年。根據(jù)以上要求對(duì)齒輪進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。 齒輪的相關(guān)計(jì)算 1. 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1） 按照?qǐng)D示傳動(dòng)原理，選擇直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 2） 益智循跡機(jī)械小車的運(yùn)行速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095—88）。 3） 材料選擇。由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表10—1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料的硬度差為40HBS 4） 選擇小齒輪齒數(shù)Z1 = 20，大齒輪齒數(shù)Z2 = 620 =120 2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10—9a）進(jìn)行試算，即 d1t ≥ 2.32 （1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù)Kt = 1.3 2） 計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩 要確定扭矩的大小，就要確定小車在正常運(yùn)行的過(guò)程中所需要驅(qū)動(dòng)線輪的大小，根據(jù)公式T=FR 即可求出力矩。計(jì)算步驟如下： 根據(jù)小車行走的路程及傳動(dòng)比計(jì)算小車主動(dòng)軸線輪的半徑，I1=6。 小車在一次行走的過(guò)程中一共完成了N個(gè)周期，則 其中：S是小車行走的路程 Ls是小車完成一個(gè)周期所要走過(guò)的路程 主動(dòng)軸所要轉(zhuǎn)動(dòng)的N1周，根據(jù)后輪軸和主動(dòng)軸之間的傳動(dòng)比， 則小車主動(dòng)軸上線輪的半徑 其中：H是發(fā)條最大繞線長(zhǎng)度 由前面的章節(jié)計(jì)算知Smax = 70m、Smin = 14.6m 有前面的計(jì)算步驟可以算的 Rmax = 13mm、Rmin = 5.46mm 進(jìn)而算的 為了保證小車工作性能可靠，采用進(jìn)行計(jì)算 3） 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的表10—7選取齒寬系數(shù) 4） 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的表10—6查得材料的彈性影響 5） 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的表10—21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。 6） 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的表10—13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 為了讓小車運(yùn)行更加平穩(wěn)，設(shè)計(jì)的過(guò)程中讓小車緩慢勻速前進(jìn)，設(shè)計(jì)速度V = 0.5m／s 由此可知小齒輪的轉(zhuǎn)速 =54 r／min 7） 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的表10—19取接觸疲勞壽; 8） 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1%,安全系數(shù)S = 1，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的式（10—12）得 (2) 計(jì)算 1） 試算小齒輪分度圓直徑，帶入中的較小值。 d1t ≥ 2.32 = 2.32 = 6.47mm 2） 計(jì)算圓周速度V。 3） 計(jì)算齒寬b。 mm 4） 計(jì)算齒寬與齒高之比。 模數(shù) mm 齒高 mm 齒寬與齒高之比 = 5)計(jì)算載荷系數(shù)。 根據(jù)v = 0.034，7級(jí)精度，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的圖10—8查得動(dòng)載荷系數(shù)； 直齒輪，； 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的表10—2查得使用系數(shù)； 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的表10—4用差值法查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支撐非對(duì)稱布置時(shí)， 由=8.889，，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的圖10—13查得 ；故載荷系數(shù) 6)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材中的式（10-10a）得 =6.682 7)計(jì)算模數(shù) 3．按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 (1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1）由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限； 2）由機(jī)械設(shè)計(jì)教材圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)，； 3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由機(jī)械設(shè)計(jì)教材式（10-12）得 4）計(jì)算載荷系數(shù)K。 5） 查取齒形系數(shù)。 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表10-5查得 ；。 6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)。 由機(jī)械設(shè)計(jì)教材表10-5查得 ；。 7） 計(jì)算大、小齒輪的并加以比較。 大齒輪的數(shù)值大。 （2） 設(shè)計(jì)計(jì)算 mm=0.23mm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.23就能滿足強(qiáng)度要求。但從加工、裝配其它零件的尺寸考慮，選取模數(shù)m=0.5mm，齒數(shù)為20。 大齒輪齒數(shù) 該對(duì)齒輪既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 4.幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 （2）計(jì)算中心距 （3） 計(jì)算齒輪寬度 為了便于加工及裝配的方便，取 3.5.2第二對(duì)齒輪的分析設(shè)計(jì) 第二對(duì)齒輪算傳遞的力僅僅有凸輪回復(fù)力及地面與小車前輪之間的摩擦力產(chǎn)生的，受力遠(yuǎn)小于主動(dòng)軸齒輪和后輪軸齒輪之間所傳遞的扭矩，因此按照上面的受力關(guān)系計(jì)算出的齒輪模數(shù)能滿足該對(duì)齒輪傳遞力的要求。根據(jù)后輪轉(zhuǎn)四周，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成一次周期性的擺動(dòng)，小車完成一個(gè)周期的避障行走的要求?？梢郧蟮眯≤嚨牧硪粋€(gè)齒輪的齒數(shù) 幾何尺寸的計(jì)算 1）計(jì)算分度圓的直徑 mm 2）計(jì)算凸輪軸和主動(dòng)軸之間的中心距 3）齒寬 為了讓兩對(duì)齒輪更好的嚙合，選擇=5mm 3.6 凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 圖3.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 1. 轉(zhuǎn)向原理說(shuō)明 擺桿在凸輪的作用下，做周期性的前后往復(fù)擺動(dòng)帶動(dòng)前輪左右擺動(dòng)，控制小車做周期性的轉(zhuǎn)身，避障行走。 2. 益智循跡機(jī)械小車的凸輪設(shè)計(jì)要求 凸輪屬于益智循跡機(jī)械小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的重要零件，控制著小車的行走軌跡，其精度的高低直接影響到小車的避障性能。因此，凸輪的設(shè)計(jì)要具有可行性，在現(xiàn)有的加工條件下要能滿足小車對(duì)控制部分的精度要求。 3. 凸輪設(shè)計(jì)步驟簡(jiǎn)介 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)命題對(duì)小車避障性能的要求，建立小車行走軌跡的數(shù)學(xué)模型；假設(shè)小車前輪支點(diǎn)和小車后輪支點(diǎn)之間的距離無(wú)限小，如果要實(shí)現(xiàn)小車避障行走的軌跡，則只需任意一個(gè)時(shí)刻小車前輪平面與x軸夾角等于行走軌跡該點(diǎn)切線與x軸的夾角，因此，要計(jì)算出前輪任意一個(gè)時(shí)刻與x軸之間的夾角；前輪轉(zhuǎn)向角是由凸輪控制的，因此要建立前輪轉(zhuǎn)向角和凸輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系；由于實(shí)際上小車前輪支點(diǎn)與后輪支點(diǎn)有一定的距離，因此要根據(jù)兩軸之間的中心距，對(duì)小車前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正。 4. 相關(guān)的計(jì)算 圖3.5 小車行走軌跡 1）建立行走軌跡數(shù)學(xué)模型 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的命題要求，建立小車行走軌跡的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮考慮小車的避障性能，小車的行走軌跡按照余弦函數(shù)計(jì)算。該函數(shù)的表達(dá)式為 ① 2）求出(1)式與x軸任意一點(diǎn)處的斜率 y＇ y＇= ② 3）切線與x軸任意時(shí)刻的夾角 =y＇ ③ 4) 建立前輪轉(zhuǎn)角和凸輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系 圖3.6 凸輪與前輪轉(zhuǎn)角示意圖 凸輪任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)角 用凸輪任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)角表示小車任意時(shí)刻的軌跡x ④ 將④代入③，建立與的關(guān)系 ⑤ 3. 求取凸輪的輪廓曲線 采用擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu) 圖3.7 擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu) 對(duì)進(jìn)行賦值，得出x,y的坐標(biāo)值 得出x、y坐標(biāo)值，但是得出的x、y坐標(biāo)值并不是凸輪輪廓曲線上的坐標(biāo)值。這是因?yàn)樵诮⑴c之間的關(guān)系，實(shí)際上是建立的凸輪轉(zhuǎn)角與行走軌跡線任意時(shí)刻與x軸之間的夾角，雖然兩者之間對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律符合行走軌跡切線斜率的變化，由于小車前輪支撐點(diǎn)和后輪支撐點(diǎn)的距離并不是無(wú)限小的，因此前輪轉(zhuǎn)角明顯比實(shí)際需要的轉(zhuǎn)角大。要想得到最佳的行走軌跡路線，就要對(duì)前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正。修正方法如下： 修正系數(shù)的大小要根據(jù)小車前輪支點(diǎn)和后輪支點(diǎn)之間的垂直距離決定的，因此要首先確定，兩點(diǎn)之間的距離 =132mm 其中：是主動(dòng)軸與后輪軸之間的中心距離 是主動(dòng)軸與凸輪軸之間的距離 是凸輪的基圓半徑大小，試選擇基圓半徑為20mm 很容易求出小車行走軌跡線與x軸之間的最大夾角，現(xiàn)在要求出修正比例系數(shù)，就要求出在實(shí)際行走過(guò)程中小車前輪轉(zhuǎn)角與小車車身對(duì)稱線之間的最大夾角，后者比上前者就是修正系數(shù)。 1）計(jì)算小車前輪轉(zhuǎn)角與小車車身對(duì)稱線之間的最大夾角 小車行走軌跡函數(shù) 小車任意一點(diǎn)處軌跡的斜率y＇= 小車轉(zhuǎn)角在何處變化最快，就要對(duì)y＇再求導(dǎo) y〃 根據(jù)y〃可以看出，當(dāng)x = 1000n時(shí)。y〃取得最大值，此時(shí)小車行走軌跡切線與x軸的變化率最大。 圖3.8 前輪轉(zhuǎn)角變化最快處示意圖 由前面的計(jì)算知道 前輪和x軸之間的轉(zhuǎn)角公式 ⑥ 將帶入⑥得 將帶入⑥得 小車前輪轉(zhuǎn)角與小車車身對(duì)稱線之間的最大夾角△ △=-=12.75 2）計(jì)算前輪轉(zhuǎn)角和x軸之間的最大轉(zhuǎn)角 令 則 ˊ= 由此，可以看出隨著x的增大而增大。 很容易看出當(dāng)時(shí)，x取得最大值。 將帶入公式⑥算的 修正系數(shù) 6.計(jì)算凸輪輪廓任意點(diǎn)距離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離R 圖3.9 凸輪輪廓 凸輪輪廓任意點(diǎn)處的半徑R 修正輪廓曲線x、y坐標(biāo)值 將擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)作如下的變形完成轉(zhuǎn)向控制 圖3.10 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖 其中：是切線與x軸任意時(shí)刻的夾角 取 其中：是前輪轉(zhuǎn)角修正系數(shù)。 凸輪輪廓上的點(diǎn)任意時(shí)刻到回轉(zhuǎn)中心的距離R 對(duì)進(jìn)行賦值，求出R值，根據(jù)其對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸入CAXA線切割軟件，生成加工軌跡及代碼。在加工完成后，采用細(xì)砂紙打磨輪廓表面，降低和擺動(dòng)從動(dòng)件之間的摩擦力。 3.7 軸的強(qiáng)度校核 3.7.1 驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度校核 圖3.11 主動(dòng)軸 已知:由前面的章節(jié)知道，該軸傳遞的最大的力矩，齒輪為直齒圓柱齒輪。軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。由于傳遞的力矩不大，齒輪、線輪采用緊固螺釘固定，軸和軸承支座之間采用套筒定位。軸的直徑d=6mm。 （1）做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖（即力學(xué)模型） 圖3.12 主動(dòng)軸力學(xué)模型 在H平面內(nèi)對(duì)該軸進(jìn)行受力分析 1)在H平面受力簡(jiǎn)化成如下圖所示 圖3.13 H平面內(nèi)受力 計(jì)算齒輪的切向力 根據(jù)得到計(jì)算式 ① 根據(jù)H平面上的合力 得到 ② 聯(lián)立①、②式得 在H平面上的剪力圖，和彎矩圖如下： 圖3.14 H平面內(nèi)剪力和彎矩圖 2）在V平面上受力簡(jiǎn)化成如下圖所示 圖3.15 V平面內(nèi)受力圖 齒輪的徑向力 對(duì)A點(diǎn)的彎矩 ? 在V平面上的合力 ? 有?、?得， 該軸在1處的彎矩 該軸在1處的彎矩 在V平面上的剪力圖，和彎矩圖如下： 圖3.16 v平面內(nèi)剪力及彎矩圖 該主動(dòng)軸上所受的總彎矩的計(jì)算 1處的彎矩大小計(jì)算 2處的彎矩計(jì)算 該主動(dòng)軸上的和彎矩圖如下 圖3.17 合成彎矩圖 該軸所受的扭矩圖如下 圖3.18 扭矩圖 按彎矩、扭矩合成應(yīng)力校核該軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面2處。扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，取= 0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力 故該軸是安全的。 3.7.2 后輪軸的強(qiáng)度校核 圖3.19 后輪 已知：小車質(zhì)量為2kg（帶發(fā)條的情況下），g=10kg/s。 （1） 做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖（即力學(xué)模型） 圖3.20 后輪軸力學(xué)模型 在H平面內(nèi)對(duì)該軸進(jìn)行受力分析 1) 在v平面受力簡(jiǎn)化成如下圖所示 圖3.21 V平面受力示意圖 在V平面上后輪軸的分析計(jì)算 有前面的分析計(jì)算可以知道，估計(jì)車的質(zhì)量為2kg，則 小車行走過(guò)程中，后輪所受的阻力計(jì)算：小車的行走距離與阻力成反比，對(duì)小車后輪軸強(qiáng)度校核的過(guò)程中采用較大的力進(jìn)行校核。根據(jù)能量守恒原理，得到如下方程式： 其中：f是小車在行走的過(guò)程中所受到的阻力 h是中午下落的高度 由此，可以計(jì)算出小車在行走過(guò)程中所受到的阻力 F = 0.274N 求解未知力及彎矩 根據(jù)在V平面內(nèi)所有的合力,得到如下關(guān)系式 ① 根據(jù)在V平面內(nèi)所有的合力矩,得到如下關(guān)系式 ② 由①、②得 該軸在V平面上所受的剪力圖及彎矩圖如下 圖3.22 V平面剪力及彎矩圖 2）在H平面內(nèi)后輪軸的受力分析 由于小車要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的性能，因此小車在行走的過(guò)程中后輪要實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)動(dòng)。差速器結(jié)構(gòu)比較大，安裝不反方便，且比較重。益智循跡機(jī)械小車的驅(qū)動(dòng)能量有限，盡量減少整車的重量。為此，采取的方法是在后輪中個(gè)安裝一個(gè)超越離合器，以實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)動(dòng)。超越離合器是單向旋轉(zhuǎn)，這就說(shuō)明小車在行走的過(guò)程中，后輪是交替作為驅(qū)動(dòng)輪的（即小車向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左輪為驅(qū)動(dòng)輪，右輪為從動(dòng)輪。小車向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，右輪為主動(dòng)輪，左輪為從動(dòng)輪)。下面分兩種情況，進(jìn)行分析討論 (1) 情況一：小車向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左輪為驅(qū)動(dòng)輪，右輪為從動(dòng)輪 由前面的計(jì)算知道小車的行走阻力，小車克服阻力行走，要求后輪軸要克服阻力。此時(shí)： 在H平面受力簡(jiǎn)化成如下圖所示 圖3.23 H平面受力示意圖 求解未知力及彎矩 根據(jù)在H平面內(nèi)所有的合力,得到如下關(guān)系式 ① 根據(jù)在H平面內(nèi)所有的合力矩,得到如下關(guān)系式 ② 由①、②得 該軸在H平面上所受的剪力圖及彎矩圖如下圖3.24 圖3.24 H平面剪力及彎矩圖 （2）情況二：小車向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，右輪為主動(dòng)輪，左輪為從動(dòng)輪 由前面的計(jì)算知道小車的行走阻力，小車克服阻力行走，要求后輪軸要克服阻力。此時(shí)： 在H平面受力簡(jiǎn)化成如下圖所示 圖3.25 H平面受力示意圖 求解未知力及彎矩 根據(jù)在H平面內(nèi)所有的合力,得到如下關(guān)系式 ① 根據(jù)在H平面內(nèi)所有的合力矩,得到如下關(guān)系式 ② 由①、②得 該軸在H平面上所受的剪力圖及彎矩圖如下 圖3.26 H平面剪力及彎矩圖 第一種情況下，該軸所受的總彎矩： 代入相關(guān)數(shù)值，計(jì)算得 扭矩及彎矩圖如下 圖3.27 扭矩及彎矩圖 按彎矩、扭矩合成應(yīng)力校核該軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面2處。扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，取= 0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力 故該軸是安全的。 第二種情況下，該軸所受的總彎矩： 代入相關(guān)數(shù)值，計(jì)算得 扭矩及彎矩圖如下 圖3.28 扭矩及彎矩圖 按彎矩、扭矩合成應(yīng)力校核該軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面2處。扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，取= 0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力 故該軸是安全的。 第四章 益智循跡機(jī)械小車主要零件的加工 4.1 小車的底板設(shè)計(jì)及加工 小車要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，目的是在有限的驅(qū)動(dòng)能量的情況下，行走最遠(yuǎn)。為此小車主題結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料。益智循跡機(jī)械小車底板的大致形狀為長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)度由小車傳動(dòng)部分及發(fā)條的尺寸決定，寬度不僅要考慮小車避障行走的穩(wěn)定性，還要考慮發(fā)條的尺寸、安裝支架的空間尺寸等。 益智循跡機(jī)械小車底板的尺寸如下圖： 圖4.2 車底板 益智循跡機(jī)械小車底板的三維效果圖如下： 圖4.1 車底板 2. 益智循跡機(jī)械小車底板的加工方法 因?yàn)檐嚨装迨瞧渌髁慵妮d體，其精度的高低將影響益智循跡機(jī)械小車的避障性能，可以說(shuō)具有決定性的作用。益智循跡機(jī)械小車上的其他零件都是以底板上的各個(gè)孔作為定位的，因此在加工底板的時(shí)候不僅要保證各孔的尺寸精度，還要保證其位置精度。所以，材料的選擇及加工方法的選擇顯得很重要。 1）機(jī)床選擇 根據(jù)本次加工零件尺寸精度和表面質(zhì)量的要求，并考慮到經(jīng)濟(jì)和效率的問(wèn)題，我們選用快走絲線切割機(jī)床對(duì)零件進(jìn)行線切割加工。該設(shè)備是蘇州金馬生產(chǎn)的快走絲線切割機(jī)床。 2）工件材料的選擇 由于益智循跡機(jī)械小車受力較小，在有限的能量下，為了讓車子完成遠(yuǎn)路程的避障行走，選擇比重較輕的材料。根據(jù)受力、工作環(huán)境等各方面的因素，經(jīng)過(guò)綜合分析確定益智循跡機(jī)械小車設(shè)計(jì)的底板材料選用的是4mm厚的鋁合金板料。 3）電極絲的選擇 電極絲的選擇 我國(guó)快走絲機(jī)床常用的電極絲是鉬絲，它的價(jià)格和質(zhì)量都較好，所以 我們選用直徑為 0.18mm 的鉬絲。 4）確定加工電參量 根據(jù)快走絲機(jī)床的使用說(shuō)明書(shū)，表4-1 提供了切割鋁合金的電參量。 表 4-1 切割鋁合金的電參量 5) 在線切割XP軟件中繪制益智循跡機(jī)械小車底板 在保證小車底板性能的前提下，為了減少勞動(dòng)量、機(jī)加工時(shí)間、降低成本，對(duì)小車加工方案作了如下改進(jìn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)不必要提前打很多穿絲孔，是減少穿絲次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。簡(jiǎn)化后的加工方案圖如下 圖4.3 車底板加工方案圖 6）底板加工軌跡的生成及仿真 生成快走絲機(jī)床的加工軌跡 ，軌跡生成是在已經(jīng)構(gòu)造好輪廓的基礎(chǔ)上，結(jié)合線切割加工工藝，給出確定的加工方法和加工條件，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出加工軌跡的過(guò)程。 ①加工參數(shù)設(shè)置 在繪制好的益智循跡機(jī)械小車底板的基礎(chǔ)上，單擊主菜單：線切割→ 軌跡生成，系統(tǒng)彈出【線切割軌跡生成參數(shù)表】對(duì)話框,并輸入相應(yīng)的切割參數(shù)：垂直切入、分四次切割、加工軌跡自動(dòng)補(bǔ)償、圓弧過(guò)度、圓弧擬合。然 后單擊“偏移量/補(bǔ)償值” ，系統(tǒng)彈出偏移量/補(bǔ)償值對(duì)話框，并分別輸入對(duì)應(yīng)加工次序的偏移量，這里值得注意的是偏移量和加工次序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后點(diǎn)擊確定。 圖4.4加工參數(shù)設(shè)置 ②拾取輪廓 完成上一步加工參數(shù)設(shè)置后，系統(tǒng)在界面左下角提示拾取輪廓，單擊底板上某一點(diǎn)（切入點(diǎn)） ，這一點(diǎn)可以自己定，但最好定在便于切入的地方，我們現(xiàn)在把這一點(diǎn)定在拐角處的某一確定點(diǎn)，此時(shí)在切入點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一對(duì)反向的箭頭。如下圖所示。 圖4.5 拾取輪廓 ③選擇切割及補(bǔ)償方向。 用鼠標(biāo)左擊箭頭，確定切割方向，切割方向確定后，在輪廓法線方向上出現(xiàn)一對(duì)反向的箭頭，要求選擇補(bǔ)償方向，選擇外側(cè)輪廓外側(cè)的箭頭作為補(bǔ)償方向，輸入穿絲點(diǎn)坐標(biāo)，按回車。右擊鼠標(biāo)，使穿絲點(diǎn)與回退點(diǎn)重合，完成益智循跡機(jī)械小車底板加工軌跡的生成。 圖4.6選擇切割及補(bǔ)償方向 ④生成完整的加工軌跡 由于要加工內(nèi)部獨(dú)立的型腔，在上面也生成過(guò)兩次軌跡，如何把兩次生成的軌跡在幾次裝夾中完成加工呢，這就要用到跳步。單擊主菜單：線切割→ 軌跡跳步，先點(diǎn)擊型腔的軌跡，后點(diǎn)擊外輪廓軌跡，建立兩次生成的軌跡在機(jī)床上的坐標(biāo)關(guān)系。完成軌跡的生成。如下圖 圖4.7加工軌跡 ⑤ 生成加工代碼 單擊主菜單：線切割→生成3B代碼（B）。完成代碼的生成，傳到機(jī)床上，即可完成工件的加工。 ⑥ 3B代碼的校核 單擊主菜單：線切割→校核3B代碼（J），校核軌跡如下圖 圖4.8代碼校核圖 ⑦ 軌跡仿真 單擊主菜單：線切割→軌跡仿真（S）。如下圖 圖4.9軌跡仿真圖 4.2 車輪的設(shè)計(jì)與加工 1. 車輪的三維圖 圖4.10 車輪三維圖 益智循跡機(jī)械小車車輪的尺寸如下圖 圖4.11益智循跡機(jī)械小車車輪 2. 益智循跡機(jī)械小車車輪的加工方法 車輪是小車的行走機(jī)構(gòu)中的重要部件，其回轉(zhuǎn)精度的高低將影響益智循跡機(jī)械小車行走的穩(wěn)定性，對(duì)小車行走過(guò)程中所產(chǎn)生的震動(dòng)，具有決定性的作用。因此車輪上的各個(gè)孔決定其回轉(zhuǎn)精度的高低，因此在加各孔的時(shí)候不僅要保證各孔的尺寸精度，還要保證其位置精度。所以，材料的選擇及加工方法的選擇顯得很重要。 1）機(jī)床選擇 根據(jù)本次加工零件尺寸精度和位置精度的要求， 并考慮到經(jīng)濟(jì)和效率的 問(wèn)題，我們選用快走絲線切割機(jī)床對(duì)零件進(jìn)行線切割加工。該設(shè)備是蘇州金馬生產(chǎn)的快走絲線切割機(jī)床。 2）工件材料的選擇 由于益智循跡機(jī)械小車受力較小，在有限的能量下，為了讓車子完成遠(yuǎn)路程的避障行走，選擇比重較輕的材料。根據(jù)受力、工作環(huán)境等各方面的因素，經(jīng)過(guò)綜合分析確定益智循跡機(jī)械小車設(shè)計(jì)的車輪材料選用的是4mm厚的鋁合金板料。 3）電極絲的選擇 電極絲的選擇我國(guó)快走絲機(jī)床常用的電極絲是鉬絲，它的價(jià)格和質(zhì)量都較好，所以我們選用直徑為 0.18mm的鉬絲。 4）確定加工電參量 根據(jù)快走絲機(jī)床的使用說(shuō)明書(shū)，表 4-1 提供的切割鋁合金的電參量，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。 5) 在線切割XP軟件中繪制益智循跡機(jī)械小車車輪 在保證小車底板性能的前提下，為了減少勞動(dòng)量、機(jī)加工時(shí)間、降低成本，對(duì)小車加工方案作了如下改進(jìn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)不必要提前打很多穿絲孔，是減少穿絲次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。簡(jiǎn)化后的加工方案圖如下 圖4.12益智循跡機(jī)械小車車輪加工方案圖 6）車輪加工軌跡的生成及仿真 生成快走絲機(jī)床的加工軌跡 ，軌跡生成是在已經(jīng)構(gòu)造好輪廓的基礎(chǔ)上，結(jié)合線切割加工工藝，給出確定的加工方法和加工條件，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出加工軌跡的過(guò)程。 ①加工參數(shù)設(shè)置 在繪制好的益智循跡機(jī)械小車底板的基礎(chǔ)上，單擊主菜單：線切割→ 軌跡生成，系統(tǒng)彈出【線切割軌跡生成參數(shù)表】對(duì)話框,并輸入相應(yīng)的切割參數(shù)：垂直切入、分四次切割、加工軌跡自動(dòng)補(bǔ)償、圓弧過(guò)度、圓弧擬合。然 后單擊“偏移量/補(bǔ)償值” ，系統(tǒng)彈出偏移量/補(bǔ)償值對(duì)話框，并分別輸入對(duì)應(yīng)加工次序的偏移量，這里值得注意的是偏移量和加工次序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后點(diǎn)擊確定。 圖4.13加工參數(shù)設(shè)置 ②拾取輪廓 完成上一步加工參數(shù)設(shè)置后，系統(tǒng)在界面左下角提示拾取輪廓，單擊底板上某一點(diǎn)（切入點(diǎn)） ，這一點(diǎn)可以自己定，但最好定在便于切入的地方，我們現(xiàn)在把這一點(diǎn)定在拐角處的某一確定點(diǎn)，此時(shí)在切入點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一對(duì)反向的箭頭。如下圖所示。 圖4.14拾取輪廓 ③選擇切割及補(bǔ)償方向。 用鼠標(biāo)左擊箭頭，確定切割方向，切割方向確定后，在輪廓法線方向上出現(xiàn)一對(duì)反向的箭頭，要求選擇補(bǔ)償方向，選擇外側(cè)輪廓外側(cè)的箭頭作為補(bǔ)償方向，輸入穿絲點(diǎn)坐標(biāo)，按回車。右擊鼠標(biāo)，使穿絲點(diǎn)與回退點(diǎn)重合，完成益智循跡機(jī)械小車底板加工軌跡的生成。 圖4.15選擇切割及補(bǔ)償方向 ④生成完整的加工軌跡 由于要加工內(nèi)部獨(dú)立的型腔，在上面也生成過(guò)兩次軌跡，如何把兩次生成的軌跡在幾次裝夾中完成加工呢，這就要用到跳步。單擊主菜單：線切割→ 軌跡跳步，先點(diǎn)擊型腔的軌跡，后點(diǎn)擊外輪廓軌跡，建立五次生成的軌跡在機(jī)床上的坐標(biāo)關(guān)系。完成軌跡的生成。如下圖 圖4.16加工軌跡 ⑤生成加工代碼 單擊主菜單：線切割→生成3B代碼（B）。完成代碼的生成，傳到機(jī)床上，即可完成工件的加工。 ⑥ 3B代碼的校核 單擊主菜單：線切割→校核3B代碼（J），校核軌跡如下圖 圖4.17代碼校核 ⑦ 軌跡仿真 單擊主菜單：線切割→軌跡仿真（S）。如下圖 圖4.18 軌跡仿真 4.3 軸承支座的設(shè)計(jì)加工 軸承支座的三維圖 圖4.19 軸承支座 軸承支座精度的高低，直接影響到各傳動(dòng)軸之間的平行度。為了保證齒輪之間精確的嚙合。就要保證各面之間的位置關(guān)系。各孔的尺寸精度及位置精度。 加工方法 1） 材料選擇，軸承支座承受著齒輪之間的嚙合力及小車的重量。為了保證小車按照預(yù)定的軌跡避障行走，就要求軸承支