凸轮字无碳小车制造设计方案报告

目录一、设计要求………….41.1功效分析阶段..................................................41.2参数分析和个性化设计阶段……………………..41.3制造阶段…………..41.4调试阶段…………..4二、正式设计………….52.1机械总功效分解及功效元解……………………..62.2机构选型和方案对比……………..62.2.1机构选型基础标准……………………...62.3势能转化机构分析………………..72.3.1重物锥台轮机构功效元解优缺点……..72.3.2重物飞轮机构功效元解优缺点…………72.3.3发条弹簧机构功效元解优缺点…………82.3.4橡皮筋结构功效元解优缺点……………82.6直线行走位移机构分析…………..82.6.1后双轮差速驱动功效元解优缺点………82.7前轮摆动机构分析…………………92.7.1凸轮推杆机构功效元解优缺点………….92.7.2曲柄摇杆机构功效元解优缺点…………92.7.3圆轮导杆机构功效元解优缺点………….102.8中间传动机构分析…………………102.8.1齿轮传动机构功效元解优缺点………….102.8.2皮带轮传动机构功效元解优缺点………112.9组合方案择优并确定辅助、控制机构…………….112.9.1辅助机构之车架分析……….112.9.2控制机构之微调机构分析…………………11三、技术设计……………123.1建立8字轨迹理想模型…………….123.2、solidworkstoolbox凸轮设计及其相关参数确实定：…………………123.3建立小车数学模型…………….133.3.1小车转弯状态分析…………………153.4动力学分析模型………………..183.5参数确定…………..21四、小车装配图……………22五、小车运动仿真轨迹及m文件………………..23

一、设计要求本届竞赛命题为“以重力势能驱动含有方向控制功效自行小车”。设计一个小车，驱动其行走及转向能量是依据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg标准砝码（￠50×65mm，碳钢制作）来取得，要求砝码可下降高度为400±2mm。标准砝码一直由小车承载，不许可从小车上掉落。图1为小车示意图。图1无碳小车示意图要求小车在行走过程中完成全部动作所需能量均由此给定重力势能转换而得，不能够使用任何其它起源能量。要求小车含有转向控制机构，且此转向控制机构含有可调整功效，以适应放有不一样间距障碍物竞赛场地。要求小车为三轮结构。具体设计、材料选择及加工制作均由参赛学生自主完成。“8”字型赛道场地常规赛小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕两个障碍物按“8”字型轨迹运行。障碍物为直径20mm、长200mm2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台中线上，该距离由竞赛项目开始时抽签产生，以小车完成8字绕行圈数多少来评定成绩，见图3。图2“8”字型赛道竞赛所用乒乓球台及障碍设置图参与“8”字型赛道竞赛参赛队，使用在现场调整装配后小车及组委会统一提供标准砝码参赛。出发点自定，每队小车运行2次，取2次成绩中最好成绩。一个成功“8”字绕障轨迹为：两个封闭图形轨迹和轨迹两次变向交替出现，变向指是：轨迹曲率中心从轨迹一侧改变到另一侧。比赛中，小车需连续运行，直至停止。小车没有绕过障碍、碰倒障碍、将障碍物推出定位圆区域、砝码脱离小车、小车停止或小车掉下球台均视为此次比赛结束。本组小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身组成，经过能量转换机构取得动力来驱动后轮转动，再经过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用凸轮曲柄摇杆机构使转向轮周期性摆动，从而避开设置在8字形内固有间距障碍物。我们把小车设计分为三个关键阶段：功效分析、参数分析和个性化设计、制造加工调试。经过每一阶段深入分析，加诸大量理论参数分析，比较整合，使我们设计尽可能向最优设计靠拢。1.1功效分析阶段依据这次比赛中对小车功效要求，我们把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，经过综合对比选择出最优方案组合1.2参数分析和个性化设计阶段应用Solidworks、UG软件进行小车实体建模、部分运动仿真还有受力分析。本小组利用Matlab，将对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。再而得出小车具体参数和运动规律。1.3制造阶段我们会尽可能选择使用标准件，降低制造压力，到时将会使用数控加工帮助制造，部分零件比如凸轮不能自行加工将雇佣外厂工人帮忙制造，对于塑料会采取自制‘电锯’切割。鉴于小车受力程度和优化成本，小车将多处采取胶结。1.4调试阶段会经过调整微调连杆长度方法改变小车摆角，在试验基础上验证小车运动规律同时确定小车最优参数。

图3.小车设计三个关键阶段

二、结构设计2.1机械总功效分解及功效元解表1.势能转向小车形态学矩阵功效元功效元解1234A势能转化重物+滚筒绕线轮重物+飞轮机构发条弹簧机构橡皮筋势能装置B直线分量行走后双轮差速驱动C前轮摆动凸轮+推杆机构曲柄+摇杆机构不完全齿轮槽轮+万向节机构D中间传动齿轮机构皮带轮机构E微调机构可调整螺母可调整连杆更换凸轮更换后轮

2.2．机构选型和方案对比正式进入机构方案分析时，必需遵守以下选型标准2.3.1机构选型基础标准①满足工艺动作和运动要求。②结构最简单,传动链最短。③原动机选择有利于简化结构和改善运动质量。④机构有尽可能好动力性能。⑤机器操纵方便、调整轻易、安全耐用。⑥加工制造方便，经济成本低。⑦含有较高生产效率和机械效率。2.4势能转化机构分析原动机构作用是将势能转化为小车动能。能实现这一功效方案有多个，小车对原动机构还有其它具体要求：1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.抵达终点前重块竖直方向速度要尽可能小，避免对小车过大冲击。同时使重块动能尽可能转化到驱动小车前进上。3.机构简单，效率高。2.4.1重物锥台轮机构功效元解优缺点优点：成本低廉,结构常见比较熟悉。能够经过改变绳子绕在绳轮上不一样位置来改变其输出动力。滚筒设计实现了小车起动和重物从低速到减速下落，减小了因碰撞而损失能量。缺点：重锤下降时和小车一同运动，造成重锤下降不稳定间接影响小车行走轨迹精度；另外因重锤质量不容忽略，造成车子整体质量大，从而和地面间滚动阻力变大较大，能量消耗较快，行驶最远旅程就短图4.滚筒设计2.4.2重物飞轮机构功效元解优缺点优点：在储能完成后，释放能量阶段能做到平稳连续输出。缺点：质量大，占用体积空间大。图5.飞轮和后轮轴固连2.5.3发条弹簧机构功效元解优缺点优点：在小车运动前已储能完成，在小车运动时稳定释放能量缺点：发条在储能和释放能量时全部会消耗能量，所以能量有效利用率不高图6.发条弹簧2.5.4橡皮筋结构功效元解优缺点优点：成本低廉、橡皮筋质量低，对小车运动过程影响几乎能够忽略缺点：极难正确控制储能大小，能量释放时间过于短暂，零件间轻易打滑浪费能量。2.6.1后双轮差速驱动功效元解优缺点优点：在小车行驶过程中，驱动轮不会打滑，轨迹更为正确。缺点：装配时要求同轴心，精度要求高；

2.7前轮摆动机构分析转向机构是本小车设计关键部分，直接决定着小车功效。转向机构也一样需要尽可能降低摩擦耗能，结构简单，零部件已取得等基础条件，同时还需要有特殊运动特征。能够将旋转运动转化为满足要求往返摆动。2.7.1凸轮推杆机构功效元解优缺点优点：合适地设计出凸轮轮廓曲线后就能够使推杆正确地实现所需运动规律，而且响应快速；缺点：凸轮廓线和推杆之间为点、线接触，易磨损；凸轮正确制造较困难；需使用额外机构，利用弹簧力和使凸轮和推杆保持接触；图7.齿轮机构2.7.2曲柄摇杆机构功效元解优缺点优点：连杆机构中运动副为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，易润滑，损耗能量少，且运动副通常是几何封闭，对确保小车行进可靠性有利。缺点：因为连杆机构运动必需经过中间构件进行传输，所以构件数目多，传动路线长，若加工不能确保合适精度，易产生较大误差积累，也使机械效率降低。2.8中间传动机构分析传动概述：传动机构功效是把动力和运动传输到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶更远及按设计轨道正确地行驶，传动机构必需传输效率高、传动稳定、结构简单重量轻2.8.1齿轮传动机构功效元解优缺点优点：齿轮含有效率高、适用载荷和速度范围大、工作可靠、传动比稳定。缺点：但价格较高，且传动距离比较短图8.齿轮机构2.8.2皮带轮传动机构功效元解优缺点优点：含有结构简单、能够远距离传动、价格低廉、缓冲吸震无噪音等特点，可使重物下落速度减缓；缺点：其效率及传动精度并不高。图9.皮带轮2.9组合方案择优并确定辅助、控制机构利用上述形态学矩阵，理论上可组合出4x1x3x2=24种方案。而经对各功效元解机构优缺点分析还有比赛要求分析后，本组最终定小车组合方案为A2(绳轮机构)-B1（后双轮差速驱动）-C3（凸轮推杆机构）-D2(齿轮机构)：图10.本组组合方案图

2.9.1辅助机构之车架机构分析因为选择了滚筒绳轮机构，凸轮结构和齿轮结构，所以将车身底板尽可能挖空，以减低车身重量，而且使凸轮，齿轮不和车身发生干涉图11.车身图2.9.2控制机构之微调机构分析一台完整机器包含：原动机构、传动机构、实施机构、控制机构。微调机构就属于控制机构，因为此次比赛对轨迹精度要求很高，而且上述本组组合方案机构对于加工误差和装配误差很敏感，小车行进轨迹可能会发生偏移，加上此次大赛新要求：8字两杆之间距离在300mm-500mm之间改变，所以就必需加上微调机构，对误差进行修正，使小车走一条最优轨迹。综合各方面原因，使得小车真正实现微调，我们选择了可调整连杆机构+多组后驱动轮，经过螺栓调整连杆长度，使连着前轮杆a长度发生改变，进而影响前轮最小摆角，加上改变轮子直径，使得小车走过旅程发生改变，从而改变“8”字大小改变；图12.可调整连杆三、技术分析：3.1建立8字轨迹理想模型：图13.“8”字理想轨迹小车由O点出发，依次经过A、B、O、C、D、O完成一个周期，假设抽到两桩之间距离是400mm，及两圆中心距离是400mm，R=200mm故AOD直线距离，AOD圆轨迹距离628，取平均值596.8mm所以小车一个周期走过距离：1256+596.8*2=2449.6mm设后轮走3圈为一个周期，则后轮周长为816.53mm后轮直径D=260mm3.2、solidworkstoolbox凸轮设计及其相关参数确实定：凸轮设计：凸轮作顺时针方向转动,从动件运动方向过凸轮盘中心线，从动件在推程作等加速等减速运动,在回程作余弦加速度运动。因为传统反转法和matlab设计凸轮较为麻烦，所以本小组由小车走过轨迹将小车分为4小段，即AB=628;BOC=596.8;CD=628;DOA=596.8算出凸轮：推程运动角92.16°、回程运动角92.16°、远休止角87.84°、近休止角87.84°、推程628、回程628、设置行程h=25，基圆半径20经过solidworkstoolbox凸轮设计，输入各参数以下：基圆半径R0=20mm滚子半径Rt=5mm推杆行程h=25mm推程运动角Φ=92.16°远休止角Φs=87.84°回程运动角Φ’=92.16°近休止角Φ’s=87.84°从动件基础运动规律多项式通常形式：式中，c0,c1,c2,...,cn为待定系数，依据凸轮工作要求由边界条件确定。对于多项式类运动规律，当n=2时，从动件按等加速等减速从动件运动规律运动，所以二次多项式运动规律也称等加速等减速从动件运动规律，其位移为凸轮转角二次函数，位移曲线为抛物线。二次多项式运动规律（等加速等减速从动件运动规律）在多项式运动规律中，令n=2，则有a.推程边界条件求解从动件在推程运动方程：前半阶段（等加速阶段）后半段（等减速阶段）。b.由推程边界条件求解从动件在回程运动方程：前半阶段（等加速阶段）后半段（等减速阶段）。SoildworksToolbox参数化凸轮实体建模根据步骤，在Soildworks菜单栏中选择Toolbox工具栏Toolbox凸轮实体参数化建模1>【设置】说明：1）推杆类型：当推杆和凸轮回转中心无偏心时选择【平移】即可。如有偏心点击右侧【▼】调对应方向并输入参数即可。2）推杆直径：此处直径在三维生成时反应为凸轮“滚子直径”。3）开始半径：开始半径即为“基圆半径”。2>【运动】将已知条件参数输入图。3>【生成】1）输入其它相关参数说明：1）通孔直径：通孔直径即为凸轮和机架相链接内孔直径。2）分辨率和数值：分辨率即为凸轮生成精度，分辨率越大凸轮曲面连接越光顺且精度更高，但高分辨率对计算机要求随之更高。3）轨道曲面：在此选项卡内有盘形凸轮3种形态。盘形内凸轮、盘形外凸轮、盘形槽凸轮。2）点击生成即可绘制出凸轮三维实体模型。图14.toolbox仿真出凸轮3.3、建立小车数学模型:图16.前轮摆角由设计好凸轮行程可知，C=12.5mm，经过计算得到小车最小摆角为故可得到a杆长度为21；b杆长度由最终装配决定，得b=81.36为了方便地用数学工具分析小车运行轨迹，且不会造成重大误差，本文对小车计算模型做5点假设：1、考虑到在较低运行速度下，惯性力作用及车身本身角速度等全部可忽略；2、小车运动过程中，车轮在地面上纯滚动；3、认为地面绝对平整，即假设小车只做平面运动；4、小车作等速运动，不考虑切向力和空气动力作用；5、忽略转向系统制造误差影响，直接以前轮转角计算结果作为输入。图15.无碳小车机构简图结构方案确定后，需要确定小车各项具体参数。和轨迹直接相关小车几何参数有：前后轴距Ｌ；驱动轮和转向轮偏置距离ｅ；后轮半径ｒ；前轮横杆ｂ；齿轮总传动比ｉ；驱动轮转速ω；前轮转角θ（ｔ）。3.3.1小车转弯状态分析当小车向右转向前轮转角为θ（ｔ１）时，行驶状态图所表示。图16.前轮右转状态由图16可看出，设小车前轮转弯半径为R1，后轮驱动轮转弯半径为R2，依据速度关系有：（1）（2）（3）当小车向左转向前轮转角为时，行驶状态图17所表示。图17.前轮左转状态此时小车和向右转弯时有类似几何关系，可得：（4）（5）

简化模型轨迹方程A点和B点在前轮转角为θ（ｔ）时瞬时速度，三轮车模型能够简化为二轮车，即自行车模型。设二轮小车某一时刻前轮转角为θ（ｔ），A代表驱动轮轴心，B代表转向轮轴心。在一个微小时间段dt内，小车由ＡＢ移动A’B’，图５所表示。当忽略二阶小量d2后，图18能够表示为图19所表示。图18.模型实际转弯状态图19.忽略高阶小辆模型转弯状态由图19可得出：（6）（7）（8）联立（6）—（8）（9）（10）可见是二阶小量，图19忽略是合理。据此可得α和时间关系，以下在直角坐标系中求小车简化模型轨迹方程。某时刻小车方位ＡＢ，dt时刻后小车在A’B’，图20所表示。图20.直角坐标下dt时间内小车转弯状态由图20可得：（11）（12）结合（2）式、（4）式，以ｘＡ＝０，ｙＡ＝０，ｘＢ＝Ｌ，ｙＢ＝０为初始状态，可得小车简化模型中A点，即小车驱动轴上A点轨迹方程：(13)(14)基于小车车身上任意点在相同时刻α改变相同，不仅A点轨迹能够得到，其它点也能够用相同式子得到。如驱动轮轴心点D轨迹参数方程为：(15)(16)

3.1.3动力学分析模型a、驱动图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为，有产生扭矩，（其中是考虑到摩擦产生影响而设置系数。）驱动轮受到力矩，凸轮轴受到扭矩，为驱动轮A受到压力，为驱动轮A提供动力，有（其中是考虑到摩擦产生影响而设置系数）b、转向假设小车在转向过程