凸轮8字无碳小车设计报告

目录一、设计要求………………………………………………………………………….41.1功能分析阶段..................................................41.2参数分析与个性化设计阶段……………………………………………………..41.3制造阶段…………………………………………………………………………..41.4调试阶段…………………………………………………………………………..4二、正式设计………………………………………………………………………….52.1机械总功能分解及功能元解……………………………………………………..62.2机构选型与方案对比……………………………………………………………..62.2.1机构选型的基本原则……………………………………………………...62.3势能转化机构分析………………………………………………………………..72.3.1重物锥台轮机构功能元解的优缺点……………………………………..72.3.2重物飞轮机构功能元解的优缺点…………………………………………72.3.3发条弹簧机构功能元解的优缺点…………………………………………82.3.4橡皮筋结构功能元解的优缺点……………………………………………82.6直线行走位移机构分析…………………………………………………………..82.6.1后双轮差速驱动功能元解的优缺点………………………………………82.7前轮摆动机构分析…………………………………………………………………92.7.1凸轮推杆机构功能元解的优缺点………………………………………….92.7.2曲柄摇杆机构功能元解的优缺点…………………………………………92.7.3圆轮导杆机构功能元解的优缺点………………………………………….102.8中间传动机构分析…………………………………………………………………102.8.1齿轮传动机构功能元解的优缺点………………………………………….102.8.2皮带轮传动机构功能元解的优缺点………………………………………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的确定：…………………………………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“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（￠50×65mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。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所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。要求小车为三轮结构。具体设计、材料选用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200mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，该距离由竞赛项目开始时的抽签产生，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩，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加“8”字型赛道竞赛的参赛队，使用在现场调整装配后的小车及组委会统一提供的标准砝码参赛。出发点自定，每队小车运行2次，取2次成绩中最好成绩。一个成功的“8”字绕障轨迹为：两个封闭图形轨迹和轨迹的两次变向交替出现，变向指的是：轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧。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本次比赛结束。本组小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通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字形内固有间距的障碍物。我们把小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、参数分析与个性化设计、制造加工调试。通过每一阶段的深入分析，加诸大量理论参数分析，比较整合，使我们的设计尽可能向最优设计靠拢。1.1功能分析阶段根据这次比赛中对小车功能要求，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，通过综合对比选择出最优的方案组合1.2参数分析与个性化设计阶段应用Solidworks、UG软件进行小车的实体建模、部分运动仿真还有受力分析。本小组运用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。再而得出小车的具体参数和运动规律。1.3制造阶段我们会尽量选择使用标准件，减少制造压力，届时将会使用数控加工帮助制造，部分零件例如凸轮不能自行加工的将雇佣外厂工人帮忙制造，对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。鉴于小车受力限度和优化成本，小车将多处采用胶结。1.4调试阶段会通过调整微调连杆长度的方式改变小车的摆角，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。图3.小车的设计三个主要阶段二、结构设计2.1机械总功能分解及功能元解表1.势能转向小车形态学矩阵功能元功能元解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微调机构可调节螺母可调节连杆更换凸轮更换后轮2.2．机构选型与方案对比正式进入机构方案分析时，必须遵守以下的选型原则2.3.1机构选型的基本原则①满足工艺动作和运动要求。②结构最简单,传动链最短。③原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。④机构有尽可能好的动力性能。⑤机器操纵方便、调整容易、安全耐用。⑥加工制造方便，经济成本低。⑦具有较高的生产效率与机械效率。2.4势能转化机构分析原动机构的作用是将势能转化为小车的动能。能实现这一功能的方案有多种，小车对原动机构还有其它的具体要求：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.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上。3.机构简单，效率高。2.4.1重物锥台轮机构功能元解的优缺点优点：成本低廉,结构常见比较熟悉。可以通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力。滚筒的设计实现了小车的起动和重物的从低速到减速下落，减小了因碰撞而损失的能量。缺点：重锤下降时与小车一同运动，导致重锤下降不稳定间接影响小车行走轨迹的精度；另外因重锤质量不容忽略，导致车子整体质量大，从而与地面间的滚动阻力变大较大，能量消耗较快，行驶最远路程就短图4.滚筒设计2.4.2重物飞轮机构功能元解的优缺点优点：在储能完毕后，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.飞轮与后轮轴固连2.5.3发条弹簧机构功能元解的优缺点优点：在小车运动前已储能完毕，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都会消耗能量，因而能量有效利用率不高图6.发条弹簧2.5.4橡皮筋结构功能元解的优缺点优点：成本低廉、橡皮筋质量低，对小车运动过程影响几乎可以忽略缺点：很难精准控制储能大小，能量释放时间过于短暂，零件间容易打滑浪费能量。2.6.1后双轮差速驱动功能元解的优缺点优点：在小车行驶过程中，驱动轮不会打滑，轨迹更为准确。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的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动。2.7.1凸轮推杆机构功能元解的优缺点优点：适当地设计出凸轮的轮廓曲线后就可以使推杆精准地实现所需的运动规律，而且响应快速；缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损；凸轮精准制造较困难；需使用额外机构，利用弹簧力与使凸轮与推杆保持接触；图7.齿轮机构2.7.2曲柄摇杆机构功能元解的优缺点优点：连杆机构中的运动副为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，易润滑，损耗能量少，且运动副一般是几何封闭，对保证小车行进的可靠性有利。缺点：由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而构件数目多，传动路线长，若加工不能保证适当精度，易产生较大的误差积累，也使机械效率降低。2.8中间传动机构分析传动概述：传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻2.8.1齿轮传动机构功能元解的优缺点优点：齿轮具有效率高、适用的载荷和速度范围大、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皮带轮传动机构功能元解的优缺点优点：具有结构简单、可以远距离传动、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。而经对各功能元解机构的优缺点分析还有比赛要求的分析后，本组最终定的小车组合方案为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，所以将车身底板尽量挖空，以减低车身重量，而且使凸轮，齿轮不与车身发生干涉图11.车身图2.9.2控制机构之微调机构分析一台完整的机器包括：原动机构、传动机构、执行机构、控制机构。微调机构就属于控制机构，由于本次比赛对轨迹精度要求很高，并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，小车的行进轨迹可能会发生偏移，加上本次大赛新要求：8字两杆之间的距离在300mm-500mm之间变化，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正，使小车走一条最优的轨迹。综合各方面的因素，使得小车真正实现微调，我们选用了可调节连杆机构+多组后驱动轮，通过螺栓调节连杆长度，使连着前轮的杆a长度发生变化，进而影响前轮最小摆角，加上改变轮子的直径，使得小车走过的路程发生变化，从而改变“8”字大小的变化；图12.可调节连杆三、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，假设抽到两桩之间的距离是400mm，及两圆的中心距离是400mm，R=200mm故21256ABCDllRmmAOD直线距离4002，AOD圆轨迹距离628，取平均值596.8mm所以小车一个周期走过的距离：1