S型无碳小车设计PPT课件.pptx

无碳小车3/6/2024015-12-81.目录1234课题内容整体设计思路结构设计及参数选择仿真结果2.1课题内容本本课题围绕主主题：基于：基于SolidWorks下无碳小下无碳小车的的设计及模及模拟仿真，仿真，设计一种无碳小一种无碳小车，根据能量根据能量转换原理原理,驱动小小车运运动的能量是的能量是给定重力的重定重力的重锤下落的下落的势能能转换来的机械来的机械能能让其行走及其行走及转向的。向的。给定重力定重力势能能为4焦耳（取焦耳（取g=10m/s2），用），用质量量为1Kg的重的重块（5065 mm，普通碳，普通碳钢）铅锤下降来下降来获得，落差得，落差4002mm，重，重块落下后，能和小落下后，能和小车一起运一起运动并被小并被小车承承载，避免，避免铅垂从小垂从小车上掉落。上掉落。图1-1为小小车示意示意图。图1-1 无碳小无碳小车示意示意图3.1课题内容小小车运运动要求：要求：小小车在前行在前行时能能够按照按照预定路定路线行走，自行走，自动交交错绕过赛道上道上设置的障碍物。障碍置的障碍物。障碍物物为直径直径20mm、高、高200mm的多个的多个圆棒，沿直棒，沿直线间距距1000mm摆放。如放。如图1-2图1-2 运运动轨迹示意迹示意图4.2整体设计思路围绕无碳小无碳小车的命的命题要求，要求，对命命题进行了行了简要的分析：要的分析：无碳小无碳小车在整个行在整个行驶过程中，都是由重程中，都是由重锤下落的重力下落的重力势能提供能量，在能提供能量，在设计中中应尽可能利用尽可能利用这势能，减少其它不必要能，减少其它不必要结构消耗能量。构消耗能量。因因为提供的能量有限，要可能减少整个无碳小提供的能量有限，要可能减少整个无碳小车的的质量，无碳小量，无碳小车越越轻越好，因此尽可能使越好，因此尽可能使用用轻质材料构成。材料构成。无碳小无碳小车按照按照“s”型路型路线行走，要有一定的行走，要有一定的转向机构按照一定的向机构按照一定的规律周期运律周期运转，并且，并且稳定可定可靠能及靠能及时响响应。重重锤下落下落牵动绳子子,绳子子带动绳轮转动,然后通然后通过齿轮的的传动按照一定按照一定转动比将比将转速速传递给车轮轴,带动小小车行走。因此要行走。因此要设计好好齿轮的参数及的参数及传动比比,尽量减少尽量减少齿轮数量减少能量数量减少能量损失。失。无碳小无碳小车的的车轮与地面的摩擦越小，小与地面的摩擦越小，小车行走的越行走的越远。5.2整体设计思路基于上述考基于上述考虑，得出无碳小，得出无碳小车的的结构越构越简单重力重力势能能转换成成动能能时损失的能量少效失的能量少效率就高；通率就高；通过设计齿轮的的传动比可以改比可以改变小小车的初始速度，速度越快，小的初始速度，速度越快，小车能走得能走得越越远；合理的；合理的设计出出转向机构能向机构能够让小小车按近似于按近似于“S”型路型路线行走；微行走；微调机构能机构能够调节小小车的的转向角度，向角度，让无碳小无碳小车顺利避利避过障碍物；合理的障碍物；合理的选材减材减轻整整车质量，量，减少摩擦。因此完整的无碳小减少摩擦。因此完整的无碳小车应当包括当包括车架、架、传动构件、构件、转向机构、向机构、车轮、重、重锤架。下面架。下面简要考要考虑车架、架、传动构件、构件、转向机构的向机构的选用。用。6.2整体设计思路车架架车架承受的力不大，要求重量架承受的力不大，要求重量轻，加工，加工简单，考，考虑到加工成本等，到加工成本等，车架采用无机橡胶加工制作架采用无机橡胶加工制作成正方形底板式，尺寸成正方形底板式，尺寸还要要进一步确定。一步确定。传动构件构件为了使小了使小车行行驶得更得更远及按及按设计的的轨道精确地行道精确地行驶，传动机构需要机构需要传递效率高、效率高、传动稳定、定、结构构简单重量重量轻等。一般等。一般传动机构主要有机构主要有齿轮传动、带轮传动、链传动。1.齿轮传动的特点是：的特点是：传动平平稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命比精确、工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度，使用的功率、速度和尺寸范和尺寸范围大。大。2.带轮具有具有结构构简单、传动平平稳、价格低廉、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适精度并不高。不适合本小合本小车设计。3.链传动平均平均传动比准确比准确,传动效率高，效率高，轴间距离适距离适应范范围较大，能在温度大，能在温度较高、湿度高、湿度较大的大的环境中使用；但境中使用；但链传动一般只能用作平行一般只能用作平行轴间传动，且其瞬，且其瞬时传动比波比波动，传动噪声噪声较大。大。带轮传动精确度不高，不适合小精确度不高，不适合小车精确精确传动。链传动由于制作不便，且制作成本高，故只用由于制作不便，且制作成本高，故只用齿轮传动。7.2整体设计思路转向机构向机构转向机构是本无碳小向机构是本无碳小车设计的关的关键部分，直接决定着小部分，直接决定着小车能否按能否按“S”的路的路线行走。行走。一般能按特定一般能按特定规律运律运动的机构有：凸的机构有：凸轮机构、曲柄机构、曲柄摇杆、杆、齿带槽、凹槽槽、凹槽轮等。等。凸凸轮机构机构：凸：凸轮是具有一定曲是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运廓或凹槽的构件，它运动时，通，通过高副接触可以高副接触可以使从使从动件件获得得连续或不或不连续的任意的任意预期往复运期往复运动。优点：只需点：只需设计适当的凸适当的凸轮轮廓，廓，便可使从便可使从动件得到任意的件得到任意的预期运期运动，而且，而且结构构简单、紧凑、凑、设计方便；缺点：凸方便；缺点：凸轮轮廓廓设计计算麻算麻烦，加工比，加工比较困困难。曲柄曲柄摇杆杆：优点：运点：运动副副单位面位面积所受所受压力小，且面接触方便力小，且面接触方便润滑，故磨滑，故磨损减小，减小，制造方便，能制造方便，能够获得得较高精度；两构件之高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封的接触是靠本身的几何封闭来来维系的，系的，它不像凸它不像凸轮机构有机构有时需利用需利用弹簧等力封簧等力封闭来保持接触。缺点：一般情况下只能近似来保持接触。缺点：一般情况下只能近似实现给定的运定的运动规律或运律或运动轨迹，且迹，且设计较为复复杂；当；当给定的运定的运动要求要求较多或多或较复复杂时，需要的构件数和运，需要的构件数和运动副数往往比副数往往比较多，多，这样就使机构就使机构结构复构复杂，工作效率降，工作效率降低，不低，不仅发生自生自锁的可能性增加，而且机构运的可能性增加，而且机构运动规律律对制造、安装制造、安装误差的敏感性增差的敏感性增加；机构中做平面复加；机构中做平面复杂运运动和作往复运和作往复运动的构件所的构件所长生的生的惯性力性力难以平衡，在高速以平衡，在高速时将引起将引起较大的振大的振动和和动载荷，故荷，故连杆机构常用于速度杆机构常用于速度较低的低的场合。合。8.2整体设计思路齿带槽槽：通：通过在在齿带背后建立特定背后建立特定轨迹凹槽，凹槽迹凹槽，凹槽连接接摇杆，杆，带动摇杆左右有杆左右有规律律摆动，驱动转向向轮规律律转动。优点：凹槽点：凹槽轨迹容易迹容易获得，制作方便。缺点：如果小得，制作方便。缺点：如果小车运运动轨迹迹长，齿条也要条也要较长，齿轮的增加消耗的增加消耗过多多势能。能。凹槽凹槽轮：在：在轮子面部制作凹槽，凹槽子面部制作凹槽，凹槽连接接摇杆，杆，带动摇杆左右有杆左右有规律律摆动，驱动转向向轮规律律转动。优点：凹槽点：凹槽轨迹容易迹容易获得，制作方便，在得，制作方便，在较小的空小的空间在在齿轮面可以面可以圆周周规律循律循环，不用考，不用考虑长度。缺点：体度。缺点：体积较大。参大。参见图2-1 图2-1凹槽轮9.3结构设计及参数选择轨道的道的设计无碳小无碳小车按正弦曲按正弦曲线行走，路行走，路线近似于近似于“S”型，在行型，在行驶轨迹确定的情况下，小迹确定的情况下，小车的行的行驶路路径不径不变，对路径的研究路径的研究设计，可以大概确定小，可以大概确定小车行走路程，初步断定行走路程，初步断定车轮的半径，的半径，转向向轮的的最大角度。最大角度。无碳小无碳小车在在宽度度为2000mm的的赛道上行道上行驶，中，中间的障碍物相隔的障碍物相隔100mm，为了不了不让无碳小无碳小车越越出出赛道，避免无碳小道，避免无碳小车与障碍物碰撞，与障碍物碰撞，拟定出一下路定出一下路线图参参见图3-1：图3-1小车行走路线示意图10.3结构设计及参数选择把此路把此路线近似于余弦曲近似于余弦曲线，振幅，振幅为300mm，波，波长2000mm，轨迹方程近似迹方程近似为：用用Mathematica数学数学软件求解得件求解得s=2388.97mm可知无碳小可知无碳小车行行驶一个周期走一个周期走过的路径的路径为2388.97mm，无碳小，无碳小车的的车轮也近似走了也近似走了2388.97mm。11.3结构设计及参数选择车轮尺寸的尺寸的设计由小由小车行走路行走路线的的轨迹及方案的初步迹及方案的初步计算可知，算可知，车轮半径越大，小半径越大，小车走得越走得越远，无，无碳小碳小车行走一个半径行走一个半径时，车轮转过的圈速越小越好。的圈速越小越好。这里里设定定车轮转过3圈，圈，则可可以以计算出无碳小算出无碳小车的的车轮半径半径为 =126.8mm，为了方便制作取半径了方便制作取半径为 =125mm 齿轮的确定的确定确定了无碳小确定了无碳小车的的车轮半径后，根据半径后，根据 ds=*d =(3-5)其中其中齿轮2于于齿轮1的的传动比比i=12.3结构设计及参数选择可知可知齿轮1和和齿轮2的的传动比决定了无碳小比决定了无碳小车初始速度的大小，适当的初始速度的大小，适当的调节齿轮的的转动比，确定比，确定齿数大小的比例，从而可以得出数大小的比例，从而可以得出齿轮半径的大小。半径的大小。由机械原理第七版由机械原理第七版180页齿轮标准模数系列表确定准模数系列表确定齿轮1、齿轮2、齿轮3的模数的模数为2。无碳小无碳小车的的齿轮转动精度要求高精度要求高齿数越多越好，数越多越好，传动比在比在10以内比以内比较合适，在合适，在这里里选用用齿轮2和和齿轮1的的转动比比为4。根据机械制造装。根据机械制造装备设计第第3版版100页各种常用各种常用传动比的适用比的适用齿数数,参参见表表3-1：13.3结构设计及参数选择选用用齿轮1和和齿轮2的的总齿数数为100。齿轮1齿数数为20，齿轮2齿数数为80。根据机械根据机械设计课程程设计齿轮结构构设计可可计算出算出齿轮1、齿轮2的参数如下：的参数如下：m=2齿轮1：=20，直径，直径=m=40mm齿顶圆直径直径=44mm；齿根根圆直径直径=35mm；齿顶高高=2mm；齿根高根高 =2.5mm；齿轮2：=80，直径，直径=m=160mm齿顶圆直径直径=164mm；齿根根圆直径直径=155mm；齿顶高高=2mm；齿根高根高 =2.5mm 14.3结构设计及参数选择转向向拨杆的杆的设计转向向拨杆的端面小球直径杆的端面小球直径10mm，杆，杆长60mm，杆直径，杆直径3mm，杆面有螺，杆面有螺纹便于便于调节球面与凹槽球面与凹槽轮的的长度，引起度，引起转向向轴的的轻微偏微偏转。这种种设计把把转向机构与微向机构与微调机构整合在一起，机构整合在一起，设计简单、机构机构轻巧、灵活方便。巧、灵活方便。凹槽凹槽轮的的设计凹槽凹槽轮的的宽度由度由拨杆小球的球面直径和前杆小球的球面直径和前轮转向的最大角度决定。向的最大角度决定。在在实际的运的运动中无碳小中无碳小车的的转向角度向角度,参参见图3-2为了便于了便于设计与与实际制作，凹槽制作，凹槽轮的直径与的直径与齿轮3的直径相同的直径相同为120mm。图3-2 前轮最大转动角度15.3结构设计及参数选择 在在转动最大角度及最大角度及拨杆小球的直径确定情况下，凹杆小球的直径确定情况下，凹轮槽的槽的宽度尺寸由度尺寸由转向向轴心与凹槽心与凹槽轮轴心的距离确定心的距离确定，为了了能更好的能更好的调节转向角度，向角度，设计转向最大向最大转向角度向角度为 。转向向轴心与凹槽心与凹槽轮轴心的距离不宜心的距离不宜过长，太，太长会会影响整体小影响整体小车的的车身身变长，设定两定两轴心距离心距离为85mm。在。在SolidWorks草草绘图型界面下，可以容易看出型界面下，可以容易看出两两凹槽凹槽的中心距离，参的中心距离，参见图3-3。图3-3 凹槽中心距示意图16.3结构设计及参数选择转向向轮的的设计转向向轮随着随着轴向向轴的偏的偏转而偏而偏转，转向向轮起到起到调整小整小车转弯的作用，弯的作用，转向向轮不不应过大，一般大，一般小于后小于后轮的尺寸，的尺寸，设定定转向向轮的半径的半径为25mm。轴承的承的选用用 考考虑到到轴承不易制作，在承不易制作，在实际中可以通中可以通过选用用购买标准件用于小准件用于小车的制作。的制作。轴承的承的选用用标准准参考机械参考机械设计课程程设计机械工机械工业出版社第出版社第133页滚动轴承的国家承的国家标准。准。选用最小的深沟用最小的深沟球球轴承承C6201，最小直径，最小直径为12mm，最大外径，最大外径为32mm。轴的的设计 在整个无碳小在整个无碳小车的的设计方案中，包括后方案中，包括后车轮轴、绳轮轴、槽、槽轮轴、转向向轴4跟跟轴(参参见图3-4至至3-7)。根据无碳小。根据无碳小车的的选用的用的C6201轴承，承，这4根最大直径根最大直径应该为12mm，便于装配。因，便于装配。因为无碳无碳小小车的的动力力较小，小，轴承承产生的扭矩生的扭矩较小，不再小，不再对轴的的强度度进行校核。行校核。17.3结构设计及参数选择车轮轴的尺寸的尺寸见图3-4绳轮轴的尺寸的尺寸见图3-5 图3-4 车轮轴尺寸图3-5 绳轮轴的尺寸18.3结构设计及参数选择槽槽轮轴尺寸尺寸见图3-6 转向向轴尺寸尺寸见图3-7 图3-6 槽轮轴尺寸图3-7 转向轴尺寸19.3结构设计及参数选择槽槽轮轴尺寸尺寸见图3-6 转向向轴尺寸尺寸见图3-7 图3-6 槽轮轴尺寸图3-7 转向轴尺寸20.3结构设计及参数选择完成各种零件的装配后得到了无碳小完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配的完整装配图 图3-8无碳小车的完整装配图建模21.3结构设计及参数选择完成各种零件的装配后得到了无碳小完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配的完整装配图 22.3结构设计及参数选择完成各种零件的装配后得到了无碳小完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配的完整装配图 23.4仿真结果在完成整体装配在完成整体装配图的的环境下，境下，单击左下角的运左下角的运动算例，把算例，把动画模画模拟时间轴拉到拉到20秒的位置。秒的位置。在无碳小在无碳小车装配体中，装配体中，单击虚虚拟马达，达，弹出出马达达类型型对话窗，窗，选择旋旋转马达，然后达，然后单击绳轮面，面，为绳轮轴添加一个虚添加一个虚拟马达。虚达。虚拟马达模达模拟重重锤下落下落时牵动绳子子带动绳索索转动的情况，的情况，设定虚定虚拟马达的达的转速速为30r/min。然后按下从然后按下从头播放播放动画，画，观察小察小车齿轮、车轮、凹槽、凹槽轮、拨杆运杆运动情况。情况。输出出动画画结果，果，对结果果进行分析。行分析。对于建立的无碳小于建立的无碳小车，在没有考，在没有考虑其它摩擦力、阻力、能量其它摩擦力、阻力、能量损失的情况下，加人虚失的情况下，加人虚拟马达模达模拟运运动时，绳轮能能带动轴的的转动，引起，引起齿轮2的的转动，齿轮2又又带动齿轮1、齿轮3的的转动。当。当车轮转过1.5圈圈时，凹槽，凹槽轮刚好好转过0.5圈，圈，说明明齿轮1、齿轮2、齿轮3在在齿数数设计上符合上符合拟定定的运的运动轨迹迹转向要求。向要求。对于于转向机构的向机构的设计，凹槽，凹槽轮转动时，拨杆球面与凹槽面相切运杆球面与凹槽面相切运动，随着凹槽的改，随着凹槽的改变，拨杆杆也能随着凹槽路径改也能随着凹槽路径改变，引起，引起转向向轴的改的改变，带动前前轮转动。说明明设计的的这种种转向机构有一向机构有一定的定的实用性，能用性，能够带动小小车有有规律的律的转向。同理可以通向。同理可以通过边凹槽凹槽轮上的凹槽路径，上的凹槽路径，设定出特定出特定定规律的路径，律的路径，让无碳小无碳小车沿不同特定沿不同特定规律路律路线行走。比如走行走。比如走“8”字型、字型、“0”路路线。24.谢谢观看25.