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1、- 1 - 总 页第 1 页产品名称：无碳小车 第三届山东大学大学生工程训练综合能力竞赛第三届山东大学大学生工程训练综合能力竞赛 结构设计报告结构设计报告 编号 1 1、设计概述设计概述 设计原则： A.整车的重心要低，操作、调整方便灵活； B.结构尽量简单，传动件数少； C.质量小，足够的刚度，振动小； 2 2、设计方案设计方案 按照命题要求小车必须具有方向自控功能, 绕过直线布置的每隔 1 米 1 个障碍物的要求。小车 必须左转、右转再左转地周期性转向, 在速度一定的前提下, 必须要保证小车的运动轨迹曲率是连续 变化的, 小车才能平稳行驶。因此, 曲柄匀速转动, 摇杆左右匀速摆动的曲柄摇杆
2、机构可以作为转向 机构, 小车运行轨迹接近正弦曲线, 曲率变化连续。从滚筒轴的回转运动到控制前轮转向的摇杆的水 平摆动, 需要把竖直平面的运动转化为水平面运动, 以实现小车的转向。要实现把竖直平面的运动转 化为水平面运动, 可以选用变形的曲柄摇杆机构来实现转向轮转向的方案，见下图 4。曲柄摇杆机构 中的曲柄回转中心(即滚筒轴轴心) 应与摇杆的摆动平面等高,保证机构无急回特性, 曲柄作等速转动, 摇杆摆动时左右行程的平均速度相等, 即使得前轮左右摆幅相同, 按照指定轨迹行驶。把铅垂平面 的运动转化为水平面运动是个三维空间的运动转换, 通用的曲柄摇杆机构不能完成三维空间的运动转 换, 因此必须采用
3、双球型关节的连杆, 使得水平与垂直方向的自由度都不受约束。为了提高运行过程 的精度和降低加工难度，可设计成四个圆柱关节, 安装成水平和竖直形式(如下图 4 所示), 代替双 球型关节, 最终实现了与滚筒轴连接的曲柄的回转运动转化为摇杆的水平运动, 摇杆在水平面内摆动, 使得前轮左右摆幅相同, 实现了小车前轮的转向问题, 且保证了传动的准确。 根据图 2 行走示意图, 采用余弦函数: Y-035cosx, 周期 T2 m 的曲线拟合小车行驶路径 图 1：小车的三维视图 - 4 - 较为合理。求导得到在每个位置的转角的正切大小: Y035 sinx, 通过数据查阅，可以得到前轮的最大转角为 36。
4、小车 的 1 个周期的路径长度约为 2 433 mm, 也就是滚筒轴回转一周, 摆 杆要往复一次, 后轮行驶 2 433 mm, 即 id2 433mm。当 i5 时, d155 mm, 满足采用一级变速, 传动比较小, 后轮直径 也比较适中, 重心较低的要求。确定后轮直径为 155mm, 前轮直径 36mm。采用小模数齿轮, 增加齿数, 增大齿轮啮合重合度, 可提高 传动精度, 弥补齿轮制造精度差。因此选择齿轮模数为 1, 大齿轮 Z1100, 小齿轮 图 2：小车的行驶路线 Z220,中心距为 50 mm。 用曲柄摇杆机构来实现前轮的左右均匀摆动,见图 5。必须满足 12180的条件。按最
5、小传动角设计行程速比系数 k1(12180)的 曲柄摇杆机构。根据已知的 12、12 及选定的最小传动角 min 及 角, 然后查表及结合下列公式计算各构件相对长度。 通过计算，初取曲柄长度 a=18mm，连杆长度 b=119.5mm，摇杆长度 c=58mm，机架长度 d=132mm。考虑到可调性, 设置微调结构, 在摇杆处 设置调长螺杆。 底板选用厚度为 4 mm 的铝合金板料,尺寸定为 208 mm 100 mm。小车运行起来按避障要求左右转向,牵引绳带动重块在重力的作用下将大 幅摆动,因此, 将重物支撑杆设计成由三根中空管按等边三角形布置, 围成一个中间恰好通过直径 50 mm 的重块,
6、达到车体运行中良好的平衡。 2 1 22 2 1 min 22 2 2 1 min 2 12 1)()( cos)(1 )(1 cos2 cos1 d c d b d c d b d c d c d b - 1 - 另外, 也可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心,为此将小车底板折弯, 满足整车重心降低的需要, 在滚筒轴上安装大齿轮的 对应部位将小车底板铣出长孔, 使得大齿轮转动不与底板干涉。整个车(包括重块及负载重量块)的重心居于小车三个轮构成的三角形的形心上, 保证小车的平稳运行，见下图 3。 齿轮传动效率可高达 98%, 因此可以很好的提高能量利用率。考虑到启动时, 需要的力
7、矩大, 而在小车行驶的过程中, 运动平稳有惯性,需要 的力矩小, 因此在滚筒轴上设计一个锥形滚筒。必须将滚筒轴的动力输出用严格的定传动比输出到后轮轴及前轮的转向装置上, 实现后轮的行 程与前轮的转向相匹配, 这也是选择用齿轮副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动的主要原因。另外在布置上也要考虑轴的两支承跨距尽量要小, 轴伸尺寸尽量短, 齿轮尽量靠近支承处(如滚筒轴的设计), 来提高内传动链的运动精度。 - 1 - 3 3、设计结果设计结果 - 5 - 结构设计总图比例第 2 页 第三届山东大学大学生工程训练综合能力竞赛-设计图共 3 页 装 订 线 - 6 - 驱动及转向原理图比例第 3 页 第三届山东大学大学生工程训练综合能力竞赛-设计图共 3 页 装 订 线
