无碳小车制造设计专项方案.doc

广州大学机械设计制造及其自动化特色专业

实 践 报 告

设计项目：工业产品力学分析实践、工业产品材料分析和设计实践
班级：
实践小组名称：
实践小组组员：
序号
姓名
学号
分工
备注
1

2

3

4

5

6

汇报撰写人姓名：
提交日期：/6/17

广州大学机电工程系
目 录
1 设计任务 4
1.1无碳小车整体动力学分析汇报 4
1.2无碳小车各构件材料力学性能分析汇报 4
1.3无碳小车经典零件材料组织分析 4
2 设计过程 4
2.1 机构设计 4
2.2 机构简图分析 5
2.2.1关键机构组成 5
2.2.2原理 5
2.2.3自由度分析 5
2.3 机构立体图分析 6
2.3.1车架 8
2.3.2原动机构 8
2.3.3转向机构 8
2.3.4行走机构 9
2.4 参数分析模型 9
2.4.1 动力学分析模型 9
2.4.2运动学分析模型 10
2.4.3急回运动特征、传动角、死点分析 11
2.4.4灵敏度分析模型 13
2.4.5参数确定 13
2.5零部件设计 13
3设计结果和总结 14
4参考文件 14
附：Matlab编程源代码 15
1 设计任务
1.1无碳小车整体动力学分析汇报
含无碳小车各机构运动学分析（运动轨迹计算、机构各构件长度尺寸确定等）
无碳小车动力学分析，各运动副摩擦分析、各构件受力分析。
要求Matlab编程计算（附源代码）

1.2无碳小车各构件材料力学性能分析汇报
含各构件强度分析、刚度分析
基于结构安全无碳小车各构件结构优化方案。
要求Matlab编程计算（附源代码）

1.3无碳小车经典零件材料组织分析
取无碳小车中经典金属材料进行材料组织分析，给出3种以上材料试样制作方法、组织照片等。

2 设计过程
2.1 机构设计

行进动作分解
发条小车
提供动力
动力传输

导轮转向
行走路线
发条释放弹性势能提供动力
齿轮机构带动
连杆机构往复运动
前轮按需求有规律地走S型
根据类正弦函数路线行走
小车关键由四个机构组成：发条动力机构、齿轮传动机构、曲柄连杆机构、连杆前轮转向机构。
、转向机构。
动力传输

2.2 机构简图分析：

1
4
3
2
E
D
C
B
A

2.2.1关键机构组成
机构由曲柄1和连杆2、滑块C组成曲柄连杆机构（一下简称R）、连杆3和连杆4组成，共5个活动构件。

2.2.2原理
传动齿轮A在发条带动下作顺时针旋转运动，首先经过车轴带动驱动后轮前进，其次经过曲柄连杆机构带动转向“连杆4”，从而带动小车有规律地左右摇摆，实现小车前进过程中自动转弯效果。

2.2.3自由度分析
a)自由度分析必需性：
经过自由度分析能够知道机构运动受到了多少约束，这么在画简图时候，就能够知道机构运动方法了。约束不足或约束多了，机构全部不能提供正常运动。比如死机构等，所以对设计进行自由度分析是作为制造前条件。

b)自由度计算：
总共有5个活动构件：曲柄连杆机构R（曲柄1、连杆2、滑块C）、杆3、杆4。
有7个低副 ：机构中ABCDE为转动副。构件CD为移动副。
有0个高副
所以，自由度F=3*5-（2*7+0）=1
我们势能小车只有唯一原动件齿轮7，我们经过计算得出小车自由度为1，所以能够确保小车含有确定运动。

2.3 机构立体图分析：

前轮转弯机构D大图

曲柄连杆机构R大图
2.3.1车架
车架不用承受很大力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采取木材加工制作成三角底板式。能够经过回收废木材取得，已加工。

2.3.2原动机构
原动机构作用是将发条弹性势能转化为小车驱动力。能实现这一功效方案有多个，就效率和简练性来看齿轮最优。
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。同时使发条动能尽可能转化到驱动小车前进上，假如重块竖直方向速度较大，发条本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。
3.因为不一样场地对轮子摩擦摩擦可能不一样，在不一样场地小车是需要动力也不一样。在调试时也不知道多大驱动力恰到好处。所以原动机构还需要能依据不一样需要调整其驱动力。
4.机构简单，效率高。

2.3.3转向机构
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，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障功效。能实现该功效机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。
其中本小车中采取曲柄连杆+摇杆机构
优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已取得较高精度；两构件之间接触是靠本身几何封闭来维系，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。
缺点：通常情况下只能近似实现给定运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定运动要求较多或较复杂时，需要构件数和运动副数往往比较多，这么就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动构件所长生惯性力难以平衡，在高速时将引发较大振动和动载荷，故连杆机构常见于速度较低场所。
在本小车设计中因为小车转向频率和传输力不大故机构能够做比较轻，能够忽略惯性力，机构并不复杂，利用MATLAB进行参数化设计并不困难，加上个链接能够利用轴承大大减小摩擦损耗提升效率。对于安装误差敏感性问题我们能够增加微调机构来处理。

2.3.4行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不一样需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩和正压力关系为：

对于相同材料为一定值。
而滚动摩擦阻力，所以轮子越大小车受到阻力越小，所以能够走更远。但因为加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要深入分析确定。

2.4 参数分析模型
2.4.1 动力学分析模型
a、驱动
驱动轮受到力矩MA，曲柄轮受到扭矩M1，NA为驱动轮A受到压力，FA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中转向轮受到阻力矩恒为MC，其大小可由赫兹公式求得，

因为b比较小，故

对于连杆拉力FC，有

c、小车行走受力分析
设小车惯量为I，质心在则此时对于旋转中心O’ 惯量为I’
（平行轴定理）

小车加速度为：

2.4.2运动学分析模型

a、驱动：
当驱动轴（曲柄）转过角度为，则有

则曲柄轴（轴1）转过角度

小车移动距离为（以A轮为参考）

b、转向：
当转向杆和驱动轴间夹角为时，曲柄转过角度为
则和满足以下关：

解上述方程可得和函数关系式

c、小车行走轨迹
只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，则小车转弯曲率半径为

小车行走过程中，小车整体转过角度

当小车转过角度为时，有

为求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，经过设定合理参数得到了小车运动轨迹

2.4.3急回运动特征、传动角、死点分析
急回运动特征：曲柄摇杆机构中，曲柄虽作等速转动，而摇杆摆动是空回行程平均速度却大于工作行程平均速度。急回特征是连杆机构关键运动特征，其急回运动程度通常见行程速比系数来衡量。
在曲柄连杆滑块机构中，推程传动角大小是表示机构传动效率高低、传动性能优劣一个关键参数。所以，怎样在确保运动要求前提下，取得优良传动性能，就是设计目标。
死点指是机构传动角γ=0，这时主动件会经过连杆作用于从动件上力恰好经过其回转中心，所以出现了不能使构件AB即从动件转动顶死现象，机构这种位置称为死点。

1
4
3
2
E
D
C
B
A

设滑块行程速比系数K、滑块冲程H，曲柄长度a和连杆长度b。
依据作图法设计原理可得：
极位夹角θ=180°(K-1)/(K+1)
在△AC1C2中有：
H2＝(b+a)2+(b-a)2-2(b+a)(b-a)cosθ
整理得： (1)

由上述几何关系可见，在已知K(已知θ)和H情况下，对应曲柄某一长度a，机构其它几何尺寸b可确定。
其中曲柄转角为Ф=θ对应着机构推程，即为推程运动角。而曲柄转角Ф=则对应着机构回程，即回程运动角。极限位置和分别为推程起始位置和终止位置。
图所表示，所以机构有急回作用，此时行程速度改变系数为K=
当机构以曲柄AB为原动件时，从动件滑块和BC所夹锐角即为传动角，其最小传动角将出现在曲柄AB垂直机架位置。即
推程最小传动角必出现推程起始位置或曲柄滑块旅程近垂直位置ABC时
当以曲柄AB为原动件时，因为机构最小传动角0，所以机构无死点位置。但当以滑块为主动件时，因为机构从动件曲柄AB和BC存在两处共线位置，故有两个死点位置。
本机构AB为原动件，所以无死点位置
2.4.4灵敏度分析模型
小车一旦设计出来在不改变其参数条件下小车轨迹就已经确定，但因为加工误差和装配误差存在，装配好小车后可能会出现其轨迹和预先设计轨迹有偏离，需要纠正。其次开始设计轨迹可能并不是最优，需要经过调试试验来确定最优路径，着一样需要改变小车一些参数。为了得到改变不一样参数对小车运行轨迹影响，和指导怎样调试这里对小车各个参数进行灵敏度分析。经过MATLAB编程得到

幅值
周期
方向
i
-0.0117
-0.09158
528.135
b
176.5727
-35.3795
578.82
R
-0.3163
16.39132
528.1437
a1
1.465469
-0.27592
528.5547
曲柄半径r1
23.71445
-18.9437
535.3565
d
0.040819
-117.738
528.1465
转向杆长
-1.63769
3.525236
527.5711
连杆长度
-176.955
-196.268
477.3561

2.4.5参数确定
单位：mm
转向轮和曲柄轴轴心距 b=150;
摇杆长c=60;
驱动轮直径D=35;
驱动轮A和转向轮横向偏距a1=70
驱动轮B和转向轮横向偏距a2=70;
驱动轴和转向轮距离d=127;
曲柄长r1=13

2.5零部件设计
需加工零件：
a．驱动轴
6061空心铝合金管。外径6mm 内径3mm
b．车轮
聚甲醛板（POM板材）。厚度：8mm，规格尺寸：600*1200mm
c．车架
废木材。规格尺寸：150*100*4mm
d．曲柄
钢板。厚度2mm
e．连杆、摇杆
6061实心铝管。直径8mm

3设计结果和总结

势能转弯小车小车在弹簧势能作用下自动行走示意图。

小车最大缺点是精度要求很高，改善小车精度要求，使能调整简单，小车便能达成很好行走效果。另外，在设计过程中，因为个人对此项目所利用到多种软件未能很好掌握，所以很多地方会有所欠漏，在以后设计中会努力锻炼，把设计多种细节做得愈加好。

4参考文件
朱 理主编 《机械原理》
张建中、何晓玲主编 《机械设计课程设计》
徐锦康主编 《机械设计》

附：Matlab编程源代码
2.4.1动力学分析程序
clear
clc
tic
n=1000;
h=linspace(0,0.5,n);
ii=3;
b=0.15;
R=0.111;
%驱动轮A和转向轮横向偏距a1
a1=0.08;
%驱动轮B和转向轮横向偏距a2
a2=0.08;
%曲柄半径r1
r1=0.01347;
%绳轮半径r2
r2=0.006;
%驱动轴和转向轮距离d
d=0.18;
%转向杆长c
c=0.06;
l=sqrt(b^2+r1^2)+(0.351)/1000;
%算法
g=-10;
sd2=h/r2;
sd1=sd2/ii+pi/2;
C=l^2-2*c^2-r1^2.*(cos(sd1)).^2-(b-r1.*sin(sd1)).^2;
A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1));
B=-2*c^2;
af=asin(C./sqrt(A.^2+B.^2))-atan(B./A);
format long
rou=a1+(d)./(tan(af));
s=sd2*R;
ds=s(2)-s(1);
dbd=ds./(rou);
bd=cumsum(dbd);
dy=ds*cos(bd);
dx=-ds*sin(bd);
x=cumsum(dx);
y=cumsum(dy);
xb=x-(a1+a2).*cos(bd);
yb=y-(a1+a2).*sin(bd);
xc=x-a1*cos(bd)-d*sin(bd);
yc=y-a1*sin(bd)+d*cos(bd);

toc

%动力学分析
%参数输入
%小车总质量
mc=1.6+1;
Nc=9.8*mc/3;
%小车惯量
rc=0.07;
I=mc*rc^2;
a3=0.05;
II=I+m*((rou-a1).^2+a3^2);
%传动效率
lmd=0.5;
%%%%%%%%%%%%%
%前轮半径
RC=0.05;
%前轮宽度
B=2/1000;
%弹性模量
E1=100*;
E2=150*;
mu=0.2;
%接触应力
sgmc=sqrt((Nc/B/RC)/(2*pi*(1-mu^2)/E1));
bc=Nc/sgmc/2/B;
%摩擦原因muc
muc=0.1;
%摩擦力矩Mc
Mc=sgmc*muc*bc*B^2/4;
%摩阻系数
sgm=0.5/1000;
mMN=rou.*(m*9.8*r2*lmd-Nc*sgm)/R;
K=rou.*m*r2^2*lmd/R^2;
NCNB=Nc*sgm.*sqrt((rou-a1).^2+d^2)/RC+Nc*sgm*(rou-a1-a2);
RIA=II./rou;
NRA=NCNB*R./rou;
aa=(mMN-NCNB)./(K+RIA);

plot(y,aa)
hold on

2.4.2运动学分析程序
clear
clc
tic
%符号定义
%驱动轴转过角度sd2
%驱动轴传动比ii
%转向轮轴心距b
%转向杆长c
%转向轮转过角度af
%驱动轮半径R
%驱动轮A和转向轮横向偏距a1
%驱动轮B和转向轮横向偏距a2
%驱动轴和转向轮距离d
%小车行驶旅程s
%小车x方向位移x
%小车y方向位移y
%轨迹曲率半径rou
%曲柄半径r1
%绳轮半径r2
%参数输入
n=1000;
h=linspace(0,0.5,n);
ii=3;
b=0.15;
R=0.111;
%驱动轮A和转向轮横向偏距a1
a1=0.08;
%驱动轮B和转向轮横向偏距a2
a2=0.08;
%曲柄半径r1
r1=0.01347;
%绳轮半径r2
r2=0.006;
%驱动轴和转向轮距离d
d=0.18;

%转向杆长c
c=0.06;
l=sqrt(b^2+r1^2)+(0.351)/1000;

%算法
g=-10;
sd2=h/r2;
sd1=sd2/ii+pi/2;
C=l^2-2*c^2-r1^2.*(cos(sd1)).^2-(b-r1.*sin(sd1)).^2;
A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1));
B=-2*c^2;
af=asin(C./sqrt(A.^2+B.^2))-atan(B./A);
format long
rou=a1+(d)./(tan(af));
s=sd2*R;
ds=s(2)-s(1);
dbd=ds./(rou);
bd=cumsum(dbd);
dy=ds*cos(bd);
dx=-ds*sin(bd);
x=cumsum(dx);
y=cumsum(dy);
xb=x-(a1+a2).*cos(bd);
yb=y-(a1+a2).*sin(bd);
xc=x-a1*cos(bd)-d*sin(bd);
yc=y-a1*sin(bd)+d*cos(bd);
plot(x,y,'b',xb,yb,'b',xc,yc,'m');
hold on
grid on
for i=1:9
t=0:0.01:2*pi;
xy=0.01.*cos(t)-0.23;
yy=0.01.*sin(t)+i;
plot(xy,yy);
hold on
end
toc

2.4.4灵敏度分析程序
clear
tic
%符号定义
%驱动轴转过角度sd2
%驱动轴和圆柱凸轮轴传动比ii
%转向轮和圆柱凸轮轴心距b
%转向杆长c
%转向轮转过角度af
%驱动轮半径R
%驱动轮A和转向轮横向偏距a1
%驱动轮B和转向轮横向偏距a2
%驱动轴和转向轮距离d
%小车行驶旅程s
%小车x方向位移x
%小车y方向位移y
%轨迹曲率半径rou
%曲柄半径r1
%绳轮半径r2
%参数输入
n=10000;
h=linspace(0,0.5,n);
ii=3;
b=0.15;
R=0.111;
%驱动轮A和转向轮横向偏距a1
a1=0.08;
%驱动轮B和转向轮横向偏距a2
a2=0.08;
%曲柄半径r1
r1=0.01347;
%绳轮半径r2
r2=0.006;
%驱动轴和转向轮距离d
d=0.18;
%转向杆长c
c=0.06;
l=sqrt(b^2+r1^2)+(0.351)/1000;
aa=zeros(1,8);
kk=zeros(3,8);
A1=zeros(9,4);
ddc=0.000001;
aa(1,1)=ii;
aa(1,2)=b;
aa(1,3)=R;
aa(1,4)=a1;
aa(1,5)=r1;
aa(1,6)=r2;
aa(1,7)=c;
aa(1,8)=l;
%算法
for i=1:9
if i>1
aa(1,i-1)=aa(1,i-1)+ddc;
end
ii=aa(1,1);
b=aa(1,2);
R=aa(1,3);
a1=aa(1,4);
r1=aa(1,5);
r2=aa(1,6);
c=aa(1,7);
l=aa(1,8);
g=-10;
sd2=h/r2;
sd1=sd2/ii+pi/2;
C=l^2-2*c^2-r1^2.*(cos(sd1)).^2-(b-r1.*sin(sd1)).^2;
A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1));
B=-2*c^2;
af=asin(C./sqrt(A.^2+B.^2))-atan(B./A);
format long
rou=a1+(d)./(tan(af));
s=sd2*R;
ds=s(2)-s(1);
dbd=ds./(rou);
bd=cumsum(dbd);
dy=ds*cos(bd);
dx=-ds*sin(bd);
x=cumsum(dx);
y=cumsum(dy);
plot(x,y)
grid on
hold on
for j=fix(6.5*n/9):fix(8.5*n/9)
if x(j)==min(x(fix(6.5*n/9):fix(8.5*n/9)))
A1(i,1)=x(j);
A1(i,2)=y(j);
end
if x(j)==max(x)
A1(i,3)=x(j);
A1(i,4)=y(j);
end
end
if i>1
aa(1,i-1)=aa(1,i-1)-ddc;
end
end
for i=2:9
kk(1,i-1)=(A1(i,1)-A1(1,1))/ddc/14;%幅值
kk(2,i-1)=(A1(i,4)-A1(1,4))/ddc/4;%波长
kk(3,i-1)=A1(i,3)/ddc/8/8;%角度
end
toc
kk'