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机械创新设计.

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  • 卖家[上传人]:今***
  • 文档编号:105854049
  • 上传时间:2019-10-13
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    • 1、机械创新设计1. 设计目标 针对全国大学生工程训练综合能力竞赛中的无碳S小车项目,设计出一种小车在行进过程中可以自动转向的机构。该转向机构可以使小车呈S形行进,以绕开具有固定间距的障碍物。并且在障碍物的间距变动时,通过调节机构的参数使得小车仍能绕开障碍物安全前行。2. 资料查询与分析 目前存在的自动转向机构有四杆机构(图一)、正弦机构(图二)、凸轮机构(图三)等,设计思想都是使小车边行走边转向,最终呈S形前进。图一图二图三现对以上三种典型的机构应用作对比分析:四杆机构:用于自动转向机构的是四杆机构中的曲柄摇杆机构,曲柄可用齿轮代替。该种机构结构简单,易于实现,传动效率高,但难以实现精确控制,并且存在急回的特性。若每个转向周期存在误差,则误差的积累会导致小车逐渐偏离预计的轨道,最终因不能实现绕障而被淘汰。急回的特性会导致小车的转向不稳,这对小车的前进也是不利的。正弦机构:正弦机构是将回转运动转化为具有正弦特性的直线运动,其实质也是四杆机构。用在S小车的自动转向机构中,还要进一步将具有正弦特性的直线运动转化为角度的连续性变化,这就需要加一个转动副和移动副。该种机构在曲柄摇杆基础上加了两个低

      2、副,结构的复杂性有所增加,效率难免有所降低,但可以实现角度的精确控制,数学模型也很容易建立。因此,这种机构被普遍采用。凸轮机构:凸轮机构和正弦机构一样,将回转运动转化成直线运动,但运动特性可以由凸轮的轮廓曲线随意控制,较正弦机构更为灵活,机构上也简单,而且也可以实现运动的精确控制。但由于是高副接触,机构的传动效率很低,而且凸轮的轮廓曲线加工比较困难。因此,这种机构被采用的不多。以上三种机构的最大共同点就是小车一直在转向,如果小车的转向能被控制得很精确,那当然是最理想的结果了。然而这在现实中是无法做到的,误差的不断积累只会让小车的行进更糟糕。针对这个缺陷,本文设计了一种间歇性转向的自动转向机构,通过减少行进中转向的频繁度来增加小车前进的可靠性。图四与以上三种机构相比,本文的机构有以下特点:转向具有间歇性,行进中只有两个角度位置;借用凸轮的思想,实现两个转向位置的转化,但轮廓曲线简化为两个大小不一样的同心圆,方便制造加工;小车行进的曲线是半圆形(图四),而以上三种设计的思想是正弦形轨迹(图五)。图五3. 工作原理与功能模块划分 3.1 工作原理(2)(1)首先,用一对锥齿轮将轮轴的回转运动

      3、转化成水平面内的回转运动,再将水平面内的回转运动传递给凸轮,凸轮将回转运动转化成摆杆的角度变化。凸轮的工作如图六所示:(3)(4)图六3.2功能模块方向转换模块:由一对圆锥齿轮组成,实现回转运动的换向,如图七;凸轮转向模块:由凸轮机构组成,将齿轮的回转运动转化成前轮的转角变化,如图八;图七图八4. 设计方案的分析、比较与评价方案一:将后轮方向的回转运动直接转化成前轮的转角,中间结构少,能量损失少。如图九所示,当曲柄1转到下方时,推动摆块3向左运动,从而带动前轮右转,当曲柄2转到下方时,推动摆块3向右运动,从而带动前轮左转。通过设计摆块两条边的尺寸来控制前轮转向的角度。图九方案二:先将后轮的回转方向转化成水平面内的回转方向,再通过凸轮将回转方向转化成前轮角度的变化。如图十所示,当凸轮的大圆与摆杆4接触时,摆杆4处于最左端,即前轮右转;当凸轮的小圆与摆杆接触时,摆杆处于最右端,即前轮左转。当摆杆从与凸轮的小圆接触到与凸轮的大圆接触(或从与凸轮的大院接触到与凸轮的小圆接触)时,摆杆有一个角度的过渡变化,理想情况下,这个过渡时间越短越好。图十方案三:在后轮的轴上装一个曲柄,曲柄在一个小弧度的范

      4、围内可以碰到触发机构,前轮的转向杆与触发机构相连,通过触发机构的开和关来控制前轮的左右转角。由于该种方案还未成熟,暂无图形提供,以下讨论均不包涵此方案。现就前两种方案进行对比分析:控制的精确度:理想情况下,前轮转向只能处在两个状态左转和右转,两个状态的切换时间(用过渡时间表示)越短越符合理想轨迹,就越精确。方案一中的曲柄与摆块开始接触到脱离经历的时间即为过渡时间,转速一定时,对应的弧长与过渡时间时正相关的,从图中可以看出,过渡时间相对于周期来说是很短的;方案二中摆杆从与凸轮的大圆接触到与凸轮的小圆接触(从与凸轮的小圆接触到与凸轮的大圆接触)所经历的时间即为过渡时间,同样也可以用对应的弧长来表示过渡时间的长短,从工作原理图可以看出,过渡时间与方案一比较较长,但总的来说还是比较短。传递的效率:能量损失越少,效率越高。方案一中,不存在中间机构,但曲柄和摆块接触时有撞击,一是能量损失多、对零件损伤比较大,二是对后轮的平稳性有很大影响。方案二中,存在中间机构圆锥齿轮,但齿轮的传递效率一般可达95%以上,因此,中间机构的影响很小,凸轮机构存在高副,效率有所降低,但运动平稳,不存在撞击,总的来说传递

      5、效率比较高。摆件的约束性:控制前轮转向的摆件需要间歇性两边摆动,由于摆动的思想是来自于凸轮,这就需要一个约束使摆件与凸轮紧密接触。方案一中,曲柄与凸轮接触瞬间有撞击,会导致摆块的速度迅速增加,若为弹簧约束,则摆块会有个不稳定的角度振动,这个不稳定性一是会导致前轮转向不稳定,二是会导致摆块摆动不到位,在与另一个摆块接触时出现较大偏差。因此,约束形式很难选取。方案二中,凸轮与摆件的接触很稳定,只需要在摆杆的转动中心加一个扭力弹簧就可以了。因此,约束简单可靠。制造工艺性:方案一中,各零件结构都很简单,制造简单;和曲柄配合的摆块的侧面需要加工,加工面小,生产成本低。方案二中,锥齿轮为标准件,可直接购买,凸轮及摆杆需要加工。凸轮及摆杆形状都很简单,制造容易;凸轮侧面和摆杆接触,为加工面,与方案一比较,加工面有所增加,但生产成本同样很低。5. 总体结构设计总体结构如图十一所示:图十一机构图说明:1小车底盘2后轮轴3锥齿轮4凸轮5摆杆6前轮支架辅助模块:由一对锥齿轮构成,作用是将后轮的回转运动转化成水平面的回转运动,将后轮转速降低传递给凸轮,以使前轮稳定的转向。转向模块:由凸轮机构构成,作用是将后轮

      6、的回转运动转化成前轮的转向,以使小车能绕障前行。6. 详细设计锥齿轮设计由于该机构是用于比赛中,寿命不需要很长,故一般齿轮强度均能满足要求,主要保证齿轮传动比的精确性,设后轮的转速为,凸轮的转速为,则齿轮的传动比为,根据传动比来选择合适的齿轮。具体参数待定。凸轮设计LRr图十二凸轮机构在该机构中至关重要,起到核心的控制作用。设前轮中心与凸轮中心的距离为L,凸轮的大圆直径为R,小圆直径为r,大圆所在弧对应的圆心角为,则小圆所在弧对应的圆心角为()。设小车的中心轴线与前轮中心和凸轮中心连线的夹角为,则:前轮的最大偏角为;最小偏角为;要使前轮左右转向的角度相等,则有,即角要满足:;摆杆处于时凸轮转过的角度为,摆杆处于时凸轮转过的角度为(),摆杆处于过渡角度时凸轮转过的角度均为。要使前轮左右转弯的时间相等,则有,即凸轮大圆所在弧对应的圆心角,为了使摆杆处于过渡角度的时间短,则应使尽可能的小,也即r与R尽可能的接近。综上,凸轮机构设计的关键参数如下:前轮最大转向角:;前轮最小转向角:;凸轮中心与前轮中心的连线与小车轴线的夹角:;凸轮大圆弧长所对应的圆心角:;一个周期中摆杆处于过渡时间凸轮转过的角

      7、度:。其中,前四个为设计公式,最后一个为优化公式。7. 方案的可行性与市场分析可行性分析:从原理来看,减速换向都是锥齿轮很基本的功能,而凸轮机构中的摆动盘状凸轮就是将转动转化成杆的摆动,因此在原理上都是可行的。从结构上来看,该机构结构简单紧凑,容易实现,传动效率相对也较高,精确度也够,但系统上还是存在一些固有的缺陷,通过分析运动特性,设计合理的参数,可以降低缺陷造成的系统误差。从制造工艺上来看,机构的零件都是简单的常用零件,其中锥齿轮、轴承和弹簧可以直接购买,轴类零件、凸轮、摆杆形状常规,加工简单,零件的配合处需要精加工,但加工的面积比较少。因此,机构的制造成本很低。市场分析:该结构设计的目的是用于比赛作品,但在工业制造领域,在一些相对固定的生产线上,可以用来做一些简单繁琐的工作,用来代替人的岗位,减轻人的负担。随着社会的发展,机器人的热潮将会越来越高,各种行业的机器人将会应运而生。而机器人的骨架就是各种机械结构的结合,因此,该种机械机构可能将会在机器人身上得到应用。8. 设计总结本机构最大的创新点是小车的轨迹是一系列相切的半圆,前轮转向是间歇性的。而已存在的机构都是连续性的转向,轨迹是类似于正弦的曲线。本设计以此为中心展开,最初考虑过使用棘轮机构以达到前轮的左右间歇性转动,但最终以失败告终。后来,又开始考虑凸轮机构,本着简单高效的原则,设计出这个简单实用的机构。然而,该机构本身存在一些缺陷,但考虑到简单高效问题,没有将此机构复杂化。如果将此机构运用到工业上,可以作进一步的改进以消除机构本身存在的缺陷,实现更精确的运动。参考文献:1濮良贵,纪名刚.机械设计M.8版.北京:高等教育出版社,2006.2王跃进. 机械原理 M. 北京: 北京大学出版社,2009.3徐灏. 机械设计手册 M. 北京: 机械工业出版社,2004.4廖汉元,孔建益机械原理M.北京:机械工业出版社,2007.5刘国良.SoildWorks2007完全自学宝典M.北京:电子工业出版社,2007.6邹光明,杨秀光,黄川,冯建.以势能驱动的涡卷弹簧储能小车研究J.机械设计,2012,29(4).7王斌,王衍,李润莲,赵小龙,崔景峰,杨富林.“无碳小车”的创新型设计J.山西大同大学学报,2012,28(1).8李洲,王洪,李亚光.“无碳小车”的机械原理及应用J.学术起跑线,2011(2).

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