無(wú)碳小車設(shè)計(jì)制作極其作用

無(wú)碳小車設(shè)計(jì)制作極其作用

機(jī)械專業(yè)是一個(gè)理論和實(shí)踐相結(jié)合的專業(yè)，它要求學(xué)生既要有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，又要有較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。機(jī)械專業(yè)包括機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造兩個(gè)方向，它要求學(xué)生既具備工程力學(xué)、工程材料、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等理論知識(shí)，又具備CAE（計(jì)算機(jī)輔助分析）、CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）和樣機(jī)的加工制作等實(shí)踐動(dòng)手能力。

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽為鍛煉和提高機(jī)械專業(yè)學(xué)生的專業(yè)能力提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。如圖1所示，根據(jù)競(jìng)賽要求，參賽學(xué)生需設(shè)計(jì)制作一輛靠重力驅(qū)動(dòng)的三輪小車，沿S形或8字形軌跡行走，繞過(guò)按一定距離擺放的小樁，繞過(guò)小樁的數(shù)量多并且行走的距離遠(yuǎn)的小車獲勝。無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)制作對(duì)提高機(jī)械專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力具有十分重要的作用，是培養(yǎng)和提高學(xué)生專業(yè)能力的有效途徑。

本文以S形軌跡的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)制作為例，闡述了無(wú)碳小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制作和安裝調(diào)試等對(duì)提高機(jī)械專業(yè)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手和專業(yè)能力的作用。

小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)的第一步就是轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。這包括機(jī)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)和分析。能夠?qū)崿F(xiàn)S形的運(yùn)動(dòng)軌跡的機(jī)構(gòu)很多，包括曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等。本文設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用的是曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

其中，驅(qū)動(dòng)輪的半徑為R，曲柄半徑為r1，驅(qū)動(dòng)軸上齒輪和曲柄上齒輪的傳動(dòng)比為i，驅(qū)動(dòng)輪和和轉(zhuǎn)向輪的距離為b，連桿的長(zhǎng)度分別為l1，l2，和c。

曲柄旋轉(zhuǎn)一周，小車走過(guò)一個(gè)周期的軌跡的長(zhǎng)度S為：

圖1　S形軌跡示意圖

圖2　小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖

圖3　r1=0.01，ii=3.2

圖4　r1=0.05，ii=3.2

通過(guò)以上公式，建立小車的運(yùn)動(dòng)方程，然后用Matlab對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。用過(guò)改變機(jī)構(gòu)的參數(shù)，可以改變小車的運(yùn)動(dòng)軌跡。找到最優(yōu)的軌跡，從而確定小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的參數(shù)。

小車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的參數(shù)確定以后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)構(gòu)參數(shù)，避免和減少后面無(wú)效的工作，可以用慧魚模型對(duì)小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)物仿真和驗(yàn)證。

通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)和參數(shù)的確定，學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和步驟就會(huì)有一個(gè)更為清晰和深入的認(rèn)識(shí)。這對(duì)提高學(xué)生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的能力具有十分重要的作用。

小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)參數(shù)確定后，就要開始根據(jù)機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)小車進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步是進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定小車的整體尺寸和結(jié)構(gòu)布局。然后根據(jù)整體設(shè)計(jì)，選擇和確定軸承、軸承座、直線導(dǎo)軌、滑塊、齒輪等標(biāo)準(zhǔn)件的型號(hào)和尺寸。然后，在考慮材料、加工、強(qiáng)度、配合、定位、固定、裝配的前提下，對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用CAD軟件對(duì)非標(biāo)零件進(jìn)行建模，畫出相應(yīng)的零件圖和裝配圖，如圖5所示。通過(guò)小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和步驟會(huì)有一個(gè)更為清晰和深入的認(rèn)識(shí)。特別是通過(guò)對(duì)小車的布局、尺寸、安裝、定位、材料和加工等的全面考慮，可以大大提高學(xué)生分析解決問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

圖5　小車裝配圖

小車的制作、安裝和調(diào)試

小車設(shè)計(jì)完成后，就要對(duì)小車進(jìn)行加工、制作、安裝和調(diào)試了。在這一過(guò)程中，學(xué)生們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)很多的問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)、材料、加工和裝配等方面的問(wèn)題。往往需要反復(fù)修改、甚至重新設(shè)計(jì)，這一過(guò)程對(duì)學(xué)生能力的鍛煉和提高是非常大的。裝配完成后，通過(guò)調(diào)試，可以對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)仿真軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，從而加深對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，學(xué)生還能體會(huì)到作為工程師應(yīng)具備的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和作風(fēng)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)無(wú)碳小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制作和安裝調(diào)試等，學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)、分析、加工和樣機(jī)制作等方面的能力得到了鍛煉，學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和實(shí)踐動(dòng)手能力得到很大的提高，這對(duì)他們將來(lái)的專業(yè)學(xué)習(xí)和專業(yè)工作十分有益，也為他們積累了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.001