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玩具车设计论文 遇障能自动调向行驶的玩具车设计

2019-01-16 14:42:47来源:组稿人论文网作者:婷婷

 

  摘要

 

  随着计算机、微电子、信息技术的发展,智能化技术的开发速度越来越快,智能度越变越高,应用范围也得到了很大的扩展。智能设备作为现代的新发明,是以后的发展宏观方向,它可以按照预先设定的模式在一个环境里能够自动的运作,不需要人为的管理,可应用于科学勘探等重要用途。智能电动小车就是其中的一个细小体现。设计者可以通过软件编程实现它的行进、循迹、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示,无需人工干预。虽然智能玩具汽车越来越受小孩子以及大人的喜爱,但我们传统的玩具车依然也很受迎。鉴于此,本次课题将围绕如何在小车遇到障碍物调向这方面进行研究继而达到在传统玩具车的基础上增加其功能的目的。本设计通过遇障碍能自动调向玩具车在遇到障碍物时两个驱动轮5将打滑,使行星架回转,即改变了玩具车的前进方向,若该方向没有障碍物,玩具车即沿该方向前进。本装置放在玩具车的前部,玩具车的前轮实际上是悬空的,并不着地,而后轮虽然着地,却是随动的。由于该轮系为具有两个自由度的差动轮系,故玩具车的运动将受最小阻力定律的支配。因此此玩具车在遇到障碍物时能很好的调向。简单,较容易实现。

 

  关键词:遇障碍小车;结构设计;功能分析

 

  第一章导论

 

  1.1研究的背景

 

  高科技玩具车的风靡使得那些发条、惯性玩具车大为失色,被冷落一角。但惯性玩具车不需要电驱动,所以没有污染,是一种节能环保型产品。且随着注塑技术的进一步成熟,使得复杂的玩具车外形可以以低廉的价格制造出来,从而又使得惯性玩具车具有低成本的优势。在实际应用中如果充分利用惯性玩具车环保、节能、成本低的优点,进行更合理的结构设计,优化产品的性能,那么在市场上惯性玩具仍将具有一定的竞争力。事实也证明了这一点,许许多多的儿童都拥有这样的惯性玩具车。对于0-3岁的幼儿来讲,他认识世界的过程是由“感觉+动作”来完成的。对于拿在手的玩具,他们喜欢用他们的肢体来认识和探索,从而得到身心满足。这些幼儿们由于语言发展还不成熟,思维能力还不完善,所以他们的肢体成了他们学习的工具。在对待玩具上,会有些“暴力”,在这个时候,精美、价高的高科技玩具就会变成一种危险。功能的复杂是以结构的复杂为成本的,这些设计复杂的高科技玩具,其中有许多细小零件,如果宝宝们不小心的话,误吞、划伤就会发生。另一方面,这也造成了玩具车和金钱的浪费。相反,一些价格不太贵、制作较简单又相对结实的玩具车更受家长的青睐。对家长们而言,机构简单、功能多样化、价格实惠的玩具就变得尤为重要。鉴于此,我们在惯性玩具车的基础上,做了一些改善使其能够在惯性玩具车遇到障碍物能够迅速做出调向,即我们所说的遇障碍调向玩具车。

 

  1.2遇障碍调向玩具车的基本原理和基本知识

 

  图示为玩具车遇障后能自动调向行驶的装置。其中轮1由原动机(电动机、发条)驱动,轮2为端面齿轮(图b为其在圆柱面上的齿形),轮3为圆柱齿轮,其与轮2的啮合相当于锥齿轮传动,件4为行星架,轮5为驱使玩具车运动的驱动轮。本装置放在玩具车的前部,玩具车的前轮实际上是悬空的,并不着地,而后轮虽然着地,却是随动的。由于该轮系为具有两个自由度的差动轮系,故玩具车的运动将受最小阻力定律的支配,当玩具车的前进方向受阻时,两个驱动轮5将打滑,使行星架回转,即改变了玩具车的前进方向,若该方向没有障碍物,玩具车即沿该方向前进。

 

  1.3 Pro/E在机械设计中的应用

 

  1.3.1现实机械设计中的问题及解决

 

  在机械产品零部件的设计过程中运动机构的空间干涉问题历来都是难以处理的问题。由于用一般作图法很难获得结果在没有足够验证手段的情况下设计者通常先凭感觉设计出一个大致的形状然后在生产出样件时才能进行实际装配检验发现问题后修改原先的设计必要时还要进行多次的实际装配检验。如此反复直到消除干涉为止。但有些情况很难在实际装配检验中模拟。这样设计者不得不在这种细节问题上耗费很大的精力这在很大程度上降低了设计效率湮灭了设计灵感。而有些错误又往往具有很强的隐蔽性有些甚至潜伏至产品的批量制造阶段给生产造成不应有的损失。因此利用计算机这一现代工具合理地解决这些问题无疑具有一定地现实意义。

 

  1.3.2 Pro/E软件在产品开发中的应用

 

  Pro/ENGINEER是美国PTC公司的产品,于1988年问世。20多年来,历经多次改版,己成为全世界最普遍的3D CAD/CAM系统,广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具各行业。Pro/ENGINEER是全方位的3D产品开发软=包,和相关软件Pro/DESINGER(造型设计)、Pro/MECHANICA(功能仿真),集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、饭金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能,从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程;

 

  1.3.3 Pro/E软件在产品开发过程中的应用

 

  1.产品外观造型设计

 

  在产品进行设计之前,首先要搞清楚利用软件进行设计的步骤或流程,使用Pr o/ENGINER一般要遵循图1-3流程。

 

  图1-3 Pro/ENGINEER软件设计流程

 

  2.产品结构建模

 

  根据产品外形选择合适的造型方法拉伸或旋转等然后根据产品的内部结构添加特征如切除、加强筋、孔等逐步完成模型的设计。

 

  3.动态仿真

 

  该功能是Pro/E软件自带的机构模块实现的。机构模块主要有两大功能定义机构和机构仿真运动。由此可见该模块主要应用于产品结构检测及仿真设计。产品各零部件模型设计完成后为保证实际装配效果检测各零部件之间的装配关系可使用仿真模块模拟实际操作。它可快速、准确的检测零部件间的干涉、物理特性模拟使用产品的操作过程直观显示存在问题的区域及相关的零部件指导设计者直接、快速地修改模型从而缩短修改时间提高设计效率。

 

  1.3.4本文的主要内容

 

  在本设计中主要有这几方面的内容:首先是建立玩具车运动的数学模型并进行理论推导;接着利用Pro/E软件对玩具车的各个零部件进行三维设计;在此基础上装配设计出的零件并进行合适的约束和连接,并在装配的基础上对玩具车进行运动仿真以模仿真实的玩具车运动。

 

  第二章系统设计

 

  在本章中首先通过分析玩具车运动过程来建立玩具车运动的数学模型并进行相应的理论推导以确定玩具车行走距离与惯性机芯主要参数的关系。

 

  2.1玩具车惯性机芯各参数之间关系的理论推导

 

  2.1.1玩具车的运动过程

 

  玩具车的运动可分为三个过程:加速过程和运行过程如图2-1所示

 

  图2-1玩具车运动过程

 

  1.加速过程。

 

  在此阶段玩具车受到人手推力的作用,使车轮和惯性片达到一个极限转速Wmax。此时旋转的惯性片中储存了一定的能量,这些能量将在人手放开并把玩具车放到地面上之后释放出来,用以支持玩具车运动。玩具车初始能获得的转速W的大小取决于在保证车轮不打滑的前提下人手的推动速度的快慢。同时,人甩手所能达到的速度有一个极限,甩手极限速度时的W即为极限转速Wmax。

 

  2.运行过程。

 

  这一过程又可以分成三个阶段。第一阶段是连滚带滑阶段,即玩具车刚放到地上的瞬间及之后的极短时间内的运行过程;第二阶段是纯滚动阶段,即玩具车车轮和地面之间没有打滑的阶段,这一阶段持续到玩具车停止运动。刚经过人手加速的后轮,接触地面时车轮外缘与地面间有相对速度(Vr=R.Wmax),致使车轮与地面之间产生滑动摩擦力,而使车轮不能做纯滚运动,这时便形成连滚带滑的运动。在这个阶段中,主动车轮的转速从Wmax下降到w0,玩具车运动的速度从零上升到Vmax,而Vmax=R·w0,所走过的距离为s1。其后,玩具车进入纯滚动阶段经过一段时间后惯性片能量逐渐消耗在滚动摩擦和各构件间的内摩擦上,致使主动车轮转速从w0下降到零,玩具车整车的速度也从Vmax下降到零,这一阶段所走过的距离为s2。

 

  在玩具车一次加速后所行驶的路程中,纯滚动是主要阶段,而连滚带滑阶段则是在极短的时间内发生的,因此是次要的。玩具车从一次加速到停止运动所走过的总距离为s:s=s1+s2。

 

  2.1.2玩具车运行过程的数学模型

 

  在分析中,完全可以撇开加速过程,直接分析运行过程。这里假设加速过程中止时车轮转速为一定值,也就是我们按一定手力加速玩具车时期达到的极限值Wmax。假设玩具车重心c至主动轮轴间距l2与两轮轴间距离l1之比值为k,k=l2/l1,为载荷分配系数。前轮半径为R1,后轮半径为R2。加速过程中是人手拿着玩具车让后轮和地面产生摩擦是后轮获得一定速度,可以认为加速过程中从动轮基本不转,即使转动,但因从动轮转动惯量很小,当玩具车四轮着地瞬间从动轮的转速必然马上下降到零。前后轮在刚着地的瞬间受力分析如图1一1所示。

 

  若玩具车总重量为W,则前后轮的支反力分别为:

 

  N1+N2=W(2-1)

 

  N1=kW=W1(2-2)

 

  N2=(1-k)W=W2(2-3)

 

  设玩具车在连滚带滑阶段作匀加速运动。现在以玩具车的主动轮为研究对象,分析其受力情况如图2-2所示。

 

  图2-2

 

  主动轮受到水平方向的滑动摩擦F2其大小为:

 

  F2=fN2=f mg(2-4)

 

  式中f——车轮与接触面之间的滑动摩擦力系数。

 

  对主动轮中心o2取矩有:

 

  F2R2+Mf2+N2δ=J2ε2(2-5)

 

  式中δ——车轮与接触面之间的滚动摩擦系数

 

  Mf2——惯性机芯及后车轮轴各转动部分的摩擦阻力矩。

 

  Mf2可以按照冲量矩定理求得:

 

  Mf2T=J2(W′max-0)(2-6)

 

  Mf2=(J2W′max)/T(2-7)

 

  式中T——后轮与惯性机芯从某一转速(W′max)变为零所需要的时间:

 

  w′max——测量阻力矩时后轮与惯性机芯所达到的初始转速。

 

  同理,Mf1=(J1w″max)/T″(2-8)

 

  式中Mf1——从动轮轴转动部分的摩擦阻力矩。

 

  式2.5中的J2为惯性机芯各转动构件在车轮轴上的等效转动惯量其大小为:J2=2JB+J7+(J6+J5)i67+(J4+J3)i^4 47+(J2+J1)i^2 27

 

  上式中等式右边各个齿轮的转动惯量J7,J6,J5,J4,J3,J2相对于惯性片转动

 

  惯J1和两车轮的转动惯量JB来讲都比较小完全可以忽略不计基本不影响分析。从而有J2=2JB+J1*i^2 27(2-9)

 

  以从动轮为研究对象对从动轮中心o1取矩有:

 

  F1R1-Mf1-N1δ=J1ε1(2-10)

 

  式中F1——从动轮所受水平方向的滑动摩擦力。

 

  若以整个玩具车系统为研究对象则有:

 

  F2-F1=(m1+m2)(2-11)

 

  在连滚带滑阶段从动轮转速是从零增加w0它始终作纯滚动并且是作匀加速运动。从而可知从动轮中心o1的加速度为

 

  a=R1ε1(2-12)

 

  这个加速度也是整个玩具车的整体加速度。

 

  当玩具车前后轮均作纯滚动时前后轮与整部玩具车以同样的速度运动即

 

  Vmax=V2max=Vmax

 

  同时V1max=ε1t1R1,V2max=(Wmax-ε2 t1)R2

 

  从而有t1=wmaxR2/

 

  ε1R1+ε1R2(2-13)

 

  式中wmax——加速过程终止时车轮的角速度

 

  t1——连滚带滑阶段所要的时间。

 

  连滚带滑阶段走过的路程为

 

  s1=a*t1^2/2(2-14)

 

  在纯滚动阶段玩具车原先具有的能量将完全消耗在克服阻力矩做功上。设纯滚动阶段主动轮滚过的转角为Ψ由于这一阶段终止时玩具车的速度将变为零则根据能量守恒定律有:

 

  (m1+m2)V2max/2+J2*W0^2/2+J1*W0^2/2(2-15)

 

  =(Mf1 R 1/R2+Mf2+m1gδR1/R2+m2gδ)Ψ(2-16)

 

  Vmax=R2*W0(2-17)

 

  式中W0——纯滚动阶段刚开始时车轮的角速度其大小为:

 

  W0=ε1*t1(2-18)

 

  纯滚动阶段走过的路程为:

 

  s2=R2Ψ(2-19)

 

  至此可以得到玩具车经一次加速后所能走过的路程s:

 

  s=s1+s2(2-20)

 

  2.2理论推导的应用

 

  2.2.1几个结论

 

  现在可以从理论分析中得出这样的直观结论:随着传动比i的增加,玩具车行驶的距离增大;随着惯性片外半径D的加大,行驶距离也会加大。但过大的行驶距离无多大的实用价值,在满足行驶距离要求的前提下,惯性片外半径D和传动比i应有一个界限。

 

  2.2.2具体的工程应用

 

  对于玩具车厂家来讲,如果能利用电子计算机,对玩具车惯性机芯的各种参数进行模拟,并绘制成图线,或制成标准,那么就可以在选用时随时查阅某一系列的图线或标准,这将很大的提高成产质量和效率。

 

  2.3本设计的创新之处

 

  本次设计的遇障碍自动调向的玩具车创新之处:(1)没有采用前轮、后轮以及四轮驱动,而是根据最小阻力定律,设计了玩具车的驱动轮5,它的前轮是悬空,不着地。后轮虽然着地,但是其是随动的。它的前后轮是具有两个自由度的差动轮系,故其受最小阻力定律支配。当玩具车遇到障碍物时,玩具车的前后轮(即轮5)将进行打滑,而使行星架4回转而改变方向。(2)本次设计的玩具车所选用的材料都是绿色环保型材料,实惠经济。(3)人性化设计,安全性比较高

 

  第三章结构设计

 

  如果说功能是系统与环境的外部联系,那么结构就是系统内部诸要素的联系。功能是产品设计的目的,而结构是产品功能的承担者,产品结构决定产品功能的实现。结构既是功能的承担者,又是形式的承担者。因此产品结构必然受到材料、工程、工艺、商品使用环境等诸多方面的制约。好产品首先要实用,因此,产品设计首先是功能,其次才是形状。产品实现其各项功能完全取决于一个优秀的结构设计。在本章中,在参考市场上现有玩具车的结构的基础上进行了结构的设计,

 

  3.1总体方案设计

 

  在系统设计之后将要对玩具车进行整体的结构设计。玩具车由车身、底盘、两对车轮和惯性机芯构成。其中,惯性机芯是玩具车的运动机构的核心。在本设计中惯性机芯采用三级定轴齿轮系机构。同时,为了减小整个玩具车的体积,将采用锥齿轮机构,用以变换惯性片的旋转轴,将其运动面由铅锤面转换为水平面,达到体积减少的目的。同时,采用这种方法也达到了避免影响玩具车运动平稳性的目的,玩具车大部分零件的材料选用塑料,具体型号又随零件的不同而不同。既减轻重量,适合儿童,又减少成本,同时也不会因毛刺问题对儿童造成损伤。齿轮的材料也选用塑料,因为塑料有自润滑作用。在能满足实际功能的前提下减少了噪音,同时其允许的变形可以稍大一些,间接达到降低制造成本的问题,齿轮轴选用铝合金。齿轮和齿轮轴的连接采用过盈配合,这样就避免了在齿轮轴上加工键、轴肩,达到降低成本的效果。

 

  玩具车的整体尺寸初步定为长*宽*高=80*40*50(mm3)之内。

 

  图3-1玩具车内部图

 

  3.1.1齿轮2的设计

 

  齿轮2(如图3-2所示)为过盈配合装配在后轮轴上的齿轮。加工采用注塑的方法铸造出来,由于没有详尽的数据来计算齿轮受力,现参考市场上同类玩具车的齿轮尺寸选择齿轮1的模数为0.5,齿数为24,为与另外一个齿数为11的小齿轮配合,采用等变位齿轮传动设计,其中大齿轮变位系x=-0.353。

 

  由图3-3所示的渐开线几何示意图,图中r为基圆半径,中为展开角。由渐开线的定义可推得圆的渐开线参数方程为:

 

  x=r*cos(Ф)+(r*Ф*pi/180)*sin(Ф)(3-1)

 

  图3-2齿轮2的三维模型图3-3渐开线几何示意图y=r*sin(Ф)-(r*Ф*pi/180)*cos(Ф)在齿轮2的绘制中,对控制渐开线的参数与公式说明如下:

 

  传动部分包括惯性机芯、轮胎及传动轴,是整个玩具车的运动机构。

 

  a,模数:m=0.5mm;

 

  b,齿数:zs=24;

 

  c,压力角:A=20°;

 

  d,基圆半径:r=(m*zs*cos(A))/2;

 

  e,渐开线展角:户=t*90(t是从0到1的数,也就是说,展开角为0°取值);

 

  f,展开的弧长:Arc=(pi*r*t)/2(t是从0到1的数,也就是说,展开的弧长为0°圆周周长取值);

 

  g,分度圆直径:d=m*zs;

 

  h,齿顶圆直径:da=m*zs+2*(ha*+x)*m,ha*=1,x=-0.353;

 

  i,齿根圆直径:df=m*zs+2*(ha*+c-x)*m,c*=0.35;

 

  J,渐开线的参数方程:x=r*cos(fi)+Arc*sin(fi)

 

  y=r*sin(fi)-Arc*cos(fi)

 

  Z=0。

 

  构建该模型主要使用拉伸特征、变截面扫描特征、切割特征、阵列特征以及使用参数和方程式控制曲面形状等工具。

 

  3.2基于Pro/E的玩具车传动部分各个零件的设计

 

  3.2.1轮2的完全设计步骤如下

 

  ★步骤一:建立新文件

 

  ①单击菜单【文件】一【新建】,打开“新建”对话框。

 

  ②选择“零件”类型,在“子类型”选项组中选择“实体”单选按钮,在“名称”

 

  文本框中输入“chilunl",并清除“使用缺省模板”复选框,单击“确定”按钮。

 

  ③弹出“新文件选项”对话框,在“模板”选项组中,选择“mmns-part-solid”

 

  选项。单击“确定”按钮,进入零件设计模式。

 

  ★步骤二:使用拉伸工具建立齿轮基体

 

  ①单击韶按钮,打开拉伸特征操作面板。选择拉伸为实体,拉伸尺寸为“2.5"。

 

  ②单击匡放置国面板中的【定义】按钮,打开匡草绘国对话框。选择FRONT基准面为草绘平面,RIGHT基准面为视图方向参照。

 

  ③单击【草绘】按钮,进入草绘工作环境。

 

  ④绘制拉伸截面,拉伸截面为ø12.647的圆,即齿顶圆的直径。

 

  ⑤单击√按钮,返回拉伸特征操作面板。单击√按钮,完成拉伸特征的建立。

 

  ★步骤三:建立渐开线

 

  ①单击【插入】一【模型基准】一【曲线】命令,系统弹出匡曲线选项菜单。

 

  ②单击菜单[从方程】一[完成]命令,系统弹出匡得到坐标系国菜单和匡曲线。

 

  ③在模型树中选取系统默认的坐标系“PRT CSYS DEF",系统弹出匡设置坐标类型菜单。

 

  ④选择坐标类型为【笛卡尔】,系统弹出记事本窗口。

 

  ⑤在记事本中填写渐开线参数方程。

 

  ⑥单击记事本窗口中的菜单【文件】一【保存】命令,保存当前的修改。

 

  ⑦单击记事本窗口中的菜单[文件】一[退出]命令,关闭记事本窗口,完成对方程式的添加。

 

  ⑧单击【确定】按钮,完成曲线的建立,如图3-4所示。

 

  ★步骤四:建立齿轮的基圆、齿根圆与分度圆

 

  ①单击特征工具栏中的按钮,打开匡草绘图对话框。

 

  ②选择FRONT基准面为草绘平面,其他接受系统默认设置。

 

  ③单击【草绘】按钮,进入草绘工作环境。

 

  ④单击绘制圆按钮0,分别绘制圆心与基准中心重合的3个圆,将3个圆的直径尺寸修改为:"12"(分度圆直径),"12*cos(20)(以关系式的形式设置尺寸)”(基圆直径)、"10.297"(齿根圆直径),如图3-5所示。

 

  ⑤单击√按钮,完成3个圆的建立,结果如图3-6所示。

 

  ★步骤5:镜像渐开线

 

  ①选中上面建立的渐开线曲线,单击按钮,打开镜像特征操作面板。

 

  ②选择TOP基准面为镜像平面,单击√按钮,结果如图3-7所示。

 

  图3-4图3-5图3-6图3-7

 

  ★步骤6:移动复制渐开线

 

  ①在主菜单栏中依次单击【编辑】一【特征操作】命令

 

  ②选择【复制】选项。

 

  ③依次选取【移动】一【选取】一【独立】一【完成】选项。

 

  ④从模型树中选取刚刚镜像得到的渐开线曲线。

 

  ⑤单击【完成】选项

 

  ⑥选择【旋转】选项,

 

  ⑦选择【曲线/边/轴】选项,然后在主工作区中选择特征的中心线A2,此时在主工作区中显示方向箭头。

 

  ⑧选择【反向】选项,是主工作区汇总的显示的箭头反向,然后选择【正向】选项,并在信息数值框中输入移动的角度值“7.018991299(计算方法见以后)”,按下回车键。

 

  ⑨选择【完成移动】选项。

 

  ⑩单击【确定】命令,完成后主工作区中的模型。

 

  ⑧最后删除镜像的渐开线,结果如图3-8所示。

 

  图3-8镜像的渐开线

 

  ★步骤七生成齿轮被切剪部分曲线①依次选取主菜单的【插入】→【模型基准】→【草绘】命令系统将弹出〖草绘〗对话框同时信息控制区提示“选取一个平面或曲面以定义草绘平面”此时选取FRONT基准平面作为草绘平面。

 

  ②直接单击【草绘】按钮系统将进入草绘模式。

 

  ③在主菜单栏中依次单击【草绘】→【边】→【使用】命令或者直接单击草绘器工具栏的按钮系统显示〖类型〗对话框。然后单击绘图区的两个圆弧及齿顶圆和齿根圆还有创建的曲线。最后单击〖类型〗对话框中的【关闭】按钮。

 

  ④单击草绘器工具栏中的按钮绘制两条相切线起点为渐开线起点但出现字

 

  符“T”时单击左键即可生成相切线。

 

  ⑤单击草绘器工具栏中的【动态裁剪界面图元】按钮单击最初借用的特征只剩下被切剪部分。

 

  ⑥单击草绘器工具栏中的按钮完成草图设计。

 

  ★步骤八根据切剪部分曲线生成切剪特征即齿槽特征。

 

  ①从主工作区或者模型树中选取刚刚生成的齿轮被切剪部分的曲线完成后该曲线以红色显示处于选中状态。

 

  ②在主菜单栏中依次单击【插入】→【拉伸】命令系统将弹出拉伸操作面板如

 

  图3-23所示。

 

  ③在拉伸操作面板上单击【去除材料】按钮。

 

  ④单击拉伸操作面板上的〖选项〗按钮。系统将弹出“选项”上滑板然后在该上滑板中将〖第1侧〗与〖第2侧〗选项都设置为“穿透”。

 

  ⑤单击拉伸操作面板上的按钮即可完成拉伸切剪特征结果如图3-24所示。

 

  图3-9图3-10

 

  ★步骤九进行倒圆角处理

 

  ①在主菜单中依次选取【插入】→【倒圆角】命令系统将显示倒圆角操作面板。

 

  ②在倒圆角操作面板中的数值编辑框中输入圆角半径数值“0.25”并按回车键。

 

  在主工作区依次选取图3-11中齿槽延伸到盘状齿轮主体中的两条边。最后单击倒圆角操作面板上的按钮即可完成倒圆角特征结果如图3-12所示。

 

  ★步骤十建立组为阵列形成所有的齿做准备在模型树上选取切剪特征和倒圆角特征。右击鼠标系统弹出如图3-13所示的快捷菜单。选择〖组〗选项将二者合成一个组如图3-14所示。

 

  图3-11图3-12图3-13

 

  ★步骤十一阵列操作形成所有的齿选取上一步生成的“组”右击选取〖阵列〗选项系统将弹出阵列操作面板。择阵列类型为“轴”选取基准轴A_2作为阵列的中心线阵列数目为24如图3-15所示阵列之后的结果如图3-16所示。

 

  ★步骤十二拉伸出轴肩并打出孔完成齿轮2的建立单击按钮打开拉伸特征操作面板。选择拉伸为实体拉伸尺寸为“1.5”。单击〖放置〗面板中的【定义】按钮打开〖草绘〗对话框。选择齿轮基体的一端面为草绘平面RIGHT基准面为视图方向参照。单击【草绘】按钮进入草绘工作环境。绘制拉伸截面拉伸截面为Ф6的圆。单击按钮返回拉伸特征操作面板。单击按钮完成拉伸特征的建立。单击按钮打开孔工具操作面板。单击〖放置〗面板选择刚拉伸出来的实体的端面为主参照孔特征为“同轴”然后选A_2轴为次参照。在孔直径框中输入“2”选择钻孔至选定的点、曲线、平面或曲面并选取齿轮基体的另外一个端面使得孔钻透齿轮基体。如图3-15所示。单击按钮完成孔特征的建立。

 

  ★步骤十三隐藏曲线使图面整洁单击位于模型树上方的【显示】按钮在打开的菜单中单击〖层树〗选项。在打开的层树中选中如图3-16所示的包含曲线的层单击鼠标右键在弹出的快捷菜单中单击【隐藏】命令是该层处于隐藏状态。单击“重画当前视图”按钮刷新屏幕结果如图3-17所示。

 

  ★步骤十四保存文件完成齿轮2的建立单击菜单【文件】→【保存】命令保存当前建立的零件模型。至此齿轮2完成绘制。

 

  图3-14图3-15图3-16图3-17

 

  3.2.2齿轮3的设计

 

  齿轮3的三维模型如图3-18所示,齿轮2采用注塑方法用塑料加工出来。其基体有两部分组成,一块为大齿轮部分,令一块为小齿轮部分。大齿轮部分中的参数和齿轮2参数完全一致,小齿轮部分是和齿轮2相配合的齿轮,模数m=0.5,齿数z2=11,变位系数x2=0.353。

 

  齿轮3前十一步的操作步骤同齿轮1的前十一步基本完全相同(数据不同),然后在第十二步中拉伸出的是个尺寸为5mm的圆实体,即小齿轮的厚度为5mm。然后重复前十一步完成小齿轮的建立。最后再打出一个直径为1.5mm的孔,要同时穿透小齿轮部分和大齿轮部分。现在因为大小齿轮采用了变位加工,所以要对小齿轮的齿顶厚进行验算并验算这一配对齿轮副的重合度。同时对齿轮1绘制过程中的各种数据的计算方法进行阐述。计算初始条件为这一对齿轮按标准中心距安装。下面计算如下(下标1代表齿数为24的大齿轮,下标2代表齿数为11的小齿轮)。

 

  图3-19

 

  ①这一对齿轮按标准中心距安装。

 

  标准中心距如图3-19齿轮3:

 

  a=m(z1+z2)/2=0.5*(24+11)/2=8.75mm,实际中心距a'=8.75mm,又因为a'cosα=a*cosα,所以α'=20°,分度圆压力角等于节圆压力角。

 

  ②求变位系数x1和x2

 

  因为invα'=2(x1+x2)tanα/(z1+z2)+invα,所以x1+x2=0,采用等变位齿轮传动。可取x1=0.353,x2=-0.353,即小齿轮采用正变位,大齿轮采用负变位。

 

  ③求中心距变动系数Y及齿顶高变动系数:

 

  y=(a'-a)/m

 

  ④求齿轮的各部分尺寸

 

  分度圆直径等于节圆直径,d=d',d1=mz1=0.5x11=5.5mm,d2=mz2=0.5 x 24=12mm。

 

  齿顶圆直径da1=d1+2ha=5.5+2×(1+0.353)×0.5=6.853

 

  da2=d2+2ha=12+2×(1-0.353)×0.5=12.647

 

  齿根圆直径df1=d1-2hf=5.5-2×(1+0.35-0.353)×0.5=4.503

 

  df2=d2-2hf=12-2×(1+0.35+0.353)×0.5=10.297

 

  齿顶圆压力角αa1=arccos(rb1/ra1)-arccos(5.5×cos20°/6.853)=41.047325060

 

  α2=arccos(rb2/ra2)-arccos(12×cos20°/12.647)=26.922540390

 

  基圆直径db1=d1cos20°=5.5cos20°

 

  db2=d2cos20°=12cos20°

 

  分度圆齿厚s1=∏m/2+2x1mtanα=∏/4+2x0.353x0.5xtan20°=0.913879656mm

 

  s2=∏m/2+2x2mtanα=∏/4-2x0.353x0.5xtan20°=0.65691667mm

 

  ⑤验算齿顶厚:sa1=s1*da1/d1-da1(inva1-inva2)=0.662126029>=0.25m=0.125合格,而大齿轮齿顶厚肯定要大于小齿轮的齿顶厚,所以无需验算。

 

  验算重合度:Ɛ1=[z1(tanaa1-tan a')+z2(tanaa2-tan a')]/2∏=1.4366>=1满足要求。

 

  另外要对齿轮2建立步骤六中的第⑧小步中的旋转角度的计算进行阐述。如下。sb1=cos20°(0.913879656+0.5×11×(tan20°-20∏/180))=0.935796436,

 

  sb2=cos20°(0.913879656+0.5x24x(tan20°一20∏/180))=0.785366222

 

  又因为基圆齿距Pb=p cos a=∏m cos a=1.476065717

 

  所以,基圆齿槽宽eb1=p b-sb1=1.476065717-0.935796436=0.540269281

 

  eb2=p b-sb2=1.476065717-0.785366222=0.690699495

 

  从而步骤六中旋转角度

 

  θ1=e b1x360°/∏db=(0.540269281 x 360°)/(∏x5.5xcos20°)=11.978829870θ2=eb2x360°/∏db=(0.690699495 x 360°)/(∏x12xcos20°)=7.0189912990

 

  上述计算方法是由渐开线的生成机理推导出来的,渐开线是从基圆上开始延伸,所以要在基圆上进行计算。

 

  3.2.3件4行星架的设计

 

  行星架是行星齿轮传动的基本构件之一,结构复杂而多样,其设计正确与否直接影响传动质效果。行星架受力十分复杂,除具有一定的强度外,对其刚度要求较高,因为刚度直接影响传动齿轮间载荷均匀分配程度,也影响载荷沿齿宽方向的分布。另外对于起动频繁的传动或高速传动、定位测量传动,还应具有良好的起停功能。目前行星架设计的方法有好几种,方案一:传统的设计方法是所谓柔度法,该方法针对一系列结构参数及按经验初定一系列设计参数进行校核设计计算,因此设计比较粗糙,但具有一定的实用性。方案二:提出用有限元方法分析行星架并针对重量最轻化进行了优化设计,但计算量较大。又提出了一种模糊可靠性模型,以该模型为基础,针对质量最轻化进行优化设计。

 

  1.数学模型

 

  如图3-20为行星架计算模型图,图3-21为沿rn,半展开图。

 

  图3-20

 

  图3-21

 

  由理论力学可知其对旋转轴线的转动惯量为两侧板和联结板对旋转轴线的转动惯量之和。如图3-22可分析联结板对轴线的转动惯量。

 

  由AB=b,CD=a,OA=R,OC=Rn

 

  θ=

 

  I=r2lÞrθdr

 

  =Þl[4(1)(b-a)(R+Rn)(R2+R2n)]+3(1)(a.R-b.Rn)(R2+R.Rn+R2n)]

 

  约束条件:Fn(Δ)<=[δ]

 

  P—行星架材料密度,Rn—行星架内圆半径,R—行星架外圆半径,L—行星架总长,b一联结板上弧长,a—联结板下弧长,Np—行星轮个数,[δ]—许用柔度。

 

  图3-22

 

  采用约束优化设计的复合形法,基本思想是:在n维设计空间的约束可行域内,由kn+1个顶点所构成的多面体,复合形法就是在n维设计空间的约束可行域内,对复合形各顶点的目标函数值进行比较,不断的去掉最坏点,代之以既能使目标函数值有所下降,又满足所有约束条件的新点,

 

  Proe设计:其基本跟上述的齿轮2与齿轮3的基本画法差不多,这里就不多说。

 

  3.2.4驱动轮5设计

 

  遇障碍玩具车的调向原理

 

  轮5为驱使玩具车运动的驱动轮,本装置放在玩具车的前部,玩具车的前轮实际上是悬空的,并不着地,而后轮虽然着地,却是随动的。由于该轮系为具有两个自由度的差动轮系,故玩具车的运动将受最小阻力定律的支配,当玩具车的前进方向受阻时,两个驱动轮5将打滑,使行星架回转,即改变了玩具车的前进方向,若该方向没有障碍物,玩具车即沿该方向前进。

 

  遇障碍玩具车设计

 

  ★步骤一:建立文件

 

  新建一个零件模型,命名为“houlun.prt",单位采用“

 

  ★步骤二:拉伸出轮毅基体

 

  ①选择下拉菜单【插入】一【拉伸】命令。

 

  ②在系统弹出的拉伸操控板中输入拉伸厚度为“1 Omm",mmns_part_solid”。

 

  单击放置面板中的【定义】按钮,打开【草绘】对话框。选择TOP基准面为草绘平面,RIGHT基准面为视图方向参照。

 

  ③单击【草绘】命令,进入二维草绘环境。绘制一直径为26mm的圆。完毕之后,单击√按钮,返回拉伸特征操作面板。单击按钮√,完成拉伸特征的建立。

 

  ★步骤三:使用壳工具,建立壳特征

 

  单击常用工具栏按钮,系统将弹出壳特征操控板。在壳厚度框中输入1,按回车键。单击面板中的【参照】按钮,选取上一步创建的轮毅基体的任一端面。完毕

 

  后单击斌{按钮,完成壳特征的创建。

 

  ★步骤四:拉伸出轴中心特征

 

  使用拉伸工具,拉伸。

 

  ★步骤五:打轴孔

 

  单击常用工具栏按钮,系统将弹出孔特征操控板。点击【放置】按钮,在弹出的面板中的【主参照】内左击一下,接着在主工作区点选步骤四中生成的拉伸特征的端面,然后在【主参照】右侧的下拉选择栏中选择同轴,此时【主参照】【次参照】变亮,表示选中,接着在主工区深度为7,如图3-72所示。最后单击中选择A2基准轴。最后输入孔直径为2,完成孔特征的创建。

 

  ★步骤六:创建筋特征,建立轮毅的支撑

 

  单击常用工具栏按钮,系统弹出筋操控板,单击【参照】一【定义】按钮,设置FRONT基准面为草绘平面,RIGHT基准面为参照平面,绘制一条直线,绘制完毕后单击d,返回筋特征操控板。单击√按钮,完成拉伸特征的建立。

 

  ★步骤七:阵列筋

 

  在模型树中右击上一步创建的筋,在弹出的菜单中选择【阵列】命令,阵列类型为“轴”,并选择孔的中心轴作为参照,阵列个数为“4"。

 

  ★步骤八:建立与轮胎外围相配合的拉伸

 

  单击常用工具栏按钮,设置轮毅基体为打孔的一侧为草绘平面,RIGHT基准平面为参照平面:在二维草绘环境中绘制与轮毅圆同心的环,外圆直径为20mm,内圆

 

  直径为18mm;深度为lmm,方向为向外拉伸出实体。

 

  ★步骤九:建立轴中心实体特征

 

  单击常用工具栏按钮,选择步骤八中创建的挡板内端面为草绘平面,FRONT基准平面为参考平面,建立一直径为4mm,高12mm的圆柱。

 

  ★步骤十:打轴孔

 

  在上一步创建的轴中心实体特征中打出一直径为1.5mm,深7mm的轴孔。

 

  3.2.5轮1设计

 

  轮1的驱动原理

 

  与轮5不同,轮1是通过电动机来进行驱动的。

 

  轮1的设计大致与轮5相似

 

  第四章遇障碍玩具车的路径规划

 

  4.1路径规划的实现

 

  遇障碍调向玩具车路径规划主要解决3个问题:(1)使玩具车能从初始点运动到目标点;(2)用一定的算法计算玩具车绕开障碍物,并且经过某些必须经过的点完成相应的作业任务;(3)在完成以上任务的前提下,尽量优化玩具车运行轨迹。如何能从初始点运动到目标点。玩具车的车体山两个驱动前轮以及后轮组成。对驱动轮的轮载周长与两轮的间距进行测量,测量结果为轮载周长20.5cm,两轮间距13cm。玩具车遇障碍调向采取轮5的打滑,而使行星架回转,从而达到玩具车调向的目的。根据圆的周长公式可以计算出转过90度时通过的过程,亦以两轮半径转过圈,=20.4cm。所以单轮转过一圈,玩具车能转90度。依照这种关系,简化路径规划的复杂度以小车为中心的一周8个方向的运动分别是前进、左转45度、左转90度、左转135度、后退、右转135度、右转90度、右转45度。要控制车轮的旋转圈数,需要借助槽型光电传感器和码盘,码盘的码道上按一定规律排列的空心和实心部分,实心部分对光电传感器会有遮挡,因此当车轮转动时会产生周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,此过程通过单片机的外部中断实现,选用的码盘有10个空心部分,也就是说当计数为10的时候车轮正好转过一周,以此类推45度、90度、135度的计数分别是5、10、150。

 

  选定x轴的正方向为参考正方向,如图4-1所示:

 

  图4-1

 

  每一次判断都选择这一方向为前进的方向,所以在进行每次的运动至下一坐标位置之后,最终要转回参考正方向再进行下一次的判定。选定第一个坐标点为原点为出发点,通过比较下一坐标点与当前坐标点的差别来判断下一步的运动方向。记当前点的坐标为(X0,Y0),下一点的坐标为(X,Y)。ΔX=X-X0,ΔY=Y Y0。如果△X>=1,ΔY=0则前进;如果△X>=1,ΔY<=-1则左转45度;如果△X=0,

 

  ΔY<=-1则左转90度;如果△X<=-1,ΔY<=-1则左转135度;如果△X<=-1,ΔY=0则后退;如果△X<=-1,ΔY>=11则右转135度;如果△X=0,ΔY=1则右转90度;如果ΔX>=1,ΔY>=1则右转45度。至于两个坐标点之间行驶路程的长短,先用两点间的距离公式计算出前后两个坐标点之间的实际距离l再通过单片机的定时器。,设定一个时长T,即默认的行驶时间。而实际的行驶时间为LXT,这样就可以利用改变T来达到改变比例关系的目的。当PC上位机给出按照轨迹进行运动的命令(数字7),车载单片机会对先前的数组track[]={10,50,35,26,68,26,68,46,87,55}进行提取坐标操作,得到5个坐标点(10,50),(35,26),(68,26),(68,46),(87,55)。根据制定的规则判断后,小车完成路径规划运动的动作是左转45度行驶、前进行驶、右转90度行驶、右转45度行驶、停

 

  第五章系统的总体设计方案

 

  5.1总体功能分析

 

  功能性是指玩具所具备的使用价值。它通过针对不同的年龄的儿童需求,在考虑满足父母愿望的基础上,利用外观造型、色彩、工艺技术来加以实现。此款玩具车的功能特点是,一、是具有行进玩耍的功能;二、是尾部具有靠背和把手的功能;三、是遇障碍能自动调向功能。车身部分内部为敞开式空间,儿童可以将不需要的玩具通过前部投入车身,两面为透明设计,并设开关儿童可以随意打开取出玩具。3-6岁是儿童的性格形成期,他们的行为能力提升、动作细化、热爱角色扮演的成长期。家长可以在儿童玩玩具的同时,从孩子们习惯了的和喜欢的行为方式入手,依照儿童的兴趣,引导他们收纳玩具的好习惯。

 

  遇障碍能自动调向玩具车在遇到障碍物时两个驱动轮5将打滑,使行星架回转,即改变了玩具车的前进方向,若该方向没有障碍物,玩具车即沿该方向前进。本装置放在玩具车的前部,玩具车的前轮实际上是悬空的,并不着地,而后轮虽然着地,却是随动的。由于该轮系为具有两个自由度的差动轮系,故玩具车的运动将受最小阻力定律的支配。因此此玩具车在遇到障碍物时能很好的调向。

 

  5.2系统的总体框图

 

  系统整体以轮5为中心,包含了圆柱齿轮3与端面齿轮2,行星架4以及用于由电动机和发条驱动的轮1组成。当遇到障碍物时,以轮5为中心,轮5进行打滑而使行星架4回转而使玩具车发生调向,在此过程中,圆柱齿轮3与端面齿轮2发生锥齿轮传动,齿轮1在电动机与发条的驱动下工作。遇障碍能自动调向玩具车的总体框图如图5-1所示:

 

  图5-1自动调向玩具车的总体框图

 

  5.3系统的安全性

 

  5.3.1遇障碍自动调向玩具车对人安全性分析

 

  国内儿童玩具车分类众多,有功能类、交通类、益智类、拼板类等等,但经调查显示交通儿童玩具类位居前列,儿童对火车、汽车及各种工程车的构造的认知以及拆卸组装都十分感兴趣。前儿童玩具车存在的问题,在造型上与国外相比缺乏新颖性,在功能开发上不够完善,尤其是安全性的问题比较严重。存在安全性的问题:“凶手”之一铅,铅是目前公认的影响中枢神经系统发育的环境毒素之一;“凶手”之二—噪音,医学专家们近年发现,随着新奇玩具的大量出现,尤其是噪音大的玩具,对婴幼儿的听力危害越来越大;“凶手”之三—重金属。有些玩具为了显得有档次而在其表面用金属材料,事实上这对儿童的危害是相当大的。在玩具车设计中注入人性化设计理念,将达到人机和谐统一的一面。人性化设计是“以人为本”的设计,从而建立起产品与人之间的情感关系。

 

  5.3.2遇障碍自动调向玩具车自身安全性分析

 

  本次设计的遇障碍自能调向的玩具车采用都是节能环保型性材料、轻便易携带,而且防摔,所以其安全性比较高,继而其使用的寿命比较长。因此,本次设计的遇障碍小车的整体性价比较高。

 

  5.4遇障碍自动调向玩具车的材料分析

 

  儿童产品设计应选用轻便又舒适的材料。不宜采用过重的材料,过重的产品不利于儿童携带与使用,儿童自我保护能力较弱,易受伤害,安全性是儿童产品选材必须重视的问题。因此,儿童产品材料的选用必须经过严格的检验,禁止选用含有毒元素超标的材料。总之,儿童产品的人性化设计将越来越受到人们的重视,将更多的人文关怀融入儿童这个群体中

 

  第六章总结

 

  本课题主要是就遇障碍自动调向玩具车进行整体的功能设计和外形设计并进行运动仿真。现在就主要内容进行一下总结。(1)就惯性机芯的参数之间的关系进行一下理论分析,并得出惯性玩具车在一次加速能行走的距离与惯性机芯个参数之间的关系,为后面的结构设计打下了基础。(2)对整个玩具车的宏观架构进行了分析并设计出各个零件。但由于不能得到具体细致的数据而导致零件的设计非常粗糙,不能直接应用与生产实际。另一方面,对Pro/E软件掌握的不够熟练也导致了设计的粗糙,不能用更精细的命令来设计零件,这是个很大的缺憾(3)对玩具车的路径进行规划,(4)运动仿真。在这部分花费了特别多的时间,主要是刚开始遇到了一些困难。人眼的错觉导致我没能理解所遇到的问题(齿轮转动的时候呈现出与设定方向相反的运动)的实质,而问题的解决也源于偶然想到飞驰的汽车的轮胎在人眼中是往后转的,并最终理解了帧频和人眼的分辨力的要相配合的问题。(5)系统的整体设计包含系统功能、安全性分析等等。

 

  现在在回头看看我做的这个设计,感觉做的还远不够。这里涉及的问题太多,每一个的问题都需要花费很长的时间才能理解领悟,要做到真正的掌握这些知识就不是大学四年的时间所能做到的了。同时我也深刻理解了做科研很艰难的原因,要想真正的在机械行业有所成就花费一生的努力恐怕都不够,更何况现在遇到的实际问题需要多学科的知识。比如在本设计中,在设计遇障碍自动调向玩具车之前首先要对市场需求及市场现状进行调研、分析,还要研究人需要什么样的玩具车,在开始设计后,还要明确什么样外观的玩具车更受欢迎,什么结构的玩具车更结实,如此等等,还有许多的问题是未知的。作为汽车学科的毕业生,我只要运用自己掌握的机械方面的知识就够了,但由于能力有限,也决定了设计的成果也是很有限的。总之,我感觉要学的东西很多很多。回想这过去的三个月里做设计的情形,感觉很苦。做设计真不是一件容易的事,它需要耐得住寂寞,不怕枯燥的折磨。在这三个月里,自己遇到了很多困难,有时候就感觉这困难是无论如何也解决不了了,甚至想放弃了,但最后还是问题还是解决了。这个时候自己心里真是百般滋味,有苦也有甜。不管怎样,我会一直努力下去。

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