無碳小車設計制作極其作用

無碳小車設計制作極其作用

機械專業是一個理論和實踐相結合的專業，它要求學生既要有堅實的理論基礎，又要有較強的實踐動手能力。機械專業包括機械設計和機械制造兩個方向，它要求學生既具備工程力學、工程材料、機械原理、機械設計等理論知識，又具備CAE（計算機輔助分析）、CAD（計算機輔助設計）和樣機的加工制作等實踐動手能力。

全國大學生工程訓練綜合能力競賽為鍛煉和提高機械專業學生的專業能力提供了一個很好的平臺。如圖1所示，根據競賽要求，參賽學生需設計制作一輛靠重力驅動的三輪小車，沿S形或8字形軌跡行走，繞過按一定距離擺放的小樁，繞過小樁的數量多并且行走的距離遠的小車獲勝。無碳小車的設計制作對提高機械專業學生的實踐動手能力具有十分重要的作用，是培養和提高學生專業能力的有效途徑。

本文以S形軌跡的無碳小車的設計制作為例，闡述了無碳小車的機構設計、結構設計、加工制作和安裝調試等對提高機械專業學生實踐動手和專業能力的作用。

小車的機構設計

機械設計的第一步就是轉向的機構設計。這包括機構的選型、設計和分析。能夠實現S形的運動軌跡的機構很多，包括曲柄滑塊機構、曲柄導桿機構、曲柄搖桿機構、凸輪機構、齒輪機構等。本文設計的無碳小車的轉向機構采用的是曲柄滑塊連桿機構，如圖2所示。

其中，驅動輪的半徑為R，曲柄半徑為r1，驅動軸上齒輪和曲柄上齒輪的傳動比為i，驅動輪和和轉向輪的距離為b，連桿的長度分別為l1，l2，和c。

曲柄旋轉一周，小車走過一個周期的軌跡的長度S為：

圖1　S形軌跡示意圖

圖2　小車轉向機構示意圖

圖3　r1=0.01，ii=3.2

圖4　r1=0.05，ii=3.2

通過以上公式，建立小車的運動方程，然后用Matlab對小車的運動軌跡進行仿真分析，結果如圖3、圖4所示。用過改變機構的參數，可以改變小車的運動軌跡。找到最優的軌跡，從而確定小車轉向機構的參數。

小車轉向結構的參數確定以后，為了進一步驗證機構參數，避免和減少后面無效的工作，可以用慧魚模型對小車轉向機構參數和運動軌跡進行實物仿真和驗證。

通過對機構的選型、設計和參數的確定，學生對機構設計的方法和步驟就會有一個更為清晰和深入的認識。這對提高學生機構設計和分析的能力具有十分重要的作用。

小車的結構設計

機構參數確定后，就要開始根據機構參數對小車進行結構設計。結構設計的第一步是進行總體設計，確定小車的整體尺寸和結構布局。然后根據整體設計，選擇和確定軸承、軸承座、直線導軌、滑塊、齒輪等標準件的型號和尺寸。然后，在考慮材料、加工、強度、配合、定位、固定、裝配的前提下，對非標準件進行結構設計，用CAD軟件對非標零件進行建模，畫出相應的零件圖和裝配圖，如圖5所示。通過小車的結構設計，學生對結構設計的方法和步驟會有一個更為清晰和深入的認識。特別是通過對小車的布局、尺寸、安裝、定位、材料和加工等的全面考慮，可以大大提高學生分析解決問題和解決問題的能力。

圖5　小車裝配圖

小車的制作、安裝和調試

小車設計完成后，就要對小車進行加工、制作、安裝和調試了。在這一過程中，學生們往往會發現很多的問題，包括設計、材料、加工和裝配等方面的問題。往往需要反復修改、甚至重新設計，這一過程對學生能力的鍛煉和提高是非常大的。裝配完成后，通過調試，可以對小車的運動仿真軌跡進行驗證，從而加深對機構設計的認識。通過結構設計，學生還能體會到作為工程師應具備的嚴謹的態度和作風。

結語

通過無碳小車的機構設計、結構設計、加工制作和安裝調試等，學生在機械設計、分析、加工和樣機制作等方面的能力得到了鍛煉，學生的分析問題、解決問題和實踐動手能力得到很大的提高，這對他們將來的專業學習和專業工作十分有益，也為他們積累了十分寶貴的經驗。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.001