無碳小車設計制作極其作用

機械專業(yè)是一個理論和實踐相結合的專業(yè)，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(yè)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(yè)學生的專業(yè)能力提供了一個很好的平臺。如圖1所示，根據(jù)競賽要求，參賽學生需設計制作一輛靠重力驅(qū)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(shù)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(yè)學生的實踐動手能力具有十分重要的作用，是培養(yǎng)和提高學生專業(yè)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(diào)試等對提高機械專業(yè)學生實踐動手和專業(yè)能力的作用。

小車的機構設計

機械設計的第一步就是轉(zhuǎn)向的機構設計。這包括機構的選型、設計和分析。能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhuǎn)向機構采用的是曲柄滑塊連桿機構，如圖2所示。

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

曲柄旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)，可以改變小車的運動軌跡。找到最優(yōu)的軌跡，從而確定小車轉(zhuǎn)向機構的參數(shù)。

小車轉(zhuǎn)向結構的參數(shù)確定以后，為了進一步驗證機構參數(shù)，避免和減少后面無效的工作，可以用慧魚模型對小車轉(zhuǎn)向機構參數(shù)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(shù)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(shù)確定后，就要開始根據(jù)機構參數(shù)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(jù)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(diào)試

小車設計完成后，就要對小車進行加工、制作、安裝和調(diào)試了。在這一過程中，學生們往往會發(fā)現(xiàn)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(diào)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?shù)膽B(tài)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(diào)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(yè)學習和專業(yè)工作十分有益，也為他們積累了十分寶貴的經(jīng)驗。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.001