無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(一等獎(jiǎng)作品)

1、第二屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)參賽者：龔雪飛 趙鵬飛 劉述亮指導(dǎo)老師：朱政強(qiáng)戴莉莉2011-1-16摘要第二屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題主題為“無(wú)碳小車”。在設(shè)計(jì)小車過(guò)程中特別注重設(shè)計(jì)的方法，力求通過(guò)對(duì)命題的分析得到清晰開(kāi)闊的設(shè) 計(jì)思路；作品的設(shè)計(jì)做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮材 料、加工、制造成本等給方面因素。我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)發(fā)明理論方法；采用了 MATLABPRO等軟件輔助設(shè)計(jì)。我們把小車的設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段：方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、制作調(diào)試。通過(guò) 每一階段的深入分析、層層把關(guān)，是我們的設(shè)計(jì)盡可能向最優(yōu)設(shè)計(jì)靠攏。

2、方案設(shè)計(jì)階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機(jī)器的構(gòu)成（原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分別針 對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合對(duì)比選擇出最優(yōu)的方案組合。 我們的 方案為：車架采用三角底板式、原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了錐形軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪或 沒(méi)有該機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿、行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速、 微調(diào) 機(jī)構(gòu)采用微調(diào)螺母螺釘。其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用了調(diào)心軸承、關(guān)節(jié)軸承。技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對(duì)方案建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，借助MATLA分別進(jìn)行了能耗規(guī)律分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、靈敏度分析。進(jìn)而

3、得出了 小車的具體參數(shù)，和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。接著應(yīng)用 PRO歆件進(jìn)行了小車的實(shí)體建模和 部分運(yùn)動(dòng)仿真。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，綜合考 慮零件材料性能、加工工藝、成本等。小車大多是零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購(gòu)買(mǎi)，同時(shí)除部分要求加工精度高的部分 需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過(guò)手工加工出來(lái)。對(duì)于塑料會(huì)采用自制的電 鋸切割。因?yàn)樾≤囀芰Χ疾淮?，因此大量采用膠接，簡(jiǎn)化零件及零件裝配。 調(diào)試過(guò)程會(huì)通過(guò)微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證小 車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律同時(shí)確定小車最優(yōu)的參數(shù)。關(guān)鍵字：無(wú)碳小車參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)微調(diào)機(jī)構(gòu)靈敏度分析10錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽 錯(cuò)誤！未定

4、義書(shū)簽 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽?zāi)夸浾痪w論1.1本屆競(jìng)賽命題主題1.2小車功能設(shè)計(jì)要求1.3小車整體設(shè)計(jì)要求1.4小車的設(shè)計(jì)方法 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽二方案設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.1車架 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.5行走機(jī)構(gòu) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽2.6微調(diào)機(jī)構(gòu) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽三技術(shù)設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.1建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.2零部件設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽3.3整體設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽錯(cuò)誤

5、！未定義書(shū)簽錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽四小車制作調(diào)試及改進(jìn) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4.1小車制作流程 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽詳見(jiàn)工藝分析方案報(bào)告 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4.2小車調(diào)試方法 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽4.3小車改進(jìn)方法 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽五評(píng)價(jià)分析 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽5.1小車優(yōu)缺點(diǎn) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽5.2自動(dòng)行走比賽時(shí)的前行距離估計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽5.3改進(jìn)方向 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽六參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽七附錄 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽7.1裝配圖 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽7.2耗能分析程序 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽7.3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽7.4動(dòng)力學(xué)分析程序 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽7.5靈敏度分析程序 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽一緒論1.

6、1本屆競(jìng)賽命題主題本屆競(jìng)賽命題主題為“無(wú)碳小車”。命題與高校工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接, 體現(xiàn)綜合性工程能力。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際 操作能力和工程管理能力”四個(gè)方面的要求。1.2小車功能設(shè)計(jì)要求給定一重力勢(shì)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī) 械能并可用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該自行小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開(kāi)賽道上 設(shè)置的障礙物（每間隔1米，放置一個(gè)直徑20mm高200mm勺彈性障礙圓棒） 以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開(kāi)障礙的多少來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。給定重力勢(shì)能為5焦耳（取g=10m/s2）,競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（© 50X 65 mm普通碳鋼

7、）鉛垂下降來(lái)獲得，落差 500± 2mm重塊落下后， 須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。要求小車前行過(guò)程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材 料選用均由參賽者自主設(shè)計(jì)完成。 要求滿足：小車上面要裝載一件外形尺寸 為60X 20 mm的實(shí)心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于 750克； 在小車行走過(guò)程中，載荷不允許掉落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm1.3小車整體設(shè)計(jì)要求小車設(shè)計(jì)過(guò)程中需要完成：機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)成本分析和 工程管理方案設(shè)計(jì)。命題中的工程管理能

8、力項(xiàng)要求綜合考慮材料、加工、制造 成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)劃。設(shè)計(jì)能力項(xiàng)要求對(duì)參賽作品的設(shè)計(jì) 具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項(xiàng)以要求綜合運(yùn)用加工制造工藝 知識(shí)的能力為主。1.4小車的設(shè)計(jì)方法小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，通過(guò)對(duì)命題的分析我們得到了比較清晰 開(kāi)闊的設(shè)計(jì)思路。作品的設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要 綜合考慮材料、加工、制造成本等給方面因素。小車的設(shè)計(jì)是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)方法上我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)發(fā)明理論方法。 采用了 MATLABPROE等軟件輔助設(shè)計(jì)。下面是我們?cè)O(shè)計(jì)小車的流程（如圖一）建模分新初步參致確定明

9、確小辛前任務(wù)要求迭擇材料 確定尺寸評(píng)價(jià)加工制作改進(jìn)方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)制作調(diào)試圖一方案設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、 自動(dòng)避開(kāi)障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為 五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行 走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè) 模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。下面為我們?cè)O(shè)計(jì)圖框（圖二）車lCM角底板堿二1架骨架式廠贛I能式 讎輪式侍 動(dòng) 機(jī) 構(gòu)直齒輪ki safe芾輪;不用附加傳動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)凸輪屆桿曲柄連桿+搖桿曲柄II H轉(zhuǎn)頁(yè)二|圓柱凸輪晉通凸輪微 調(diào) 機(jī) 構(gòu)I廣1

10、雙輪同步I廣 卜卜雙輪務(wù)羸茹+ I J幀驅(qū)動(dòng))J圖二在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)減少高副減少內(nèi) 部摩擦 損耗減少料軸軸 祇等直徑減少與 地面的 摩擦損 耗減刃卜車重單保證零件精 度選擇適當(dāng)?shù)?材料充分潤(rùn)滑増大輪子的學(xué)徑可根據(jù)不同的地面調(diào)整驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)避開(kāi)障礙多保證加工裝配精L度對(duì)小車行走影響 較靈繳的零部件 尺寸可徴調(diào)圖三2.1車架車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用 木材加工制作成三角底板式?？梢酝ㄟ^(guò)回收廢木材獲得，已加工。2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作

11、用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。能實(shí)現(xiàn)這一功 能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的 具體要求。1.驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過(guò)大傾翻， 或重塊晃動(dòng)厲害 影響行走。2.到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小， 避免對(duì)小車過(guò)大的 沖擊。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上， 如果重塊豎直方向 的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的 場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場(chǎng)地小車是需要的動(dòng)力也不一 樣。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不 同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。4.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高?；?/p>

12、于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)。如下圖四動(dòng)力辛由圖四如上圖我們可以通過(guò)改變繩子繞在繩輪上不同位置來(lái)改變其輸出的動(dòng)力2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。1. 不用其它額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方 式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。2. 帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及 傳動(dòng)精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。3. 齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高。因此

13、在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分， 直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也 同樣需要盡可能的減少摩擦耗能， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，同時(shí) 還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)， 帶動(dòng) 轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu) +搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件， 它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)高副接觸可以 使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)， 而且結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊

14、、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設(shè)計(jì)中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度 也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動(dòng)摩擦）因此不采用曲柄連桿+搖桿優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小， 制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的， 它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為 復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往比較 多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而 且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安

15、裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所長(zhǎng)生的慣性力難以平衡， 在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載 荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。在本小車設(shè)計(jì)中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，利用 MATLA進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)并不困難，加上 個(gè)鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。 對(duì)于安裝誤差的敏感性問(wèn)題 我們可以增加微調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)解決。曲柄搖桿結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但和凸輪一樣有一個(gè)滑動(dòng)的摩擦副， 其效率低。其急回特 性導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎差速拐是利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動(dòng)半 徑不一樣，從而使兩個(gè)輪子的

16、速度不一樣， 產(chǎn)生了差速。小車通過(guò)差速實(shí)現(xiàn)拐 彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)方案。 和凸輪同樣，對(duì)輪子的 加工精度要求很高，加工出來(lái)后也無(wú)法根據(jù)需要來(lái)調(diào)整輪子的尺寸。 （由于加 工和裝配的誤差是不可避免的）綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。2.5行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要 綜合考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為M = N對(duì)于相同的材料：為一定值。f = M = N 專而滾動(dòng)摩擦阻力 f RR ，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問(wèn)題材料問(wèn)題安裝問(wèn)題等等具體尺寸需 要進(jìn)一步分析

17、確定。由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪可以采用雙 輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì) 損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過(guò)多的約束，無(wú)法確定其軌跡，不能夠有效 避免碰到障礙。雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題， 可以通過(guò)差速器或單向 軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時(shí) 能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個(gè)輪子速度較大時(shí) 便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。但由于單向軸 承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過(guò)程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確， 但

18、影響有 多大會(huì)不會(huì)影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。 就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn) 動(dòng)約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動(dòng)精 度比利用單向軸承高。綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽纾?可以如果有條件可以通過(guò)實(shí)驗(yàn) 來(lái)確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動(dòng)。2.6微調(diào)機(jī)構(gòu)一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。 微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿 +搖桿方 案，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于加工誤差和裝配誤差很敏

19、感， 因此就必須加上微調(diào) 機(jī)構(gòu)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一， 其二是為了調(diào)整小車 的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用下面兩種方式微調(diào)螺母式、滑塊式如圖五冬五由于理論分析與實(shí)際情況有差距，只能通過(guò)理論分析得出較優(yōu)的方案而不能 得到最優(yōu)的方案。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的小車，通過(guò)小部分的改動(dòng)便可 以改裝成其它方案，再通過(guò)試驗(yàn)比較得到最優(yōu)的小車。三技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是完成詳細(xì)設(shè)計(jì)確定個(gè)零部件的的尺寸。設(shè)計(jì)的同時(shí)綜合考慮材料加工成本等各因素。3.1建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定通過(guò)對(duì)小車建立數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)， 提高 設(shè)計(jì)

20、的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)在輔助設(shè)計(jì)中的作用。為了簡(jiǎn)化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機(jī)理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為1 一 ，即小車能量的傳遞效率為 。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，理想情況 下認(rèn)為重塊的重力勢(shì)能都用在小車克服阻力前進(jìn)上。則有3N *5瓦肯3 = £mghi =13' N廠m總gi=1Ni為第i個(gè)輪子對(duì)地面的壓力Ri為第i個(gè)輪子的半徑。Si為第i個(gè)輪子行走的距離m總為小車總質(zhì)量為了更全面的理解小車的各個(gè)參數(shù)變化對(duì)小車前進(jìn)距離的變化下面分別從1.輪子與地面的滾動(dòng)摩阻系數(shù)、2.輪子的半徑、3.小車的重量、4.小車能量轉(zhuǎn)換效率。四方面考慮。通過(guò)查閱資料知道一般

21、材料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。下圖為當(dāng)車輪半徑分別為（222mm 70mm摩阻系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5.mm 時(shí)小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖（圖六）有上圖六可知滾動(dòng)摩阻系數(shù)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)影響非常顯著，因此在設(shè)計(jì)小車 時(shí)也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可 能小。同時(shí)可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進(jìn)的距離也提高 一倍。因此應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，充分潤(rùn)滑。圖七為當(dāng)摩阻系數(shù)為0.5mm車輪半徑依次增加10mm寸的小車行走的距 離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖350.55 a e0 B5 0.70.750.S0 S6

22、 0 9 95小車驅(qū)動(dòng)效率305O小車前送的距離50.550.60.650.70.750.30.S50.90.951圖六454036302520151Q小車前進(jìn)的距離5 QU圖七由圖可知當(dāng)小車的半徑每增加1cm小車便可多前進(jìn)1m到2m因此在設(shè)計(jì) 時(shí)應(yīng)考慮盡可能增大輪子的半徑。2520151050050.55060.65070750.80850.90 951小車前進(jìn)的距離符號(hào)說(shuō)明：驅(qū)動(dòng)輪半徑齒輪傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距-驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距驅(qū)動(dòng)軸（軸2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離曲柄軸（軸1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑搖桿長(zhǎng)連桿長(zhǎng)軸的繩輪半徑r2a、驅(qū)動(dòng):當(dāng)重物下降dh時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸（軸2）轉(zhuǎn)過(guò)

23、的角度為d®，則有dh則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過(guò)的角度小車移動(dòng)的距離為（以A輪為參考）ds 二 R d 2b、轉(zhuǎn)向：當(dāng)轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動(dòng)軸間的夾角:為時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為十則與二i滿足以下關(guān)：2 2 2 2I 二 c T cos： b c sin ： - r1 sin =解上述方程可得“與的函數(shù)關(guān)系式f耳）C、小車行走軌跡只有A輪為驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)角度:時(shí)，如圖:則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為25tan:小車行走ds過(guò)程中，小車整體轉(zhuǎn)過(guò)的角度ds當(dāng)小車轉(zhuǎn)過(guò)的角度為'時(shí)，有dx 二-ds sin dy 二 ds cosd、小車其他輪的軌跡以輪A為參考，則在小車的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，B的坐標(biāo)B - 去

24、，0C的坐標(biāo)C -a,d在地面坐標(biāo)系中，有xB 二 xA - 佝 a2） cos 壯二杯 - （aa2）sinxC = xA - 印 cos ： - d sin - yC = yA d cos - a1 sin整理上述表達(dá)式有：dhipdspyBXccoyc8解方6532121XB小2l2-0 4-0.2022222c (1- cos ) (b e sin ： - r1 sin r)r1 cosba1tan:dx 二-ds sindy 二 ds cos通過(guò)設(shè)定合理的參數(shù)的成Xa _ (a + a2) cosP yA - 佝 + a2)sii為求解方程，把上述微分方程改到了小車運(yùn)動(dòng)軌跡如（圖六）

25、xA - 6 cosP - dyA _ a1 sin R + da、驅(qū)動(dòng)41如圖：重物以加速度向下加速運(yùn)動(dòng)，繩子拉力為 T,有T 二 m（g - a）產(chǎn)生的扭矩M 2二T' 1，（其中1是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)。）驅(qū)動(dòng)輪受到的力矩Ma，曲柄輪受到的扭矩M1，Na為驅(qū)動(dòng)輪A受 到的壓力，F(xiàn)a為驅(qū)動(dòng)輪A提供的動(dòng)力，有M 1M A M 2 匕i（其中血是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)）M A = Na Fa Rb、轉(zhuǎn)向假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為MC，其大小可由赫茲公式求得,Nc 1BRcNc =c B 2b由于b比較小，故Mj 丁cbB2對(duì)于連桿的拉力Fc，有si

26、ng =r1 sin 刁小兀.c （1 一 cos。）日 c =« - arcsi n 12l coc2M c 二 Fc COS 二 c2 c sin 二“M i 二 Fc c sin（， J c2 ）c、小車行走受力分析設(shè)小車慣量為I，質(zhì)心在則此時(shí)對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心 0的慣量為II m( ' Aa2 a32（平行軸定理）FaLrc?A-ai2) d2NBNTS小車的加速度為：3 A = aR r2整理上述表達(dá)式得:=21飛 + F嘰1B&-從 °-+ ）Eg - 3 2bM £槪（g -氏）-T r2 打Q （1 cos ）a - arcsin 2I

27、cos /M = F 、cos 3 c sin 8tft jt |lM1 = Ft c - sin（ $ + 0也）V 1 + mpA - ax）2 + a3a（Pa - al 十日 _ 3/ _ 如 _ 5） r,R小車一旦設(shè)計(jì)出來(lái)在不改變其參數(shù)的條件下小車的軌跡就已經(jīng)確定，但由于加工誤差和裝配誤差的存在，裝配好小車后可能會(huì)出現(xiàn)其軌跡與預(yù)先設(shè)計(jì)的 軌跡有偏離，需要糾正。其次開(kāi)始設(shè)計(jì)的軌跡也許并不是最優(yōu)的，需要通過(guò)調(diào)試試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)路徑，著同樣需要改變小車的某些參數(shù)。為了得到改變不同 參數(shù)對(duì)小車運(yùn)行軌跡的影響，和指導(dǎo)如何調(diào)試這里對(duì)小車各個(gè)參數(shù)進(jìn)行靈敏度 分析。通過(guò)MATLABS程得到幅值周期方

28、向i-0.0117-0.09158528.135b176.5727-35.3795578.82R-0.316316.39132528.1437al1.465469-0.27592528.5547曲柄半徑23.71445-18.9437535.3565r1d0.040819-117.738528.1465轉(zhuǎn)向桿的-1.637693.525236527.5711長(zhǎng)連桿長(zhǎng)度-176.955-196.268477.3561單位：m轉(zhuǎn)向輪與曲柄軸軸心距b=0.15;搖桿長(zhǎng)c=0.06;驅(qū)動(dòng)輪直徑D=0.355;驅(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1=0.08驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2=0.08;驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的

29、距離d=0.18;曲柄長(zhǎng) r1=0.01347;繩輪半徑r2=0.0063.2零部件設(shè)計(jì)需加工的零件：a. 驅(qū)動(dòng)軸6061空心鋁合金管。外徑6mm內(nèi)徑3mmb. 車輪聚甲醛板(POM板材)。厚度：8mm規(guī)格尺寸：600*1200mm2.2可購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)件：a.單向離合器軸承2個(gè)型號(hào)Beari ng Number外型尺寸(mm)FC系列dDFC-6K(2)610b. RBL關(guān)節(jié)軸承 1 個(gè): SQ 5-RSC.調(diào)心球軸承1個(gè)軸承代號(hào)dDB1355196d .深溝球軸承1個(gè)型號(hào)內(nèi)徑(d)外徑(D)R85zz58d.圓柱直齒輪1對(duì)小齒輪：模數(shù)=1,齒數(shù)=15,外徑=17mm內(nèi)孔=3mm厚度：6.5mm

30、大齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=45,外徑=47mm內(nèi)徑=10mm 厚度=10mm材質(zhì)：夾布塑料3.3整體設(shè)計(jì)03550140218為了進(jìn)一步分析本方案的可行性，我們利用了 proe和MATLABS行了動(dòng)態(tài)仿真，詳見(jiàn)視頻。四小車制作調(diào)試及改進(jìn)4.1小車制作流程詳見(jiàn)工藝分析方案報(bào)告4.2小車調(diào)試方法小車的調(diào)試是個(gè)很重要的過(guò)程，有了大量的理論依據(jù)支撐，還必須用大量 的實(shí)踐去驗(yàn)證。小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容，如車速的快慢，繞過(guò)障礙物， 小車整體的協(xié)調(diào)性，小車前進(jìn)的距離等。（1）小車的速度的調(diào)試：通過(guò)小車在指定的賽道上行走，測(cè)量通過(guò)指定 點(diǎn)的時(shí)間，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小車后半程

31、速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動(dòng)軸，減小過(guò)大的 驅(qū)動(dòng)力同時(shí)也增大了小車前進(jìn)的距離。（2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個(gè)機(jī)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單，損耗能 量較少，但是避障不是很好，但與此同時(shí)，小車由于設(shè)計(jì)時(shí)采用了多組微調(diào)機(jī) 構(gòu)，通過(guò)觀察小車在指定賽道上行走時(shí)避障的特點(diǎn)， 微調(diào)螺母，慢慢小車避障 性能改善，并做好標(biāo)記。4.3小車改進(jìn)方法由于本組小車采用膠水黏貼各處，雖然少了許多的加工成本費(fèi)用，也避免 了能量的過(guò)多損耗，但小車會(huì)有時(shí)出現(xiàn)脫膠的現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)法前進(jìn)，于是想法 改進(jìn)，使小車能量損失減少，同時(shí)故障出現(xiàn)的次數(shù)減少，穩(wěn)定性能較好，避障 多，前進(jìn)遠(yuǎn)。另外，本組采用微調(diào)機(jī)構(gòu)，但通過(guò)計(jì)算

32、編程發(fā)現(xiàn)要求精度非常高，改變 0.001mm都可能使小車偏離原軌道，于是想法改進(jìn)使小車精度降低，加工成本 也減低。五評(píng)價(jià)分析5.1小車優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）小車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，單級(jí)齒輪傳動(dòng)，損耗能量少，（2）多處采用微調(diào)機(jī)構(gòu)，便于糾正軌跡，避開(kāi)障礙物,（3）采用大的驅(qū)動(dòng)輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)，（4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過(guò)快,缺點(diǎn)：小車精度要求高，使得加工零件成本高，以及微調(diào)各個(gè)機(jī)構(gòu)都很費(fèi)時(shí)，避障穩(wěn)定行差，時(shí)而偏左，時(shí)而偏右。5.2自動(dòng)行走比賽時(shí)的前行距離估計(jì)通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合，小車行走距離（包括繞開(kāi)障礙物）約5.3改進(jìn)方向小車最大的缺點(diǎn)是精度要求非常高，改進(jìn)小車的精度要求, 小車便

33、能達(dá)到很好的行走效果。20-25 米。使能調(diào)整簡(jiǎn)單,六參考文獻(xiàn)七附錄7.1裝配圖357.2耗能分析程序 clearclctic%符號(hào)定義%重物下降的高度h%小車行駛的路程s%內(nèi)部能耗系數(shù)ypxln=10000;h=0.5;nn=1000;ypxl=li nspace(0.5,1, n);R2=111/n n;R1=35/n n;m=1;g=9.8;mz=2;sgm=0.5/nn;for i=1:10% sgm=(0.1*i+0.2)/n n;%mz=1.75-0.2+0.2*i;R1=R1+20/n n;R2=R2+20/n n;s=ypxl*m*h/(mz*(1/R1+2/R2)*sgm);

34、s=s/1.0456;plot(ypxl,s);hold ongrid onendplot(0.5,0);53toe7.3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序cleareletie%符號(hào)定義%重物下降的高度h%驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)角度sd2%驅(qū)動(dòng)軸傳動(dòng)比ii%轉(zhuǎn)向輪軸心距b%轉(zhuǎn)向桿的長(zhǎng)e%專向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度af嗚區(qū)動(dòng)輪半徑R嗚區(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距al 嗚區(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2 嗚區(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的距離d%小車行駛的路程s%小車x方向的位移x%小車y方向的位移y%軌跡曲率半徑rou%曲柄半徑r1%繩輪半徑r2%參數(shù)輸入n=1000;h=li nspace(0,0.5, n);ii=3;b=0.15;R=0.111;嗚區(qū)動(dòng)

35、輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1a1=0.08;嗚區(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2a2=0.08;%曲柄半徑r1r1=0.01347;%繩輪半徑r2r2=0.006;嗚區(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的距離dd=0.18;%專向桿的長(zhǎng)cc=0.06;l=sqrt(bA2+r1A2)+(0.351)/1000;%(法g=-10;sd2=h/r2;sd仁 sd2/ii+pi/2;C=|A2-2*cA2-r1A2.*(cos(sd1)A2-(b-r1.*si n(sd1)A2;A=2.*c*(b-r1.*si n( sd1);B=-2*cA2;af=asi n(C./sqrt(A.A2+B.A2)-ata n( B./A);fo

36、rmat longrou=a1+(d)./(ta n(af);s=sd2*R;ds=s (2)-s(1);dbd=ds./(rou);bd=cumsum(dbd);dy=ds*cos(bd);dx=-ds*s in( bd);x=cumsum(dx);y=cumsum(dy);xb=x-(a1+a2).*cos(bd);yb=y-(a1+a2).*si n( bd);xc=x-a1*cos(bd)-d*s in( bd);yc=y-a1*si n( bd)+d*cos(bd);plot(x,y, 'b' ,xb,yb, 'b' ,xc,yc, 'm

37、9;); hold ongrid onfor i=1:9t=0:0.01:2*pi;xy=0.01*cos(t)-0.23;yy=0.01.*s in( t)+i;plot(xy,yy); hold on endtoc7.4動(dòng)力學(xué)分析程序clearclcticn=1000;h=li nspace(0,0.5, n);ii=3;b=0.15;R=0.111;嗚區(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1a1=0.08;嗚區(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2a2=0.08;%曲柄半徑r1r1=0.01347;%繩輪半徑r2r2=0.006;嗚區(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的距離dd=0.18;%轉(zhuǎn)向桿的長(zhǎng)cc=0.06;l=sqrt(b

38、A2+r1A2)+(0.351)/1000;%算法g=-10;sd2=h/r2;sd仁 sd2/ii+pi/2;C=|A2-2*cA2-r1A2.*(cos(sd1)A2-(b-r1.*si n(sd1)A2;A=2.*c*(b-r1.*si n( sd1);B=-2*cA2;af=asi n(C./sqrt(A.A2+B.A2)-ata n( B./A);format longrou=a1+(d)./(ta n(af);s=sd2*R; ds=s (2)-s(1); dbd=ds./(rou); bd=cumsum(dbd); dy=ds*cos(bd); dx=-ds*s in( bd);

39、 x=cumsum(dx); y=cumsum(dy); xb=x-(a1+a2).*cos(bd); yb=y-(a1+a2).*si n( bd); xc=x-a1*cos(bd)-d*si n(bd); yc=y-a1*s in( bd)+d*cos(bd);toc %動(dòng)力學(xué)分析%參數(shù)輸入%重物質(zhì)量m=1;%小車總質(zhì)量mc=1.6+1;Nc=9.8*mc/3;%小車慣量rc=0.07;I=mc*rcA2;a3=0.05;ll=l+m*(rou-a1)A2+a3A2);%傳動(dòng)效率lmd=0.5;%前輪半徑RC=0.05;%前輪寬度B=2/1000;%單性模量E1=100*00;E2=150*00;mu=0.2;%接觸應(yīng)力sgmc=sqrt(Nc/B/RC)/(2*pi*(1-muA2)/E1);bc=Nc/sgmc/2/B;%摩擦因素mucmuc=0.1;%摩擦力矩MeMc=sgmc*muc*bc*BA2/4;%摩阻系數(shù)sgm=0.5/1000;mMN=rou.*(m*9.8*r2*lmd-Nc*sgm)/R;K=rou.*m*r2A2*lmd/RA2;NCNB=Nc*sgm.*sqrt(rou-a1).A2+dA2)/RC+Nc*sgm*(rou-a1-a2);RIA=ll./rou;NRA=NCNB*R./rou;aa=(mMN-N