無碳小車設(shè)計(jì)說明書1

第二屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力

競賽無碳小車設(shè)計(jì)說明書參賽者:王金衛(wèi)指導(dǎo)老師：劉吉兆陳豐峰2011-1-16摘要第二屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題主題為“無碳小車”。在設(shè)計(jì)小車過程中特別注重設(shè)計(jì)的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設(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MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計(jì)。我們把小車的設(shè)計(jì)分為三個階段：方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、制作調(diào)試。通過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。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（原動機(jī)構(gòu)、傳動機(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、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì).使其每個零件或結(jié)構(gòu)件具有平衡性已達(dá)到減小摩擦.提高校車整體平衡的目的。分別針對每一個模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動機(jī)構(gòu)采用了錐形軸、傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪或沒有該機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用四連桿機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動實(shí)現(xiàn)差速、微調(diào)機(jī)構(gòu)采用微調(diào)螺母螺桿。其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用了調(diào)心軸承、關(guān)節(jié)軸承.圓錐滾子軸承技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對方案建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，借助MATLAB分別進(jìn)行了能耗規(guī)律分析、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、靈敏度分析。進(jìn)而得出了小車的具體參數(shù)，和運(yùn)動規(guī)律。接著應(yīng)用PROE軟件進(jìn)行了小車的實(shí)體建模和部分運(yùn)動仿真。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對每一個零件進(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。小車大多的零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購買，同時除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過手工加工出來。對于塑料會采用自制的'電鋸’切割。因?yàn)樾≤囀芰Χ疾淮?，因此大量采用膠接，簡化零件及零件裝配。調(diào)試過程會通過微調(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)動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。關(guān)鍵字：無碳小車參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)微調(diào)機(jī)構(gòu)靈敏度分析目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要2一緒論5\o"CurrentDocument"1.1本屆競賽命題主題5\o"CurrentDocument"1.2小車功能設(shè)計(jì)要求5\o"CurrentDocument"1.3小車整體設(shè)計(jì)要求6\o"CurrentDocument"1.4小車的設(shè)計(jì)方法6\o"CurrentDocument"二方案設(shè)計(jì)7\o"CurrentDocument"2.1車架10\o"CurrentDocument"2.2原動機(jī)構(gòu)10\o"CurrentDocument"2.3傳動機(jī)構(gòu)112.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)12\o"CurrentDocument"2.5行走機(jī)構(gòu)142.6微調(diào)機(jī)構(gòu)15\o"CurrentDocument"三技術(shù)設(shè)計(jì)16\o"CurrentDocument"3.1建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定17\o"CurrentDocument"3.1.1能耗規(guī)律模型173.1.2運(yùn)動學(xué)分析模型193.1.3動力學(xué)分析模型24\o"CurrentDocument"3.1.4靈敏度分析模型26\o"CurrentDocument"3.1.5參數(shù)確定273.2零部件設(shè)計(jì)283.3整體設(shè)計(jì)303.3.1整體裝配圖30\o"CurrentDocument"3.3.2小車運(yùn)動仿真分析31\o"CurrentDocument"四小車制作調(diào)試及改進(jìn)32\o"CurrentDocument"4.1小車制作流程32\o"CurrentDocument"詳見工藝分析方案報(bào)告32\o"CurrentDocument"4.2小車調(diào)試方法32\o"CurrentDocument"4.3小車改進(jìn)方法32\o"CurrentDocument"五評價(jià)分析33\o"CurrentDocument"5.1小車優(yōu)缺點(diǎn)33\o"CurrentDocument"5.2自動行走比賽時的前行距離估計(jì)33\o"CurrentDocument"5.3改進(jìn)方向33\o"CurrentDocument"六參考文獻(xiàn)33七附錄347.1裝配圖34\o"CurrentDocument"7.2耗能分析程序38\o"CurrentDocument"7.3運(yùn)動學(xué)分析程序39\o"CurrentDocument"7.4動力學(xué)分析程序41\o"CurrentDocument"7.5靈敏度分析程序43緒論1.1本屆競賽命題主題本屆競賽命題主題為“無碳小車”。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”四個方面的要求。1.2小車功能設(shè)計(jì)要求給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔1米，放置一個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（850X65mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動，不允許掉落。要求小車前行過程中完成的所有動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個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），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：①小車上面要裝載一件外形尺寸為860X20mm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；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于830mm。1.3小車整體設(shè)計(jì)要求小車設(shè)計(jì)過程中需要完成：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，通過對命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設(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MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計(jì)。下面是我們設(shè)計(jì)小車的流程（如圖一）

.圖一二方案設(shè)計(jì)通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。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部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(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)每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。下面為我們設(shè)計(jì)圖框（圖二）

鏈輪式無碳小車侍動機(jī)構(gòu)不用附加傳動錐齒輪帶輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)'圓柱凸輪i普通凸輪.一I凸輪+鏈輪式無碳小車侍動機(jī)構(gòu)不用附加傳動錐齒輪帶輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)'圓柱凸輪i普通凸輪.一I凸輪+曲柄連桿福布II曲柄播桿]~~1L匚最調(diào)螺母圖二在選擇方案時應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。簡化機(jī)構(gòu)減少內(nèi)

部摩擦

損耗誠少■高副功

能

實(shí)

現(xiàn)行走路程遠(yuǎn)減少與

地面的

摩擦損

耗1■可根據(jù)不同的地面調(diào)整驅(qū)動機(jī)構(gòu)減少轉(zhuǎn)軸軸

承等直徑充分潤滑保證零件精

度選擇適當(dāng)?shù)?/p>

材料減少小軍重JSL

里增天輪子的

半徑對小車行走影響較靈敏的零部件尺寸可微調(diào)*■設(shè)計(jì)零件加工簡單加工制作固定在糅采用腔禳盡堂采用標(biāo)準(zhǔn)件,

成小加工件款童就地取材圖三2.1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^回收廢木材獲得，已加工。2.2原動機(jī)構(gòu)原動機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機(jī)構(gòu)簡單，效率高。基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機(jī)構(gòu).和兩級減速的齒輪結(jié)構(gòu)。如下圖四

如上圖我們可以通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出的動力。2.3傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價(jià)格較高。因此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。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)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運(yùn)動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實(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)動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預(yù)期運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、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（滑動摩擦）因此不采用曲柄連桿+搖桿優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，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維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(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)動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動和作往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場合。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MATLAB進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。對于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調(diào)機(jī)構(gòu)來解決。曲柄搖桿結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，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偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實(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，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據(jù)需要來調(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二N氣對于相同的材料8為一定值。f=M=N-8而滾動摩擦阻力R一^，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠(yuǎn)比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進(jìn)受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實(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，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅(qū)動輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動約束確定的。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梢匀绻袟l件可以通過實(shí)驗(yàn)來確定實(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。2.6微調(diào)機(jī)構(gòu)一臺完整的機(jī)器包括：原動機(jī)、傳動機(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)對于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對誤差進(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)螺母式桿、滑塊式如圖五

圖五由于理論分析與實(shí)際情況有差距，只能通過理論分析得出較優(yōu)的方案而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們設(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)簡單的小車，通過小部分的改動便可以改裝成其它方案，再通過試驗(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)確定個零部件的的尺寸。設(shè)計(jì)的同時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)確定通過對小車建立數(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)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。3.1.1能耗規(guī)律模型為了簡化分析，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-&，即小車能量的傳遞效率為&。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為8，理想情況下認(rèn)為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進(jìn)上。則有￡率s.=&mgh￡N-mgi總ii=1N為第i個輪子對地面的壓力。R.為第i個輪子的半徑。S為第i個輪子行走的距離m總為小車總質(zhì)量為了更全面的理解小車的各個參數(shù)變化對小車前進(jìn)距離的變化下面分別從1.輪子與地面的滾動摩阻系數(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。通過查閱資料知道一般材料的滾動摩阻系數(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）

有上圖六可知滾動摩阻系數(shù)對小車的運(yùn)動影響非常顯著，因此在設(shè)計(jì)小車時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，簡化機(jī)構(gòu)，充分潤滑。圖七為當(dāng)摩阻系數(shù)為0.5mm，車輪半徑依次增加10mm時的小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖355□0.50.550.60.650.70.750.30.05355□0.50.550.60.650.70.750.30.050.90.95小車驅(qū)動效率3_25205O小牟前送的距離圖六小車前進(jìn)的距離小車驅(qū)動效率小車前進(jìn)的距離小車驅(qū)動效率圖七由圖可知當(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)時應(yīng)考慮盡可能增大輪子的半徑。3.1.2運(yùn)動學(xué)分析模型符號說明：驅(qū)動輪半徑齒輪傳動比驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距、驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距?：驅(qū)動軸（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-

搖桿長連桿長軸的繩輪半徑'2a、驅(qū)動:當(dāng)重物下降dh時，驅(qū)動軸（軸2）轉(zhuǎn)過的角度為de2，則有1dhde=2r2則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過的角度de=d°2i~T

小車移動的距離為（以A輪為參考）ds=R-d2b、轉(zhuǎn)向：當(dāng)轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動軸間的夾角a為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為％則a與0滿足以下關(guān)：+r2?cos2012=c2?G—cosa)2+(b+c?sina-r?sin0)2+r2?cos20解上述方程可得01與a的函數(shù)關(guān)系式a=f0）ic、小車行走軌跡只有A輪為驅(qū)動輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度a時，如圖:則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為bp=+atana1小車行走ds過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度dp=dsT當(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為&時，有dx-一ds-sinPdy-ds-cosPd、小車其他輪的軌跡以輪A為參考，則在小車的運(yùn)動坐標(biāo)系中，B的坐標(biāo)8(41+.2)0)C的坐標(biāo)C(_a，d)在地面坐標(biāo)系中，有x=x-(a+a)-cosPy=y-(a+a)-sinPx=x-a-cosP-dsinPy=y+d-cosP-asinP整理上述表達(dá)式有：dhdQ=2為求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過設(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運(yùn)動軌跡如（圖六）圖六dhdQ=2為求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過設(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運(yùn)動軌跡如（圖六）圖六dQ2dQiI2=c2(l-cosa)2+(O+c?sina—"?sin0])2+.2cos20^bp=+Cltana1Pdx=-ds?sinpdy=ds?cosgx—x—(i+q)?cosPTOC\o"1-5"\h\zBA12y=y—+q)?sinPBA12x—x—ci,cos&—dsin&CA1y=y—ct?sinP+d?cosPCA13.1.3動力學(xué)分析模型a、驅(qū)動如圖：重物以加速度向下加速運(yùn)動，繩子拉力為『，有T=m(g-a)產(chǎn)生的扭矩M2=T?O土1，(其中\(zhòng)是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)。)驅(qū)動輪受到的力矩Ma，曲柄輪受到的扭矩吃，nA為驅(qū)動輪A受到的壓力，fa為驅(qū)動輪A提供的動力，有M+Mi=M?人Ai22(其中氣是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù))M=Na-5+Fa?Rb、轉(zhuǎn)向假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為mc，其大小TOC\o"1-5"\h\z'N~~1~B~RC=cc1b,1-日21-日2兀(+)可由赫茲公式求得，UE1E2N=c?B?2b由于b比較小，故

M=i_呻bB2對于連桿的拉力，，有sin9=r而。］c2l9M—a—arcsin”(1一*S一)c12l-cos9C2M=F-cos9-c-sin9M1=F-c-sin(9+9)c、小車行走受力分析c、小車行走受力分析設(shè)小車慣量為I，質(zhì)心在則此時對于旋轉(zhuǎn)中心。'的慣量為尸（平行軸定理）I'=I+m[(p—a)2+a2]I，a=F,p—c?,'(p—a2)+d2—b(p—a—a)TOC\o"1-5"\h\zAArA1RA12c小車的加速度為：aA=5?PAaa（平行軸定理）A=—Rr2整理上述表達(dá)式得:

T=-a）M2=『，"1Jlsf且+=M2■i'MA=NA■5+FaR￥01叭1H2H27T（上皿+上J占12\■B-2bsinB=捋八7T.Cn-COSa）6r=此一arcsin12l-cos8.L-3M?cos8,-c-sin8,￡■i>c-jc-[MY=Fe■c■sin（S+8七）「=W+m[（pA一％）'+昭']R□iR□iJ=，有知二aRr03.1.4靈敏度分析模型小車一旦設(shè)計(jì)出來在不改變其參數(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。其次開始設(shè)計(jì)的軌跡也許并不是最優(yōu)的，需要通過調(diào)試試驗(yàn)來確定最優(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)對小車運(yùn)行軌跡的影響，和指導(dǎo)如何調(diào)試這里對小車各個參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。通過MATLAB編程得到幅值周期方向i-0.0117-0.09158528.135b176.5727-35.3795578.82R-0.316316.39132528.1437a11.465469-0.27592528.5547曲柄半徑r123.71445-18.9437535.3565d0.040819-117.738528.1465轉(zhuǎn)向桿的長-1.637693.525236527.5711連桿長度-176.955-196.268477.35613.1.5參數(shù)確定單位：m轉(zhuǎn)向輪與曲柄軸軸心距b=0.15;搖桿長c=0.06;驅(qū)動輪直徑D=0.355;驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1=0.08驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2=0.08;驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪的距離d=0.18;曲柄長r1=0.01347;繩輪半徑r2=0.0063.2零部件設(shè)計(jì)需加工的零件：驅(qū)動軸6061空心鋁合金管。外徑6mm內(nèi)徑3mm車輪聚甲醛板(POM板材)。厚度：8mm，規(guī)格尺寸:600*1200mm2.2可購買的標(biāo)準(zhǔn)件:a.單向離合器軸承2個型虢BearingNumber外型尺寸(mm)FC系列dDFC-6K(2)610b.RBL關(guān)節(jié)軸承1個：SQ5-RS

軸承代號dDB1355196d.深溝球軸承1個型號內(nèi)徑(d)外徑(D)R85zzd.圓柱直齒輪1對小齒輪：模數(shù)=1,齒數(shù)=15，外徑=17mm，內(nèi)孔=3mm,厚度：6.5mm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)3.3.1整體裝配圖

3.3.2小車運(yùn)動仿真分析為了進(jìn)一步分析本方案的可行性，我們利用了proe和MATLAB進(jìn)行了動態(tài)仿真，詳見視頻。四小車制作調(diào)試及改進(jìn)4.1小車制作流程詳見工藝分析方案報(bào)告4.2小車調(diào)試方法小車的調(diào)試是個很重要的過程，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：通過小車在指定的賽道上行走，測量通過指定點(diǎn)的時間，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小車后半程速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動軸，減小過大的驅(qū)動力同時也增大了小車前進(jìn)的距離。（2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個機(jī)構(gòu)相對來說較簡單，損耗能量較少，但是避障不是很好，但與此同時，小車由于設(shè)計(jì)時采用了多組微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過觀察小車在指定賽道上行走時避障的特點(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，也避免了能量的過多損耗，但小車會有時出現(xiàn)脫膠的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法前進(jìn)，于是想法改進(jìn)，使小車能量損失減少，同時故障出現(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)，但通過計(jì)算編程發(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)簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少，（2）多處采用微調(diào)機(jī)構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物，（3）采用大的驅(qū)動輪，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)各個機(jī)構(gòu)都很費(fèi)時，避障穩(wěn)定行差，時而偏左，時而偏右。5.2自動行走比賽時的前行距離估計(jì)通過理論與實(shí)踐結(jié)合，小車行走距離（包括繞開障礙物）約20--25米。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，使能調(diào)整簡單，小車便能達(dá)到很好的行走效果。六參考文獻(xiàn)七附錄7.1裝配圖

7.2耗能分析程序clearclctic%符號定義%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=linspace(0.5,1,n);R2=111/nn;R1=35/nn;m=1;g=9.8;mz=2;sgm=0.5/nn;fori=1:10%sgm=(0.1*i+0.2)/nn;%mz=1.75-0.2+0.2*i;R1=R1+20/nn;R2=R2+20/nn;s=ypxl*m*h/(mz*(1/R1+2/R2)*sgm);s=s/1.045615886000699;plot(ypxl,s);holdongridonendplot(0.5,0);toc7.3運(yùn)動學(xué)分析程序clearclctic%符號定義%重物下降的高度h%驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過角度sd2%驅(qū)動軸傳動比ii%轉(zhuǎn)向輪軸心距］3%轉(zhuǎn)向桿的長c%轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過的角度af%驅(qū)動輪半徑R%驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距al%驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2%驅(qū)動軸與轉(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rl%繩輪半徑r2%參數(shù)輸入n=1000h=linspace(0,0.5,n)ii=3b=0.15R=0.111%驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1a1=0.08%驅(qū)動輪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;%驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪的距離dd=0.18;%轉(zhuǎn)向桿的長cc=0.06;l=sqrt(b八2+r1八2)+(0.351)/1000;%算法g=-10;sd2=h/r2;sd1=sd2/ii+pi/2;C=l八2-2*c￥-r1八2.*(cos(sd1))"2-(b-r1.*sin(sd1))"2;A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1));B=-2*c￥;af=asin(C./sqrt(A.八2+B.八2))-atan(B./A);formatlongrou=a1+(d)./(tan(af));s=sd2*R;ds=s(2)-s(1);dbd=ds./(rou);bd=cumsum(dbd);dy=ds*cos(bd);dx=-ds*sin(bd);x=cumsum(dx);y=cumsum(dy);xb=x-(a1+a2).*cos(bd);yb=y-(a1+a2).*sin(bd);xc=x-a1*cos(bd)-d*sin(bd);yc=y-a1*sin(bd)+d*cos(bd);plot(x,y'b',xb,yb,'b',xc,yc,'m');holdongridonfori=1:9t=0:0.01:2*pi;xy=0.01.*cos(t)-0.23;yy=0.01.*sin(t)+i;plot(xy,yy);holdonendtoc7.4動力學(xué)分析程序clearclcticn=1000;h=linspace(0,0.5,n);ii=3;b=0.15;R=0.111;%驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1a1=0.08;%驅(qū)動輪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;%驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪的距離dd=0.18;%轉(zhuǎn)向桿的長cc=0.06;l=sqrt(b八2+r1八2)+(0.351)/1000;%算法g=-10;sd2=h/r2;sd1=sd2/ii+pi/2;C=l八2-2*c￥-r1八2.*(cos(sd1))"2-(b-r1.*sin(sd1))"2;A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1));B=-2*c￥;af=asin(C./sqrt(A.八2+B.八2))-atan(B./A);formatlongrou=a1+(d)./(tan(af));s=sd2*R;ds=s(2)-s(1);dbd=ds./(rou);bd=cumsum(dbd);dy=ds*cos(bd);dx=-ds*sin(bd);x=cumsum(dx);y=cumsum(dy);xb=x-(a1+a2).*cos(bd);yb=y-(a1+a2).*sin(bd);xc=x-a1*cos(bd)-d*sin(bd);yc=y-a1*sin(bd)+d*cos(bd);toc%動力學(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*rc八2;a3=0.05;II=I+m*((rou-a1).八2+a3八2);%傳動效率lmd=0.5;%%%%%%%%%%%%%%前輪半徑RC=0.05;%前輪寬度B=2/1000;%彈性模量E1=100*1000000000;E2=150*1000000000;mu=0.2;%接觸應(yīng)力sgmc=sqrt((Nc/B/RC)/(2*pi*(1-mu八2)/E1));bc=Nc/sgmc/2/B;%摩擦因素皿。muc=0.1;%摩擦力矩McMc=sgmc*muc*bc*B八2/4;%摩阻系數(shù)sgm=0.5/1000;mMN=rou.*(m*