南湖學院 課程設計報告 書 題 目 ： 無碳小車走“ 8”字形越障的設計 系 部： 機電系 專 業： 機械設計制造及自動化 班 級 ： 姓 名 : 學 號 : 2012年 01月 4 日 第 1 頁 共 20 頁 目 錄 一 緒論 . 1 1.1 課程設計任務書主題 . 1 1.2 小車功能設計要求 . 1 1.3 小車整體設計要求 . 1 1.4 小車的設計方法 . 2 二 方案設計 . 2 2.1 車架 . 4 2.2 原動機構 . 5 2.3 傳動機構 . 5 2.4 轉向機構 . 5 2.5 行走機構 . 6 2.6 微調機構 . 7 三 技術設計 . 8 3.1 建立數學模型及參數確定 . 8 3.1.1 能耗規律模型 . 8 3.1.2 運動學分析模型 . 10 3.1.3 動力學分析模型 . 13 3.1.4 靈敏度分析模型 . 15 3.1.5 參數確定 . 16 3.2 零部件設計 . 16 3.3 整體設計 . 18 3.3.1 整體裝配圖 . 18 3.3.2 小車運動仿真分析 . 19 四 小車制作調試及改進 . 19 4.1 小車制作流程 . 19 4.2 小車調試方法 . 19 4.3 小車改進方法 . 19 五 評價分析 . 19 5.1 小車優缺點 . 19 5.2 自動行走比賽時的前行距離估計 . 20 5.3 改進方向 . 20 第 2 頁 共 20 頁 一 緒論 1.1 課程設計任務書主題 課程設計任務主題為“無碳小車走 8字形”。內容體現“創新設計能力、制造工藝能力、實際操作能力和工程管理能力”四個方面的要 求 。 1.2 小車功能設計要求以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車。給定一重力勢能，根據能量轉換原理，設計一種可將該重力勢能轉換為機械能并可用來驅動小車行走的裝置。 小車在半張標準乒乓球臺（長 1525mm、寬 1370mm）上，繞相距 500mm 距離的兩個障礙沿 8 字形軌跡繞行，繞行時不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺。障礙物為直徑 20mm、長 200mm 的 2個圓棒，相距 500mm 距離放置在半張標準乒乓球臺的中線上，以小車完成 8 字繞行圈數的多少來綜合評定成績。見圖。 圖：競賽項目所用乒乓 球臺及障礙設置圖 給定重力勢能為 4 焦耳（取 g=10m/s2），競賽時統一用質量為 1Kg 的重塊（ 50 65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 400 2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。 課程設計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換獲得，不可使用任他的能量形式。小車要求采用三輪結構（ 1 個轉向輪， 2個驅動輪），具體結構造型以及材料選用均由參賽者自主設計完成。要求滿足：小車上面要裝載一件外形尺寸為 60 20 mm 的實心圓柱型鋼制質量塊作為載荷，其質量應不小于400 克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。轉向輪最大外徑應不小于 30mm 1.3 小車整體設計要求 1、 1 個轉向輪和 2 個驅動輪的設計 2、轉向輪控制機構的設計計算； 3、軸的設計； 4、軸承的選擇； 第 3 頁 共 20 頁 5、裝配圖、零件圖的繪制； 6、設計計算說明書的編寫 1.4 小車的設計方法 小車的設計一定要做到目標明確，通過對命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設計思路。作品的設計需要有系統性規范性和創新性。設計過程中需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。 小車的設計是提高小車性能的關鍵。在設計方法上我們 借鑒了參數化設計 、優化設計 、系統設計等現代設計發發明理論方法。采用了 MATLAB、 PROE 等軟件輔助設計。 二 方案設計 通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設計這里根據小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設計（車架 、原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構 、微調機構）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。 在選擇方案時應綜合考慮功能、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。 2.1 車架 車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加工成本等，車架采用木材加工制作成三角底板式。可以通過回收廢木材獲得，已加工 。 2.2 原動機構 原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。能實現這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優。小車對原動機構還有其它的具體要求。 1.驅動力適中，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.到達終點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 動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，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。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。 4.機構簡單，效率高。 基于以上分析我們提出了輸出驅動力可調的繩輪式原動機構。如下圖一 第 4 頁 共 20 頁 2. 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 傳動機構 傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。 要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等。 1.不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅動輪子和轉向機構，此種方式效率最高、結構最簡單。在不考慮其它條件時這是最優的方式。 2.帶輪具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。 3.齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優先考慮使用齒輪傳動。 2.4 轉向機構 轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車 的功能。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障的功能。能實現該功能的機構有：凸輪機構 +搖桿、曲柄連桿 +搖桿、曲柄搖桿、差速轉彎等等。 凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續或不連續的任意預期往復運動。 優點：只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難。 在本 小車設計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保圖一 第 5 頁 共 20 頁 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 優點：運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，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。 缺點：一般情況下只能近似實現給定的運動規律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數和運動副數往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低 ，不僅發生自鎖的可能性增加，而且機構運動規律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構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，故連桿機構常用于速度較低的場合。 在本小車設計中由于小車轉向頻率和傳遞的力不大故機構可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構并不復雜，利用 MATLAB 進行參數化設計并不困難，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機構來解決。 曲柄搖桿 結構較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其 急回特性導致難以設計出較好的機構。 差速轉彎 差速拐是利用兩個偏心輪作為驅動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產生了差速。小車通過差速實現拐彎避障。 差速轉彎，是理論上小車能走的最遠的設計方案。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需要來調整輪子的尺寸。（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 +搖桿作為小車轉向機構的方案。 2.5 行走機構 行走機構即為三個輪子，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系為 NM 對于相同的材料 為一定值。 而滾動摩擦阻力 RNRMf ，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。 由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產生差速。對于后輪可以采用雙輪同 步驅動，雙輪差速驅動，單輪驅動。 雙輪同步驅動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。 雙輪差速驅動可以避免雙輪同步驅動出現的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠實現滿足要運動。單向軸承實現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隙，在主動輪從動輪切換過程中出現誤差導致運動不準確，但 影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。 第 6 頁 共 20 頁 單輪驅動即只利用一個輪子作為驅動輪，一個為導向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩定，傳動精度比利用單向軸承高。 綜上所述行走機構的輪子應有恰當的尺寸，可以如果有條件可以通過實驗來確定實現差速的機構方案，如果規則允許可以采用單輪驅動。 2.6 微調機構 一臺完整的機器包括：原動機、傳動機、執行機構、控制部分、輔助設備。微調機構就屬于小車的控制部分。由于前 面確定了轉向采用曲柄連桿 +搖桿方案，由于曲柄連桿機構對于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調機構，對誤差進行修正。這是采用微調機構的原因之一，其二是為了調整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優的軌跡。 微調機構可以采用下面兩種方式微調螺母式、滑塊式如圖二 圖二 由于理論分析與實際情況有差距，只能通過理論分析得出較優的方案而不能得到最優的方案。因此我們設計了一種機構簡單的小車，通過小部分的改動便可以改裝成其它方案，再通過試驗比較得到最優的小車。 第 7 頁 共 20 頁 三 技術設計 技術設計階 段的目標是完成詳細設計確定個零部件的的尺寸。設計的同時綜合考慮材料加工成本等各因素。 3.1 建立數學模型及參數確定 通過對小車建立數學模型，可以實現小車的參數化設計和優化設計，提高設計的效率和得到較優的設計方案。充分發揮計算機在輔助設計中的作用。 3.1.1 能耗規律模型 為了簡化分析，先不考慮小車內部的能耗機理。設小車內部的能耗系數為 1 ，即小車能量的傳遞效率為 。小車輪與地面 的摩阻系數為 ，理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有 3131*iiiiRNgmNmghsii總iN 為第 i個輪子對地面的壓力。 iR 為第 i 個輪子的半徑。 iS 為第 i 個輪子行走的距離 總m為小車總質 量 為了更全面的理解小車的各個參數變化對小車前進距離的變化下面分別從 1.輪子與地面的滾動摩阻系數、 2.輪子的半徑、 3.小車的重量、 4.小車能量轉換效率。四方面考慮。 通過查閱資料知道一般材料的滾動摩阻系數為 0.1-0.8 間。下圖為當車輪半徑分別為（ 222mm， 70mm）摩阻系數分別為 0.3， 0.4， 0.5.mm 時小車行走的距離與小車內部轉換效率的坐標圖（圖三） 有上圖三可知滾動摩阻系數對小車的運動影響非常顯著，因此在設計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的距離也提高一倍。因此應盡可能減少小車內部的摩擦損耗，簡化機構，充分潤滑。 圖四為當摩阻系數為 0.5mm，車輪半徑依次增加 10mm 時的小車行走的距離與小車內部 轉 換 效 率 的 坐 標 圖 第 8 頁 共 20 頁 圖三 圖四 由圖可知當小車的半徑每增加 1cm 小車便可多前進 1m 到 2m。因此在設計時應考慮盡可能增大輪子的半徑。 第 9 頁 共 20 頁 3.1.2 運動學分析模型 符號說明： 驅動輪半徑 齒輪傳動比 驅動輪 A 與轉向輪橫向偏距 驅動輪 B 與轉向輪橫向偏距 驅動軸（軸 2）與轉向輪中心距離 曲柄軸（軸 1）與轉向輪中心距離 曲柄的旋轉半徑 搖桿長 連桿長 第 10 頁 共 20 頁 軸的繩輪半徑 2r a、驅動： 當重物下降 dh 時，驅動軸（軸 2）轉過的角度為 2d ，則有 22 rdhd 則曲柄軸（軸 1）轉過的角度 idd 21 小車移動的距離為（以 A輪為參考） 2dRds b、轉向： 當轉向桿與驅動軸間的夾角 為時，曲柄轉過的角度為 1 則 與 1 滿足以下關： 1221211222 co ss i ns i nco s1 rrcbcl解上述方程可得 1 與 的函數關系式 第 11 頁 共 20 頁 1 f c、小車行走軌跡 只有 A輪為驅動輪，當轉向輪轉過角度 時，如圖： 則小車轉彎的曲率半徑為 1t a n ab 小車行走 ds 過程中，小車整體轉過的角度 dsd 當小車轉過的角度為 時，有 c oss indsdydsdxd、小車其他輪的軌跡 以輪 A為參考，則在小車的運動坐標系中， B的坐標 0,21 aaB C 的坐標 daC , 在地面坐標系中，有 s in)(c o s)(2121aayyaaxxABABs inc oss inc os11adyydaxxACAC整理上述表達式有： 第 12 頁 共 20 頁 c o ss i ns i nc o ss i n)(c o s)(c o ss i nt anc o s)s i ns i n()c o s1(112121112212112222122dayydaxxaayyaaxxdsdydsdxdsdabrrcbcliddrdhdACACABAB3.1.3 動力學分析模型 a、驅動 如圖：重物以加速度向下加速運動，繩子拉力為 T ，有 )( agmT 產生的扭矩 122 rTM ，（其中 1 是考慮到摩擦產生 的影響而設置的系數。） 驅動輪受到的力矩 AM ，曲柄輪受到的扭矩 1M ， AN 為驅動輪 A受到的壓力， AF為驅動輪 A 提供的動力，有 221 MiMMA （其中 2 是考慮到摩擦產生的影響而設置的系數） RFNM AAA b、轉向 第 13 頁 共 20 頁 假設小車在轉向過程中轉向輪 受到的阻力矩恒為 CM ，其大小可由赫茲公式求得，)11(1222121EERBNcccbBN cc 2 由于 b比較小，故 241 bBM cc 對于連桿的拉力 cF ，有 lrc 11 sin2s in 21 c o s)c o s1(a r c si n2 cc lc12 s inc o s cccc cFM )s in ( 21 cc cFM c、小車行走受力分析 設小車慣量為 I ，質心在則此時對于旋轉中心 O 的慣量為 I )( 2321 aamII A （平行軸定理） )()( 21221 aaRNdarNFI ABAccAA 小車的加速度為： AAa 2raRaA 整理上述表達式得： 第 14 頁 共 20 頁 3.1.4 靈敏度分析模型 小車一旦設計出來在不改變其參數的條件下小車的軌跡就已經確定，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其軌跡與預先設計的軌跡有偏離，需要糾正。其次開始設計的軌跡也許并不是最優的，需要通過調試試驗來確定最優路徑，著同樣需要改變小車的某些參數。為了得到改變不同參數對小車運行軌跡的影響，和指導如何調試這里對小車各個參數進行靈敏度分析。通過 MATLAB 編程得到 幅值 周期 方向 i -0.0117 -0.09158 528.135 b 176.5727 -35.3795 578.82 R -0.3163 16.39132 528.1437 a1 1.465469 -0.27592 528.5547 曲柄半徑 r1 23.71445 -18.9437 535.3565 d 0.040819 -117.738 528.1465 轉向桿的長 -1.63769 3.525236 527.5711 連桿長度 -176.955 -196.268 477.3561 第 15 頁 共 20 頁 3.1.5 參數確定 單位： m 轉向輪與曲柄軸軸心距 b=0.15； 搖桿長 c=0.06； 驅動輪直徑 D=0.355； 驅動輪 A 與轉向輪橫向偏距 a1=0.08 驅動輪 B 與轉向輪橫向偏距 a2=0.08； 驅動軸與轉向輪的距離 d=0.18； 曲柄長 r1=0.01347； 繩輪半徑 r2=0.006 3.2 零部件設計 需加工的零件： a驅動軸 6061 空心鋁合金管 。 外徑 6mm 內徑 3mm b車輪 聚甲醛板（ POM 板材） 。 厚度： 8mm，規格尺寸： 600*1200mm 2.2 可購買的標準件： a單向離合器軸承 2個 型號 Bearing Number 外型尺寸 (mm) FC 系列 d D FC-6K(2) 6 10 b RBL 關節軸承 1個： SQ 5-RS 第 16 頁 共 20 頁 c調心球軸承 1 個 軸承代號 d D B 135 5 19 6 d深溝球軸承 1 個 e圓柱直齒輪 1 對 小齒輪： 模數 =1， 齒 數 =15， 外徑 =17mm， 內孔 =3mm， 厚度： 6.5mm 大齒輪： 模數 =1， 齒數 =45，外徑 =47mm，內徑 =10mm， 厚度 =10mm 材質 ： 夾布塑料 第 17 頁 共 20 頁 3.3 整體設計 3.3.1 整體裝配圖 第 18 頁 共 20 頁 3.3.2 小車運動仿真分析 為了進一步分析本方案的可行性，我們利用了 proe 和 MATLAB 進行了動態仿真。 四 小車制