1、第二屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力 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 i 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(gè)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)

2、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(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).使其每個(gè) 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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)采用了錐形軸、傳動(dòng)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(dòng)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

3、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(dòng)學(xué)分析、動(dòng)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(dòng)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(dòng)仿真。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對每一個(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。 小車大多的零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購買，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)都可以通過手工加工出來。對于塑料會(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，簡化零件及零件裝配。 調(diào)試過程會(huì)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(dòng)規(guī)律同時(shí)確定小車最優(yōu)的參數(shù)

4、。 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 摘要2. 一緒論5. 1.1本屆競賽命題主題 5. 1.2小車功能設(shè)計(jì)要求 5. 1.3小車整體設(shè)計(jì)要求 6. 1.4小車的設(shè)計(jì)方法 6. 二方案設(shè)計(jì)7. 2.1車架10 2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu)1.0 2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11 2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)12 2.5行走機(jī)構(gòu)1.4 2.6微調(diào)機(jī)構(gòu)1.5 三技術(shù)設(shè)計(jì)16 3.1建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定1.7 3.1.1能耗規(guī)律模型 1.7 3.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型 1.9 3.1.3動(dòng)力學(xué)分析模型24 3.1.4靈敏度分析模型 26 3.1.5參數(shù)確定27 3.2零部件設(shè)計(jì)28 3.3整體設(shè)計(jì)30 3.3.

5、1整體裝配圖30 3.3.2小車運(yùn)動(dòng)仿真分析 31 四小車制作調(diào)試及改進(jìn) 32 4.1小車制作流程 32 詳見工藝分析方案報(bào)告32 4.2小車調(diào)試方法32 4.3小車改進(jìn)方法32 五評價(jià)分析.3.3 5.1小車優(yōu)缺點(diǎn)33 5.2自動(dòng)行走比賽時(shí)的前行距離估計(jì) 33 5.3改進(jìn)方向33 六參考文獻(xiàn)33 七附錄34 7.1裝配圖34 7.2耗能分析程序38 7.3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序39 7.4動(dòng)力學(xué)分析程序41 7.5靈敏度分析程序43 一緒論 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

6、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(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(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊 （50X 65 mm，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(dòng)，不允許掉落。 要求小車前行過程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)

7、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； 在小車行走過程中，載荷不允許掉落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。 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

8、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） 19 建模令新 明確小辛前任務(wù)要求 參救優(yōu)化 選擇材料 確定尺寸 加工制作 1 調(diào)試 改進(jìn) 評協(xié) 絡(luò)東 方案設(shè)計(jì) 技術(shù)設(shè)計(jì)制作調(diào)試 .圖一 二方案設(shè)計(jì) 通過對小車

9、的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、 自動(dòng)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(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。下面為我們設(shè)計(jì)圖框（圖二） 車 三角惑式 架 骨架式一1 蠅輪式 厲動(dòng)機(jī)構(gòu) 彈簧儲(chǔ)能式 無碳小車 一傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 宜齒輪 錐齒輪 -i 不如附加傳動(dòng) 圓柱凸輪 微調(diào)機(jī)構(gòu) 滑槽 普通凸輪 使用差速器 偏心輪 單向軸承| 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

10、時(shí)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 減少高副 功 能 實(shí) 現(xiàn) 行走路程遠(yuǎn) 減少轉(zhuǎn)軸軸 承等直徑 保證零件精 度 加工制作 選擇適當(dāng)?shù)?材料 避開障礙多 設(shè)計(jì)零件Fill簡車 盡量釆用標(biāo)淮!廠 減少加工件儺 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。可以通過回收廢木材獲得，已加工。 2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(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，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動(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)速度過大傾翻，或重

11、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，避免對小車過大的 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(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)簡單，效率高。 基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).和兩級(jí)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(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

12、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 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

13、摩擦耗能， 結(jié)構(gòu)簡單，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(dòng)

14、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(shí)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(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(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所長生 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

15、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(gè)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(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

16、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(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 對于相同的材料.為一定值。 f =里=N召 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(huì)產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙 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

17、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(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)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(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)輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，但影響有 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。

18、 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(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

19、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(dòng)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(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

20、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，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 3 1 罟 Sj = mgh i =1 3 、N廠m總g i =1 Nj為第i個(gè)輪子對地面的壓力。 Ri為第i個(gè)輪子的半徑。 S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。 通過查閱資料知道一般材料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)為 0.1-0.8間。下圖為當(dāng)車 輪半徑分別為（222

21、mm，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(shí)的小車行走的 距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖 0.55 0.6 0 6S 0.70.750.80 S6 0 90 95 小年驅(qū)動(dòng)效率 5 5 5 O 32311

22、 小牟前進(jìn)的距離 111111111 C.50.550.60.650.70.750.30.S50.90.951 小年呃動(dòng)效率 圖六 4540菇30 25 20 5 小車前進(jìn)的距離 5 圖七 小車前講的距離 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 25 20 15 10 5 0 _ 050.55060.660 70750.80.850.90 951 小車駝動(dòng)效率 3.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型 符號(hào)說明： 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

23、 曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑 搖桿長 連桿長 軸的繩輪半徑r2 h,L tli a、驅(qū)動(dòng): 當(dāng)重物下降dh時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸（軸2）轉(zhuǎn)過的角度為 岀2，則有 dh 2 則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過的角度 小車移動(dòng)的距離為（以A輪為參考） ds 二 R d 2 b、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)過的角度為 宀 則，與刊滿足以下關(guān)： 2 2 2 2 2 2 I = c 1 - cos b c sin ： - r1 sin rr1cos 二 1 解上述方程可得刊與的函數(shù)關(guān)系式 = f （日） 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)過角度?時(shí)，如圖: a1 則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 tan 小車行走ds過程

24、中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度 ds 當(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為 時(shí)，有 21 dx 二-ds sin dy 二 ds cos B的坐標(biāo) d、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, Bai a? ,0 C的坐標(biāo)C _a，d 在地面坐標(biāo)系中，有 xB 二 xA - a2) cos 壯 Ta (aia2)sin xC = xA - a cos ： - dsin yC = yA d cos - a1 sin 整理上述表達(dá)式有： 41 dh i l2 2 2 2 2 2 c （1 一 cos ） （b e sin ： - r1 sinJr1 cos 1 b ai tan ： ds dy Xb -ds

25、 sin ds cos Yb Xc yc Xa -（aa2） cos - Ya-GP） si xa - a1 co - d sin； yA _ a1 sin B + d n 10 為求解方程，把上述微分方程改成差 理的參數(shù)的到了小車運(yùn)動(dòng)軌跡如 8 方程求解，通過設(shè)定合 3.1.3動(dòng)力學(xué)分析模型 a、驅(qū)動(dòng) 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M A，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 1 M a 丄=M 2匕 i

26、（其中2是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而 設(shè)置的系數(shù)） M A = NaFa R b、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 Rc JI 可由赫茲公式求得， E1 由于b比較小，故 Me 記，cbB2 對于連桿的拉力Fc，有 sin 兀.c (1 cos。) 化arcs in 12l cosdc C2 M c = Fc cos 丁c sin 丁 ci M i = Fc c sin(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)對于旋轉(zhuǎn)中心O的慣量為I I = I m( a aj2 a32 （平行軸定理） Ct c ai2) d Nb R C A 一 ai - a2 )

27、 a = 6 P 小車的加速度為：a AA aA = a R r2 整理上述表達(dá)式得： T =- a) M j - T G 右 M , 兀+ - 1 1 =M 心= 3 F 嘰 1 6=I B 打 1-Ai3 1-血、 -+ ) I1 臥 3 2b 0 鈕2廠供 c 打f (1 一 cos ) S =a - arcsin 12I cos 6s M = F cos 8 c sin f-ft j時(shí) l M = Fc sin( 3 + 3) 二 + 灑 ISh - i)2 + / i y = f. p立也宀 -w)十日 -3盒-如-s) reR 口盤=各P r 皂 3.1.4靈敏度分析模型 小車一旦

28、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(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(gè)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 -0.09158 528.135 b 176.5727 -35.3795 578.82 R -0.3163 16.39132 528.1437 al 1.465469 -0.27592 528.

29、5547 曲柄半徑r1 23.71445 -18.9437 535.3565 d 0.040819 -117.738 528.1465 轉(zhuǎn)向桿的長 -1.63769 3.525236 527.5711 連桿長度 -176.955 -196.268 477.3561 3.1.5參數(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(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)向輪的距離d=0.18; 曲柄長 r1=0.01347; 繩輪半徑r2=0.006 3.2零部件設(shè)計(jì) 需加工的零件： a.

30、驅(qū)動(dòng)軸 6061空心鋁合金管。外徑 6mm內(nèi)徑3mm b. 車輪 聚甲醛板(POM板材)。厚度：8mm,規(guī)格尺寸: 600*1200mm 2.2可購買的標(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 d D FC-6K(2) 6 10 b. RBL 關(guān)節(jié)軸承 1 個(gè): SQ 5-RS Ui C .調(diào)心球軸承1個(gè) 軸承代 號(hào) d D B 135 5 19 6 d .深溝球軸承1個(gè) 型號(hào) 內(nèi)徑(d) 外徑(D) R85zz d. 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)

31、=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 332小車運(yùn)動(dòng)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(dòng) 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(gè)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(shí)間，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速

32、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(dòng)軸，減小過大的 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)相對來說較簡單，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 了能量的過多損耗，但小車會(huì)有時(shí)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(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)。

33、 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(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。

34、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 clear clc tic %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)ypxl n=10000; h=0.5; nn=1000; ypxl=li nspace(0.5,1, n); R2=111/nn; 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)/nn; %mz=1.75-0.2+0.2*i; R1=R1+20

35、/n n; R2=R2+20/n n; s=ypxl*m*h/(mz*(1/R1+2/R2)*sgm); s=s/1.045615886000699; plot(ypxl,s); hold on grid on end plot(0.5,0); toe 7.3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序 clear ele tie %符號(hào)定義 %重物下降的高度h %驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過角度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e %轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過的角度af %驅(qū)動(dòng)輪半徑R %驅(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距al %驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2 %驅(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

36、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; %驅(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1 a1=0.08; %驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2 a2=0.08; %曲柄半徑r1 r1=0.01347; %繩輪半徑r2 r2=0.006; %驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的距離d d=0.18; %轉(zhuǎn)向桿的長c c=0.06; l=sqrt(bA2+r1A2)+(0.351)/1000; %算法 g=-10; sd2=h/r2; sd仁 sd2/ii+pi/2; C=|A2-2*cA2-r1A

37、2.*(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 long rou=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

38、).*si n( bd); xc=x-a1*cos(bd)-d*si n(bd); yc=y-a1*si n(bd)+d*cos(bd); plot(x,y,b ,xb,yb, b ,xc,yc, m); hold on grid on for i=1:9 t=0:0.01:2*pi; xy=0.01.*cos(t)-0.23; yy=0.01.*s in( t)+i; plot(xy,yy); hold on end toc 7.4動(dòng)力學(xué)分析程序 clear clc tic n=1000; h=li nspace(0,0.5 ,n); ii=3; b=0.15; R=0.111; %驅(qū)動(dòng)輪A

39、與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1 a1=0.08; %驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2 a2=0.08; %曲柄半徑r1 r1=0.01347; %繩輪半徑r2 r2=0.006; %驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的距離d d=0.18; %轉(zhuǎn)向桿的長c c=0.06; l=sqrt(bA2+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+

40、B.A2)-ata n(B./A); format long rou=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*si n(bd); yc=y-a1*si n(bd)+d*cos(bd); toc %動(dòng)力學(xué)分析 %參數(shù)輸入 %重物質(zhì)量 m=1

41、; %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; %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-muA2)/E1); bc=Nc/sgmc/2/B; %繩輪半徑r2 45 %摩擦因素muc muc=0.1; %摩擦力矩Me Mc=sgmc*muc*bc*B2/4; %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-NCNB)./(K+RIA); p