1、2014年*工程訓(xùn)練綜合能力競賽無碳小車設(shè)計報告參賽者： 指導(dǎo)老師： 2014/10/151、 設(shè)計概述“無碳小車”是將重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能，使小車實現(xiàn)行走及轉(zhuǎn)向功能的裝置。小車由能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和車身構(gòu)成，首先通過能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)獲得動力來驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動，繼而通過傳動機構(gòu)將運動傳給轉(zhuǎn)向機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪，利用橫縱向直線運動復(fù)合運動使轉(zhuǎn)向輪呈正弦波形周期性擺動，從而避開設(shè)置在波形內(nèi)固有間距的障礙物。 具體設(shè)計為小車以1kg重物塊下落500mm產(chǎn)生的重力勢能作為動力，通過線繩帶動齒輪軸等傳動機構(gòu)，單輪驅(qū)動；通過正弦機構(gòu)帶動前輪周期性擺動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計總裝圖如圖所示。2、設(shè)計思路和

2、方案小車的設(shè)計分為三個主要階段：功能分析、制造加工調(diào)試2.1功能分析 對小車功能要求進行分析，尋找功能元解，將小車分為車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) 、微調(diào)機構(gòu)六個模塊。對每一個模塊進行多方案設(shè)計，綜合對比選擇最優(yōu)的方案組合。2.2參數(shù)分析與個性化設(shè)計利用Solidworks軟件進行小車的實體建模、部分運動仿真。對方案建立數(shù)學(xué)模型進行理論分析，使用MATLAB軟件分別進行能耗規(guī)律分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、靈敏度分析，得出小車的具體參數(shù)和運動規(guī)律。2.3 機械總功能分解及功能元解表1.勢能轉(zhuǎn)向小車形態(tài)學(xué)矩陣功能元功能元解12345A勢能轉(zhuǎn)化重物錐臺繞線輪機構(gòu)重物飛輪機構(gòu)

3、B行走機構(gòu)后雙輪同步驅(qū)動單輪驅(qū)動C前輪擺動曲柄搖桿機構(gòu)正弦機構(gòu)（曲柄移動導(dǎo)桿機構(gòu)RSSR空間四桿機構(gòu)凸輪推桿機構(gòu)圓輪導(dǎo)桿機構(gòu)D中間傳動齒輪機構(gòu)皮帶輪機構(gòu)E微調(diào)結(jié)構(gòu)由以上A、B、C、D四機構(gòu)的最終組合方案而另行確定2.4 機構(gòu)選型基本原則 滿足工藝動作和運動要求。 結(jié)構(gòu)最簡單,傳動鏈最短。 原動機的選擇有利于簡化結(jié)構(gòu)和改善運動質(zhì)量。 機構(gòu)有盡可能好的動力性能。 機器操縱方便、調(diào)整容易、安全耐用。 加工制造方便，經(jīng)濟成本低。 具有較高的生產(chǎn)效率與機械效率。 2.5轉(zhuǎn)向機構(gòu)分析目前，能夠?qū)崿F(xiàn)無碳小車車輪轉(zhuǎn)向控制的機構(gòu)主要有曲柄搖桿機構(gòu)、正弦機構(gòu)（曲柄移動導(dǎo)桿機構(gòu)）、RSSR空間四桿機構(gòu)凸輪推桿機構(gòu)和

4、圓輪導(dǎo)桿機構(gòu)。這5 種機構(gòu)在結(jié)構(gòu)和功能上有各自的特點。轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(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動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動。同樣也2.5.1曲柄搖桿機構(gòu) 優(yōu)點：連桿機構(gòu)中的運動副為低副，其運動副元素為面接觸，壓力較小，易潤滑，損耗能量少，且運動副一般是幾何封閉，對保證小車行進的可靠性有利。 缺點：由于連桿機構(gòu)的運動必須經(jīng)過中間構(gòu)件進行傳遞，因而構(gòu)件數(shù)目多，傳動路線長，若加工不能保證適當精度，易產(chǎn)生較大的誤差積累，也使機械效率降低。無急回曲柄搖桿機構(gòu)是平面機構(gòu)，要求曲柄處

5、于前輪支架軸線的垂直面，要多一級轉(zhuǎn)換機構(gòu)。該機構(gòu)對于搖桿與前輪角度的精度要求較高，裝配難度較大，而且曲柄長度不具備調(diào)節(jié)功能，會導(dǎo)致?lián)u桿擺角不對稱。2.5.2以正弦機構(gòu)為轉(zhuǎn)向機構(gòu)正弦機構(gòu)擺角規(guī)律 正弦機構(gòu)是目前無碳小車設(shè)計過程中常選用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)之一，圖為其機構(gòu)簡圖，其曲柄可在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，同樣可控制無碳小車的前輪擺角。圖2.1正弦機構(gòu)有 2 個銷槽副、一個移動副，曲柄具備調(diào)節(jié)功能，可以在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)小車的軌跡，調(diào)節(jié)性能較好2.5.3 RSSR 空間四桿機構(gòu)RSSR 空間四桿機構(gòu)有 2 個球副，機構(gòu)簡單，傳動效率較高，但搖桿與前輪的角度難以控制,樣具有安裝精度高的特點2.5.4凸輪推桿機構(gòu) 優(yōu)點：

6、適當?shù)卦O(shè)計出凸輪的輪廓曲線后就可以使推桿精準地實現(xiàn)所需的運動規(guī)律，而且響應(yīng)快速 缺點：凸輪廓線與推桿之間為點、線接觸，易磨損；凸輪精準制造較困難；需使用額外機構(gòu)，利用彈簧力與使凸輪與推桿保持接觸， 2.5.5圓輪導(dǎo)桿機構(gòu)此轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向桿、轉(zhuǎn)向輪、短桿構(gòu)成。轉(zhuǎn)向盤與從動軸齒輪嚙合。短桿一端通過銷釘與轉(zhuǎn)向桿連接在一起，可自由轉(zhuǎn)動。另一端與轉(zhuǎn)向輪的軸固定于小車的中心軸線處。當轉(zhuǎn)向盤勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向桿會周期性左右擺動，然后通過短桿的傳動，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。從而控制小車繞開障礙物的整體運行。 優(yōu)點：運動副自身幾何封閉，不需要額外結(jié)構(gòu)使運動副保持接觸，易潤滑，損耗能量較小，結(jié)構(gòu)簡單，輪廓加工制造容

7、易。 缺點：擺動活動范圍小，死點多。正弦機構(gòu)可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)角的完全對稱，從功能上分析是作為無碳小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的最佳方案；2.6傳動機構(gòu)分析傳動概述：傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。2.6.1齒輪傳動機構(gòu) 優(yōu)點：齒輪具有效率高、適用的載荷和速度范圍大、工作可靠、傳動比穩(wěn)定。 缺點：但價格較高，且傳動距離比較短2.6.2皮帶輪傳動機構(gòu) 優(yōu)點：具有結(jié)構(gòu)簡單、可以遠距離傳動、價格低廉、緩沖吸震無噪音等特點缺點：其效率及傳動精度并不高。2.7組合方案擇優(yōu)并確定輔助、控制機構(gòu)在上述主要功能解

8、組合方案確定后，接下來就是確定輔助、控制功能的機構(gòu)。2.7.1輔助機構(gòu)：車架為了降低車的重心，增加穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)彎時不易翻車，采用下沉式車架。2.7.2微調(diào)機構(gòu)完整的機器包括：原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制機構(gòu)。微調(diào)機構(gòu)屬于控制機構(gòu)，由于加工誤差和裝配誤差，小車的行進軌跡可能會發(fā)生偏移，必須加上微調(diào)機構(gòu)，對誤差進行修正。綜合各方面的因素，選用下圖所示機構(gòu)，使小車實現(xiàn)微調(diào)，通過擰緊螺母使圓柱相對圓心的距離固定，使此連接轉(zhuǎn)向機構(gòu)的小圓柱改變轉(zhuǎn)速，從而改變前輪的完成一次轉(zhuǎn)向時間。達到改變小車運動軌跡的目的。圖2.2圓輪微調(diào)機構(gòu)2.8設(shè)計方案確定運動軌跡:小車運動軌跡曲線為,出發(fā)點在波峰處。由于加工

9、裝調(diào)等方面均存在誤差實際上小車軌跡的中心線是一條彎曲的曲線，對此，可以通過調(diào)整小車出發(fā)時車身和前輪的偏角來控制軌跡使小車軌跡在允許的范圍內(nèi)進行補償，獲得最好成績。轉(zhuǎn)向機構(gòu)：向機構(gòu)采用正弦機構(gòu)帶動前輪周期性往復(fù)擺動來實現(xiàn)。傳動機構(gòu)：采用一級齒輪傳動，通過繞線輪帶動驅(qū)動輪實現(xiàn)單輪驅(qū)動，采用錐形的繞線螺紋軸，既能夠在啟動階段提供足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，又可以在穩(wěn)定后控制車速穩(wěn)定軌跡；車身采用下沉式底板保證了小車重心低不易翻車。原動機構(gòu)：采用單輪子驅(qū)動機構(gòu)，即右邊輪子為驅(qū)動輪，左邊輪子為從動輪。軌跡調(diào)整方法：影響小車軌跡形換的因素有很多，我們要選擇方便調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)來對小車的軌跡實現(xiàn)改變。在這里，我們采用同時調(diào)

10、節(jié)曲柄工作長度（圓盤小圓柱到圓盤中心距）和更換輪子大小的方式來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。當然理論分析結(jié)果與實際條件的結(jié)果是有差異的，這就需要我們再實際條件下不斷的調(diào)試來獲得可靠的數(shù)據(jù)。出發(fā)點的確定：小車的初始位置的確定取決于三個參數(shù)，分別為小車出發(fā)點距離障礙物連線的距離，小車前輪的初始擺角，小車車身整體相對指定參照物的方向與位置，通過參照物標定前輪初始轉(zhuǎn)角，尺子標定起點距障礙物連線距離。3、設(shè)計結(jié)果3.1運動分析3.1.1運動循環(huán)圖重物相對車身沿鉛垂方向位移相對車身靜止相對地面靜止后雙輪相對車身加速轉(zhuǎn)動相對車身減速轉(zhuǎn)動相對地面靜止前輪相對車身往復(fù)擺動并且轉(zhuǎn)動相對地面靜止時間軸：圖3.1機械運動循環(huán)圖3.1.2

11、機構(gòu)運動簡圖與自由度分析圖3.2小車簡圖自由度計算：據(jù)平面機構(gòu)自由度公式，其中指活動構(gòu)件數(shù)，表示低副數(shù)目，表示高副數(shù)目，表示虛約束數(shù)目，表示局部自由度數(shù)目，而據(jù)本車機構(gòu)運動簡圖可知，代入計算可得整個機構(gòu)自由度為1。3.2運動學(xué)分析模型符號說明：繞線軸與驅(qū)動軸傳動比 i后輪半徑R后輪與車子中心線的距離a曲柄工作長度r推桿與車子中心線的距離b前輪與后輪的距離d(1)驅(qū)動小車任意時刻繞繩輪的角速度則曲炳轉(zhuǎn)角 (3-1)推桿推程 (3-2)小車移動路程 (3-3)(2)轉(zhuǎn)向當曲柄轉(zhuǎn)角為時，搖桿轉(zhuǎn)角（前輪轉(zhuǎn)角）為，則 (3-4)解上述方程式可得和的關(guān)系式 (3-5)(3)小車行走軌跡只有一個后輪做驅(qū)動輪

12、時，當前輪轉(zhuǎn)角為時，后輪轉(zhuǎn)彎的曲率半徑 (3-6)小車行走路程為時，小車整體轉(zhuǎn)角為 (3-7)當小車轉(zhuǎn)角為時，后輪軌跡有 (3-8) (3-9)(4)小車其他輪軌跡當驅(qū)動輪為左后輪A時，此時以A輪為參考，則在小車坐標系中B坐標為（2*a，0）C坐標為（a，d）在地面參考系中 (3-10) (3-11)(5) 小車參數(shù)設(shè)定通過設(shè)定合理的參數(shù)，運用matlab輔助仿真，可得到小車各輪子的軌跡。在上述列出的參數(shù)中，可通過微調(diào)機構(gòu)調(diào)節(jié)的參數(shù)為曲柄長度r，通過換裝零件調(diào)節(jié)的參數(shù)為輪子直徑D(半徑R)。調(diào)節(jié)參數(shù)對小車主動輪軌跡的影響如下表所示。曲柄半徑r/m后輪直徑D/mm半個周期Y方向位移/mm轉(zhuǎn)彎跨度

13、/m0.0241807000.430.022008000.450.0162159000.420.01323010000.40.01125011000.40.0127012000.4250.0129013000.42表3.1 運用matlab分析軟件，假設(shè)繩輪角速度已知（在傳動比確定的條件，角速度不影響小車運動軌跡形狀），設(shè)定表3.1中各參數(shù)的值，繪制小車主動輪的理想軌跡圖象，直觀反映上述表格內(nèi)容，如圖3.3所示：圖3.3 小車主動輪軌跡形狀變化（紅色字體表示Y方向位移）理想狀態(tài)下小車主動輪運動軌跡如上圖所示。但在實際運動過程中，由于小車受到各種因素的限制，導(dǎo)致實際運動軌跡與理想運動分析軌跡存在

14、偏差。而且，表中數(shù)據(jù)表明，要達到各種軌跡形狀要求，必須同時調(diào)節(jié)曲柄工作長度和更換小車車輪，用于更換的輪子就有七套。綜合以上兩個因素，我們采用插值方式將輪子確定為190mm220mm250mm280mm四個尺寸。由此可以得出結(jié)論：要得到可靠的與軌跡對應(yīng)的r值和輪子大小，必須在真實條件下調(diào)試裝配好的小車。(6) 小車運動軌跡根據(jù)4中其他輪子與驅(qū)動輪的關(guān)系可以推出其他輪的軌跡函數(shù)，在matlab中繪制樁距為700mm時各輪子的運動軌跡如圖所示。圖3.4小車各輪子運動軌跡Matlab程序見附錄。3.2動力學(xué)分析要實現(xiàn)無碳小車的運動要求是重點在運動分析中確定轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎速度轉(zhuǎn)盤上小圓柱到中心的距離：1

15、5mm推桿和小車中心線的距離：50mm前輪到后輪的距離：150mm后輪直徑250mm繞線輪和后輪的傳動比 1：3（1） 啟動階段重物下落 (3-12)即有 (3-13)（重物質(zhì)量，繞繩所受拉力，重物下落加速度）重物下落時繞線輪獲得一驅(qū)動力矩 (3-14) (為繩拉力，為啟動階段繞線輪半徑)驅(qū)動力矩通過齒輪傳動給后輪 (3-15)（后輪等效驅(qū)動力，為后輪半徑）由此求出小車左后輪上的等效力，而這個等效力的反作用力就是小車前進的驅(qū)動力，即有 (3-16)圖3.5驅(qū)動力分析在小車起動過程中，前轉(zhuǎn)向輪、右后輪作為從動輪受到的總靜摩擦力為。若想要小車起動，則驅(qū)動力與總的摩擦力之間的關(guān)系應(yīng)為: (3-17)

16、 (靜摩擦力系數(shù)，小車整車質(zhì)量)且有 (3-18) (3-19) (3-20)（為小車總質(zhì)量（包括重物），g為重力加速度，為靜摩擦系數(shù)，為驅(qū)動加速度）驅(qū)動力在s使小車達到轉(zhuǎn)彎速度（2）勻速階段重物達到速度 (3-21)即， (3-22) (3-23)（為勻速階段繞線輪半徑） (3-24)同樣有一驅(qū)動力 (3-25)在小車轉(zhuǎn)彎時，地面除了給小車從動輪一個切向的動摩擦力（(3-26)），還提供:一個法向的分力作為小車的向心力，他們的合力就是小車轉(zhuǎn)彎時的總的動摩擦力， (3-27)由向心力公式: (3-28)可知，若轉(zhuǎn)彎半徑確定，轉(zhuǎn)彎速度與向心力F成正比。v越大，F(xiàn)越大，進而越大。當時，小車所受阻力

17、大，逐漸停下。因此，只有當,車速很低時，小車才能平穩(wěn)勻速轉(zhuǎn)彎。3.3小車參數(shù)設(shè)計（1）繞線輪半徑設(shè)計勻速階段有 (3-29)聯(lián)立(3-22) (3-23) (3-24) (3-25) (3-27) (3-28) (3-29)得 (3-30)(為傳動效率)代入數(shù)據(jù)得=后輪達到線速度 (3-31) (3-32) (3-33)代入數(shù)據(jù)得聯(lián)立(3-13) (3-14) (3-18) (3-19) (3-20) (3-21) (3-31) (3-32) (3-33)得(3-34) （2）車載載荷位置設(shè)計車載載荷用于平衡小車，需確定最佳位置使小車平衡行走。先假設(shè)一載荷質(zhì)量，求出求出此時的位置參數(shù),，然后通

18、過不斷地改變?nèi)_架位置，使車載載荷質(zhì)量不斷減小，理想狀態(tài)是使載荷重量變?yōu)?，小車都能平穩(wěn)行走。現(xiàn)假設(shè),求出位置參數(shù),動力系統(tǒng)分析三角架放置位置已確定小車未加重物時重心由solidworks求出假設(shè)重物m以a的加速度落下，根據(jù)牛頓第二定律和定滑輪特性必有T=m（g-a）（3-35）設(shè)，根據(jù)力的合成，合力大小F=2Tcos（/2）（3-36），方向為南偏西/2,三腳架高460mm圖3.6小車受力分析示意圖 以小車為研究對象，受力如圖4所示。其中重力，（為車架質(zhì)量，為砝碼質(zhì)量），繩拉力是主動力，, ,為地面的約束力，此5個力互相構(gòu)成空間平衡力系。 取坐標系如圖所示，列出三個平衡方程:；;； ；結(jié)論代

19、入式得具體設(shè)計結(jié)合CAD軟件Solidworks進行輔助設(shè)計，符合條件的e值直接體現(xiàn)在小車的cad模型上。3.4穩(wěn)定性分析 小車在行走過程中，會進行左右周期性的轉(zhuǎn)向，則必然會出現(xiàn)轉(zhuǎn)角最大的時候，也就是轉(zhuǎn)彎半徑R最小的時候，此時，就是小車最容易側(cè)翻的時候，由于小車是對稱機構(gòu)，其運動軌跡也是對稱機構(gòu)，所以小車的左右臨界側(cè)翻速度都一樣，下面以小車的右側(cè)側(cè)翻為例，對小車的穩(wěn)定性做一個系統(tǒng)的分析。圖3.7小車右側(cè)翻受力分析示意圖以小車為研究對象，受力如圖4所示。其中重力，繩拉力是主動力，, , 為地面的約束力，此5個力互相構(gòu)成空間平衡力系。 取坐標系如圖所示，列出三個平衡方程:； ； ；若小車出現(xiàn)右側(cè)翻

20、，則結(jié)論可算得此時的, ,其中(為砝碼向心力)(為車架向心力)為重塊的最小轉(zhuǎn)彎直徑則由此，可確定小車在行進過程中的最大速度，通過調(diào)節(jié)錐形繞線輪的大小則可改變速度，達到優(yōu)化分析的目的。總結(jié)：通過對無碳小車能耗規(guī)律模型的建立以及對動力系統(tǒng)的分析，優(yōu)化了小車的結(jié)構(gòu)，使小車在原有的基礎(chǔ)上行駛更遠距離，同時，通過對其進行的穩(wěn)定性分析，限制其行駛速度，從而使小車平穩(wěn)的行駛，達到了優(yōu)化的最終目的。實際條件下，在保證車子行走距離的前提下，我們應(yīng)該使v盡量小，或者求出一個最大的v值。通過設(shè)定繞線輪的半徑來保證這一速度，進而使小車行走平穩(wěn)，不致翻車。我們發(fā)現(xiàn)，我們設(shè)定的軌跡的最小半徑r=3.125m，由此得到的力

21、F遠不及大，因此在小車軌跡振幅較大時，可以不考慮。4、制造方案及成本估算主要零部件生產(chǎn)車架，傳動軸等非標準件。載荷塊（及徽標）軸承座，軸承，砝碼，齒輪，螺紋緊固件等標準件均為外購。制造方案零件毛坯材料毛坯尺寸每個毛坯可造零件數(shù)編號工序加工機床車板鋁合金300×300×211數(shù)控銑數(shù)控銑床2鉆孔普通鉆床車輪鋁合金300×300×311數(shù)控銑數(shù)控銑床2鉆軸孔普通鉆床3攻螺紋絲錐三角架鋁合金12×60×6011銑普通銑床2鉆孔普通鉆床3攻螺紋凹形件鋁合金50×50×6021銑普通鉆床2鉆孔普通鉆床3攻螺紋圓盤鋁合金1外包加工T型桿開槽件鋁合金30×30×601銑普通銑床2鉆孔普通鉆床3攻螺紋導(dǎo)向桿鋁合金30×30×601銑普通銑床2鉆孔普通鉆床3攻螺紋繞線輪塑料113D打印5、附錄5.1裝配圖圖5.1小車俯視圖圖5.2小車右視圖圖5.3小車軸側(cè)圖圖5.4小車局部圖5.5導(dǎo)向機構(gòu)5.2運動學(xué)分析程序：5.2.1小車各輪子軌跡程序r=0.024; R=0.09;w=1; b=0.05;d=0.15; i=3;a=0.075;v