8字無碳小車畢業(yè)設(shè)計說明書

1、攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）8字無碳小車的設(shè)計與制作學生姓名： 岳華偉 學生學號： 200910603046 院（系）： 機械工程 年級專業(yè)： 2009級機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師： 謝永春 教授 助理指導教師： 二一三年六月摘要此次畢業(yè)設(shè)計的課題是“8字無碳小車”。在設(shè)計小車過程中特別注重設(shè)計的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設(shè)計思路；作品的設(shè)計做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計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 、優(yōu)化設(shè)計 、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法；采用了matlab、proe等軟件輔助設(shè)計。我把小車的設(shè)計分為三個階段：方案設(shè)計

2、、技術(shù)設(shè)計、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)計盡可能向最優(yōu)設(shè)計靠攏。方案設(shè)計階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機器的構(gòu)成（原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架 、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)等六個模塊，進行模塊化設(shè)計。分別針對每一個模塊進行多種方案設(shè)計，通過綜合對比選擇出其中的最優(yōu)的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動機構(gòu)采用了錐形軸、傳動機構(gòu)采用齒輪或沒有該機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄連桿+槽輪機構(gòu)、行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速、微調(diào)機構(gòu)選用微調(diào)螺母螺釘。其中轉(zhuǎn)向機構(gòu)利用了調(diào)心軸承、關(guān)節(jié)軸承。技術(shù)設(shè)計階段我們先對方

3、案建立數(shù)學模型進行理論分析，利用matlab分別進行了能耗規(guī)律分析、運動學分析、動力學分析以及靈敏度分析。從而得到了小車的具體參數(shù)和運動規(guī)律。然后應(yīng)用proe軟件進行了小車實體建模和小車部分運動仿真。在實體建模的基礎(chǔ)之上對每一個零件進行了詳細的設(shè)計，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等各種因素。小車使用的零件大多是是標準件、可以購買，同時除部分要求加工精度高的部分需要特殊的加工外，大多數(shù)零件都可以通過手工加工出來。對塑料可采用切割。且因為小車受到的力都不大，因此大量采用膠接，這樣可簡化零件及零件裝配。調(diào)試過程會通過微調(diào)等方式改變小車參數(shù)進行試驗，在試驗的基礎(chǔ)上驗證小車運動規(guī)律，同時確定小車最

4、優(yōu)的參數(shù)。 關(guān)鍵字：無碳小車 參數(shù)化設(shè)計 軟件輔助設(shè)計 微調(diào)機構(gòu) 靈敏度分析abstractthe graduation design topic is eight words carbon-free car. in the process of design of the car with a special focus on design methods, strive to based on the analysis of the proposition have clear and open design ideas; work design do have systemic stan

5、dardization and innovation; considered in the design process to factors such as material, processing, manufacturing cost. we draw lessons from the parametric design, optimized design, system design and other modern design theory of invention method; used the software such as matlab, proe, cad.i put

6、the car design can be divided into three stages: project design, technical design and production of debugging. through every stage of the in-depth analysis, cengcengbaguan, as far as possible to the optimal design is our design.scheme design stage according to the car function requires us based on t

7、he composition of the machine (prime mover structure, transmission mechanism, actuator and control section, auxiliary part) put the car into the frame, engine structure, transmission mechanism, steering mechanism, travel mechanism, adjustment mechanism and so on six modules, carries on the modular d

8、esign. separately for each module for a variety of scheme design, through the comprehensive comparison choose the combination of optimal solution. our solution is: the frame uses triangle plate type, engine structure adopted the conical shaft, transmission mechanism adopts gear or not the institutio

9、ns, steering mechanism adopts the crank connecting rod + tank with one wheel drive wheel mechanism, travel mechanism to achieve differential, selects the adjustment nut screw fine-tuning mechanism. the steering mechanism takes advantage of the self-aligning bearings, joint bearings.technical design

10、phase we to plan through theoretical analysis, the mathematical model is established using matlab, respectively, the rule of energy consumption analysis, kinematics analysis, dynamics analysis and sensitivity analysis. to get the specific parameters of the car and the motion law. then using proe sof

11、tware on the car movement simulation entity modeling and car parts. based on solid modeling for each part has carried on the detailed design, considering the parts material performance, processing technology, cost and other factors.used car parts are mostly is standard parts, can buy, at the same ti

12、me, in addition to the part machining precision demanding part need special processing, most of the parts can be covered by the manual processing. the plastic can be used. and because the car by the force is not large, so large with glue, which can simplify the parts and components assembly. debuggi

13、ng process will test by fine-tuning ways such as changing the parameters of the car, on the basis of the experiment verify the car motion law, determine the car at the same time the optimal parameters.key words: carbon-free car parametric design sensitivity analysis software aided design fine tuning

14、 mechanism目錄摘要2一論述41.1設(shè)計布置方案41.2功能設(shè)計要求51.3整體方案設(shè)計61.4小車的設(shè)計方法6二 方案設(shè)計72.1車架102.2原動機構(gòu)102.3傳動機構(gòu)102.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)112.5行走機構(gòu)162.6微調(diào)機構(gòu)18三 技術(shù)設(shè)計203.1建立數(shù)學模型及參數(shù)確定203.1.2運動學分析模型233.1.3動力學分析模型273.2整體設(shè)計293.3.1整體裝配圖293.3.2設(shè)計過程303.3.3小車的零件設(shè)計38四 小車調(diào)試及改進394.1小車調(diào)試方法394.2小車改進方法40五 評價分析405.1小車優(yōu)缺點405.2自動行走比賽時的前行距離估計415.3改進方向41結(jié)論41

15、參考文獻41附錄a41致 謝41一論述 小車功能設(shè)計要求無碳小車走“8”字形越障的設(shè)計1.1設(shè)計布置方案 圖1 無碳小車示意圖1.2功能設(shè)計要求 以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車。給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)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300mm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(shù)的多少來綜合評定成績。見下圖二： 圖二小車繞行所

16、用乒乓球臺及障礙設(shè)置圖給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），用質(zhì)量為1kg的重塊（5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差4002mm，重塊落下后，重物須被小車承載，并同小車一起運動，不允許掉落。要求小車在前行過程中完成的一切動作所需的能量均由重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可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，1個驅(qū)動輪，一個從動輪），具體結(jié)構(gòu)以及材料選用均由學生自主設(shè)計完成。要求滿足：小車上面要裝載一件外尺寸為6020 mm的實心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于400克；在小車行走過程中，載荷不可掉落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。1.3整體方案設(shè)計 通過對小

17、車的功能分析小車需要成功的將重力勢能的轉(zhuǎn)換為動能、驅(qū)動小車自身行走、同時還要能自動避開障礙物。為了方便設(shè)計根據(jù)小車所要完成的任務(wù)將小車劃分為五個部分進行模塊化設(shè)計（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)）。為了得到最優(yōu)的設(shè)計方案，現(xiàn)在采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，對每個模塊分塊設(shè)計，在每個模塊中尋求多種可行的方案和構(gòu)思，并在這些設(shè)計方案和構(gòu)思中選擇最優(yōu)方案。對此我參考各許多資料，如高等教育出版社出版的機械原理及機械設(shè)計。并在網(wǎng)上收集了相關(guān)資料。 小車設(shè)計過程中需要完成：機械設(shè)計、工藝方案設(shè)計、經(jīng)濟成本分析以及工程管理方案設(shè)計。設(shè)計能力項要求對作對產(chǎn)品的設(shè)計具有創(chuàng)新性和

18、規(guī)范性。工程管理能力項要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)劃達到最優(yōu)方案。課題中的制造工藝能力項以要求綜合運用加工及制造工藝知識的能力為主。 1.4小車的設(shè)計方法小車在設(shè)計過程中應(yīng)有清晰地思路，明確的目的，并充分考慮加工的難易程度以及是否經(jīng)濟可行，充分考慮材料成本、加工工藝是否可行以及制造的難易程度。并且要有開闊的思路，創(chuàng)新的精神，勇于創(chuàng)新，在創(chuàng)新中發(fā)展。 在設(shè)計方法上我借鑒了參數(shù)化設(shè)計 、優(yōu)化設(shè)計 、系統(tǒng)設(shè)計等各種現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法。不斷改進設(shè)計。采用了matlab、proe等計算機軟件輔助設(shè)計。下面是我們設(shè)計小車的流程圖三通過在每個模塊的反復(fù)推敲思考，通過否定

19、一些加工難度大或者經(jīng)濟性，實用性等原因，選取最佳的設(shè)計思路。二 方案設(shè)計 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行模塊化設(shè)計（五部分分別為：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)）。為了得到較為令人滿意方案，采用擴展性思維設(shè)計所有的模塊，尋求多種可行的方案以及構(gòu)思。下面為我設(shè)計過程中的設(shè)計圖框（圖四）圖四在選擇方案時應(yīng)綜合考慮小車需要實現(xiàn)的功能、材料、加工、制造的難易程度、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，從客觀的事實出發(fā)，減少主觀能動性，一切以原理和實際情況

20、為依據(jù)，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。如下圖五： 圖五2.1車架車架由于不需要承受太大的重力勢能，所以其對強度要求不高。在考慮到制作成本和加工的難易程度后，由于鋁板密度小，強度對于制作小車也足夠，同時易于加工，所以車架采用鋁條焊接鋁板加工制作成底板，即方便也經(jīng)濟。2.2原動機構(gòu)原動機構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。我們設(shè)想使用飛輪作為儲能機構(gòu)，小車對原動機構(gòu)應(yīng)有這些要求。1.驅(qū)動力適中，不會使小車拐彎時因速度過大而是離心力增大導致小車傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.小車在到達終點前重物豎直方向上的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖量。同時使重物的動能盡可能的

21、轉(zhuǎn)化為驅(qū)動小車前進的驅(qū)動力，假如重塊豎直方向的速度較大，重物本身還有較多動能未釋放出來，能量利用率不高，將減小小車的行程。3.由于小車在不同的場地時，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驅(qū)動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力剛好合適。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機構(gòu)簡單，能量損耗越小，能量利用率越高，則效率高。所以我選用了錐形的繞線輪原動機構(gòu)，這樣就可以調(diào)整驅(qū)動力。通過調(diào)節(jié)繞線輪兩端半徑，繞線位置的粗細就可以調(diào)整驅(qū)動力的大小。2.3傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)的功能是傳遞運動，就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并且按設(shè)計的軌道精確

22、地行駛，傳動機構(gòu)應(yīng)提高傳遞效率高、保證傳動穩(wěn)定、并且使其結(jié)構(gòu)簡單重量輕等同時還要考慮經(jīng)濟性和加工難易程度。最后綜合各方面的因素，設(shè)計出最優(yōu)的傳動機構(gòu)。常見的傳動機構(gòu)如下：1.不用額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單可減少小車的質(zhì)量。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。但是在此處不適合作小車的傳動。2.帶輪是一種繞性傳動。帶輪的結(jié)構(gòu)簡單，具有傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點但是帶輪的傳遞效率效率及傳動精度并不高。小車的傳動精度要求很高，所以帶輪不適合作本小車的傳動機構(gòu)。3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長、傳動比穩(wěn)定但價格較高，制造與安裝精度

23、要求高，價格昂貴，且不能用于傳動距離較大的場合，分為開式齒輪、半開式齒輪以及閉式齒輪。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。 綜上的分析，小車的傳動機構(gòu)選用齒輪傳動為最優(yōu)，可保證傳遞的平穩(wěn)性，同時也能保證傳遞精度，是這幾種傳動方式中最好的。2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本無碳小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能能否實現(xiàn)，是小車設(shè)計中的核心。轉(zhuǎn)向機構(gòu)同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，這樣才能減少能量損耗，增加能量的利用率，同時要保證盡量使結(jié)構(gòu)簡單機構(gòu)越復(fù)雜，在機構(gòu)中所損失的能量就越多，零部件已獲得等基本條件，同時小車還需要有特殊的運動特性。能夠把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回周期性

24、的擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪向左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避物障的功能。能實現(xiàn)此種功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿+曲柄、曲柄連桿+搖桿、不完全齒輪+曲柄+搖桿，差速轉(zhuǎn)彎等等，棘形輪機構(gòu)。凸輪 凸輪是一個具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，凸輪通常為主動件作等速轉(zhuǎn)動，但也可作往復(fù)擺動或者移動，它與推桿配合是想轉(zhuǎn)向。它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的預(yù)期往復(fù)運動，這取決于凸輪的形狀。凸輪機構(gòu)的最大優(yōu)點：只要適當?shù)脑O(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞€，就可使推桿得到各種預(yù)期的運動規(guī)律，而且響應(yīng)快，機構(gòu)簡單緊湊、設(shè)計方便；缺點：凸輪輪廓線與推桿之間為點接觸、線接觸，易磨損，同時凸輪加工比較困難。在無碳小車設(shè)計中由于：凸輪輪廓

25、加工相當困難，尺寸不能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的改變，精度要求高，因此很難保證，重量較大，增加了小車的重量，效率低能量損失大（滑動摩擦），因此不采用。 曲柄搖桿曲柄搖桿結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有個滑動的摩擦副，因此其效率低。其急回特性導致難以設(shè)計出比較好的機構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎差速轉(zhuǎn)彎是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，因為兩輪子的角速度一樣但轉(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。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠的設(shè)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(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）棘形輪機構(gòu)圖七：棘形輪機構(gòu)優(yōu)點：通過棘形

26、輪的間歇性運動，使得小車運動到在描紅部分時，棘輪的帶齒部分未與齒輪嚙合，前輪的轉(zhuǎn)動角度不改變，當小車運動到黑線軌跡部分時，棘輪的帶齒部分與齒輪相嚙合，此時小車前輪轉(zhuǎn)向發(fā)生變化，小車進入下一個圓中運動，以此類推，小車不斷地作重復(fù)“8”字進行運動。軌跡可以最大程度優(yōu)化，是理想的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。缺點是裝配精度高，造價高，不太適合低速運動。槽輪機構(gòu)圖八：槽輪機構(gòu)槽輪機構(gòu)由外槽輪機構(gòu)和內(nèi)槽輪機構(gòu)之分，都可以用作平行軸之間的間歇傳動，但前者槽輪與撥盤轉(zhuǎn)向相反，而后者則于轉(zhuǎn)向方向相同。槽輪機構(gòu)一般應(yīng)用在轉(zhuǎn)速不高、要求間歇地轉(zhuǎn)過一定角度的分度裝置中。槽輪機構(gòu)優(yōu)點：槽輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸小，機械效率高，并能較平穩(wěn)

27、的、間歇地進行轉(zhuǎn)位。缺點：轉(zhuǎn)動時尚存在柔性沖擊，故常常用于速度不太高的場合。綜合分析后選擇槽輪機構(gòu)+搖桿機構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。2.5行走機構(gòu)行走機構(gòu)為一個驅(qū)動輪，一個從動輪和一個轉(zhuǎn)向輪，輪子的厚薄，材料和大小有不同，應(yīng)充分考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 對于相同的材料為一定值。而滾動摩擦阻力，因此輪子越大小車受到的阻力越小，小車能夠走的更遠。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。因小車是沿著曲線前進的，所以后輪必定會產(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)動一定要有有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦系數(shù)遠比滾動摩擦的

28、大，會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，將無法確定其軌跡，不能夠有效避免障礙物。雙輪差速驅(qū)動能避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或者單向軸承來實現(xiàn)差速驅(qū)動。差速器涉及到了最小能耗原理，能較好的減少摩擦，同時能夠?qū)崿F(xiàn)需要的運動。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是其中一個輪子速度較大的便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著做主動輪。但由于單向軸承間存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中會出現(xiàn)誤差導致運動不準確，是否會對小車的功能產(chǎn)生影響還需進一步分析。單輪驅(qū)動即只利用其中一個輪子作為驅(qū)動輪，一個作為導向輪，另一個則為從動輪。從動輪與驅(qū)動輪間的差速是依靠與地面的運動約束來確定的。其

29、效率比利用差速器要高，但前進速度卻不如差速器穩(wěn)定，傳動精度也比利用單向軸承高。綜上所述，行走機構(gòu)的輪子應(yīng)具有恰當?shù)某叽?，如果有條件?？赏ㄟ^實驗來確定選用哪種差速的機構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可采用單輪驅(qū)動。2.6微調(diào)機構(gòu) 一臺完整的機器包括：原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行部件、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機構(gòu)是小車的控制部分。本小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)確定為采用槽輪機+構(gòu)曲柄連桿+搖桿方案，但是由于由于加工誤差和裝配誤差的原因，而曲柄連桿機構(gòu)對于裝配誤差以及加工誤差都很敏感，因此就一定要加上微調(diào)機構(gòu)，進行調(diào)整從而對誤差進行修正改進，對小車行走路線進行矯正。這是使用微調(diào)機構(gòu)的一個最重要的原因。另一方面：通過可使用微調(diào)機構(gòu)

30、來矯正小車的軌跡，如幅值、周期、方向等因素，使小車走一條最佳的運動軌跡。所以微調(diào)機構(gòu)的使用是必不可少的的，微調(diào)機構(gòu)使用得當可對小車軌跡進行修正，微調(diào)機構(gòu)一般可以采用下面兩種方式微調(diào)螺母式、滑塊式。如下圖所示： 圖九：微調(diào)機構(gòu)三 技術(shù)設(shè)計技術(shù)設(shè)計階段時完成小車的詳細設(shè)計并確定零部件的尺寸，將小車的各個部分都設(shè)計出來。在設(shè)計階段應(yīng)對小車的運動軌跡、轉(zhuǎn)向等進行分析，在技術(shù)設(shè)計階段設(shè)計時應(yīng)充分考慮加工過程的成本和難易程度等各種因素。3.1建立數(shù)學模型及參數(shù)確定通過對小車建立數(shù)學模型能夠?qū)崿F(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計以及優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的效率并且得到較優(yōu)秀的設(shè)計方案。充分發(fā)揮計算機在輔助設(shè)計中的作用。 3.1.

31、1能耗規(guī)律模型為了簡化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。小車輪與地面之間的摩阻系數(shù)為，理想情況下可認為重塊的重力勢能都用在小車克服摩擦力做功上。則有是個第i個輪子對地面的壓力。是第i個輪子的半徑。是第i個輪子行走的距離為小車的總質(zhì)量為了更全面的了解小車的各個參數(shù)變化對小車前進距離的變化，分別從a.輪子與地面的滾動摩阻系數(shù)、b.輪子的半徑、c.小車的重量、d.小車能量轉(zhuǎn)換效率。四方面考慮。 查閱相關(guān)資料知道一般材料的滾動摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。下圖為當車輪半徑分別為（75mm，31mm）摩阻系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5.mm時小車的行走的距

32、離與小車的內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖如下 圖十由上圖可知滾動摩阻系數(shù)對小車的運動影響非常明顯，因此在設(shè)計小車時也特別注意考慮輪子使用何種的材料，輪子的應(yīng)當剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)應(yīng)盡可能小。同時，可看到車為輪提供能量的效率提高一倍，小車前進的距離也會提高一倍。因此應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦力，從而減小損耗。因此應(yīng)簡化機構(gòu)，并充分潤滑。圖十一所表示的是當摩阻系數(shù)為0.5，車輪半徑每增加10mm時的小車行走的距離與小車內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換效率的坐標圖圖十一 可知當小車的半徑每增加1cm小車便能夠可多前進1m到2m。因此在設(shè)計時應(yīng)當盡可能增大輪子的半徑。3.1.2運動學分析模型符號說明：驅(qū)動輪半徑：齒輪傳動

33、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：軸繩輪半徑：a、驅(qū)動：當重物下降時，驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過的角度為，則有則曲柄軸轉(zhuǎn)過的角度小車移動的距離為b、轉(zhuǎn)向：當轉(zhuǎn)向桿和驅(qū)動軸間的夾角為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為則與滿足以下關(guān)： 解上述方程可得與的函數(shù)關(guān)系式c、小車行走軌跡只有a輪為驅(qū)動輪，當轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為小車行走過程中，小車整體所轉(zhuǎn)過的角度當小車轉(zhuǎn)過角度為時，有d、小車其他輪的軌跡以輪主動輪為參考，則在小車的運動坐標系中，b的坐標c的坐標在地面坐標系中，有整理上述表達式有： 為求

34、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)的到了小車運動軌跡如（圖十四）圖十四3.1.3動力學分析模型a、驅(qū)動如圖：重物以加速度向下加速運動，繩子拉力為，有產(chǎn)生的扭矩，（其中是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)。）驅(qū)動輪受到的力矩，曲柄輪受到的扭矩，為驅(qū)動輪a受到的壓力，為驅(qū)動輪a提供的動力，有（其中是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)）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，其大小可由赫茲公式求得，由于b比較小，故對于連桿的拉力，有c、小車行走受力分析設(shè)小車慣量為，質(zhì)心在則此時對于旋轉(zhuǎn)中心的慣量為（平行軸定理）小車的加速度為：整理上述表達式得：3.2整體設(shè)計3.3.1

35、整體裝配圖3.3.2設(shè)計過程 1. 設(shè)計要求根據(jù)設(shè)計要求，小車驅(qū)動部分采用一質(zhì)量為1kg的重塊作為小車的驅(qū)動源。重塊距離小車底板部分的高度為500mm,總體具有的重力勢能為5j。以此來驅(qū)動下車形式，并在行駛過程中規(guī)避中心距為300-500mm的兩個彈性障礙，小車的行駛路線為8字行。2. 設(shè)計計算部分 按8字樁最小距離300mm計算，由于小車在走8字時，其精確軌跡無法估算，先在暫時認為小車在走八字是近似為掃描圓形軌跡，如下圖所示：圖1-1 小車掃描軌跡 根據(jù)圖1-1和圓的周長公式，我們可以大致確定出小車所要走過的路徑，根據(jù)公式： .將數(shù)據(jù)代入公式中可得： 由于小車要走過的距離為兩個圓的周長，所以

36、小車要走過的距離為而繩子所下降的距離為500mm.根據(jù)摩擦理論可知：摩擦力矩和正壓力的關(guān)系為：.而滾動摩擦所受的阻力為：.根據(jù)上述公式我們可以初步判定我們無碳小車的設(shè)計原則，即小車質(zhì)量要輕，輪體直徑應(yīng)盡可能的大。初步計算時，為了方便計算，我們初步取得輪子直徑為100mm,但是在繪圖的過程中發(fā)現(xiàn)無法安裝轉(zhuǎn)向機構(gòu)，所以后初步設(shè)計直徑為152mm。小車至少要完整的走過一圈的距離，所以車輪要轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為：.式中：將以上數(shù)據(jù)代入公式中：根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)即無碳小車的傳動路線，小車采用的是重塊通過繩索直接與滾筒相連，由滾筒驅(qū)動與之同軸的齒輪，齒輪再驅(qū)動后面的小齒輪。而在齒輪傳功中，齒輪件的傳動比常取，在此我們?nèi)?/p>

37、常用傳動系數(shù)2.則與滾筒同軸的齒輪需要轉(zhuǎn)動1.97圈，同樣的滾筒也要轉(zhuǎn)1.97圈。近似的我們圓整為2圈，又因為小車上的重塊需要下降500mm，據(jù)此根據(jù)公式我們可以估算出小車滾筒的直徑：在繪圖過程中，根據(jù)裝配的要求我們?nèi)∏拜喼睆綖?0mm。參考同類型的無碳小車的設(shè)計，我們?nèi)⌒≤嚨凝X輪的模數(shù)為1.小齒輪的齒數(shù)取30，則大齒輪齒數(shù)為60齒。齒輪的各個參數(shù)如下（此處我們?nèi)↓X寬系數(shù)為0.5）：齒數(shù)模數(shù)分度圓直徑齒頂圓直徑大齒輪6016062小齒輪3013032 無碳小車的中心距（即兩輪軸之間的中心距）越大，則其通過性越好，但是轉(zhuǎn)彎半徑越大，中心距越小，其轉(zhuǎn)彎半徑越小，轉(zhuǎn)向也就越靈活，但是還要考慮到元器件

38、的安裝，參考“f_star”方案中的小車的長度，我們初選小車的輪距為180mm。寬度為110mm。要使小車走出8字，我們必須對小車的運動狀態(tài)進行建模，如下圖所示：圖 1-2 任意軌跡點上小車的運動狀態(tài)在建模之前我們要進行必要的簡化，首先要假定，小車在轉(zhuǎn)向時內(nèi)部的轉(zhuǎn)向輪在地面上做純滾動（實際上由于采用同步驅(qū)動結(jié)構(gòu)，內(nèi)部轉(zhuǎn)向輪會有部分摩擦，為簡化期間，將其忽略不計），小車兩輪之間的間距，暫定為w，車身長度為l，并設(shè)任意時刻小車車身與x軸的夾角為，小車前輪與車身軸線的夾角為，并以小車前輪為計算基準點，設(shè)小車前輪走過微小的距離 ，則會同時引起車輪的轉(zhuǎn)向和前移。其中對小車前進引起的分量為，對轉(zhuǎn)向引起的分

39、量為。下面分別討論這兩個分量的作用。前進引起的分量會引起小車的前移，由于小車的直徑為152mm，則小車后輪的轉(zhuǎn)角為：，而根據(jù)其傳動路線，小車后輪的轉(zhuǎn)動又會引起小車前輪的轉(zhuǎn)向，根據(jù)其傳動線路，小車后輪轉(zhuǎn)角引起的前輪轉(zhuǎn)角為，式中k為曲柄連桿機構(gòu)桿位移量與轉(zhuǎn)角變化量之間的關(guān)系。設(shè)前輪與小車中心線間的初始夾角為，則任意軌跡點上，前輪與小車之間的夾角為：.下面討論轉(zhuǎn)向貢獻量引起車身與x軸夾角的變化量：.設(shè)車身與x軸夾角的初始角度為則任意軌跡點上小車的車身與x軸的夾角為：.根據(jù)設(shè)計要求，認為小車的初始位置在坐標（0，0）處，則任意軌跡點上小車前輪的位置坐標為：.結(jié)合.不難求出車身上任意一點的坐標。以上的理

40、論分析部分可以讓我們更好的理解小車在掃描8子軌跡時，所具有的運動狀態(tài)。另外通過圖1-1我們可以看出小車要完成八字行走軌跡，在小車在掃描8字軌跡時，其前輪要完成兩個周期的轉(zhuǎn)向，而且，為了方便的計算出小車轉(zhuǎn)向所需要的角度，通過對其進行理論分析，并參考f-star方案中的相關(guān)參數(shù)，我們近似認為小車走的是近8型偏轉(zhuǎn)軌道，依次來計算出小車所需的偏轉(zhuǎn)角度，并以此為基礎(chǔ)來設(shè)計凸輪，當然，在實際的加工過程中，我們還要預(yù)留可調(diào)節(jié)單元，以使其符合實際運行軌跡。在f-star方案中，其計算得出小車的最大轉(zhuǎn)角為11.3度，在此我們進行圓整，使其為12度，并留有可調(diào)節(jié)單元，使其適應(yīng)不同的場合和角度。在繪制圖紙的過程中，

41、我們根據(jù)不干涉原則，并盡可能的減小小車搖桿的長度，以此取得小車轉(zhuǎn)向搖桿的中心長度為35mm.小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如下圖所示：圖 1-4 小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由圖1-4我們可以看出，小車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)我們采用雙滑塊機構(gòu)，通過槽輪機構(gòu)來驅(qū)動小車的轉(zhuǎn)向。以此我們來進行小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計。圖 1-5 轉(zhuǎn)向機構(gòu)分析圖通過畫圖，我們可以得到，小車要完成12度的轉(zhuǎn)向，頂桿部分所行使的距離為7.34，在此我們圓整為8， 1m根據(jù)實際情況，設(shè)定小車繞過障礙物時，距其0.1m，則設(shè)路線方程為y=sinax+0.1。并將點（1,0.1）代入方程，得到路線方程為y=sin0.1x+0.1。對一個周期內(nèi)的路線積分得s1=。槽輪機構(gòu)的設(shè)計槽

42、輪槽數(shù)n和圓銷數(shù)k是槽輪機構(gòu)的兩個最主要參數(shù)。為了使槽輪在開始轉(zhuǎn)動和終止轉(zhuǎn)動時的角速度為零以避免剛性沖擊，圓銷進入或脫離槽輪的徑向槽時，圓銷中心的軌跡圓應(yīng)當與徑向槽的中心線相切。從而可得槽輪轉(zhuǎn)動時撥桿的轉(zhuǎn)角為 在一個運動循環(huán)中，槽輪的運動時間與原動件1的運動時間之比稱為運動系數(shù)，用表示。對于單銷槽輪機構(gòu)，若原動件等速轉(zhuǎn)動一周為一個運動循環(huán)，則時間之比可轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角之比，即 由于0，所以0，則有z3。由上式知，這種單銷槽輪機構(gòu)的運動系數(shù)總小于05，即得到槽輪的運動時間總小于靜止時間。如果在原動件上均勻地裝有k個圓銷，則有原動件每轉(zhuǎn)過a就是一個運動循環(huán)。若原動件轉(zhuǎn)過一個周期所需時間不變，顯然原動件完

43、成一個運動循環(huán)所需的時間應(yīng)為a；帶動槽輪轉(zhuǎn)動一次所需時間仍為td，則 由于槽輪總是作間歇轉(zhuǎn)動的，所以其運動系數(shù)r總小于1，所以由上式可得 由上式可知：當z=3時，k15;當z=4或5時，k=13；當z6時，k12。槽數(shù)n的選擇除應(yīng)滿足工作要求外，還應(yīng)考慮機構(gòu)運動的平穩(wěn)性和機構(gòu)的尺寸大小。槽頂高aacos()，當中心距a一定時，z越大，尺寸a也越大，故轉(zhuǎn)動時槽輪的慣性力矩也越大。小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)中通過分析應(yīng)當使撥盤轉(zhuǎn)一圈時，槽輪轉(zhuǎn)，槽輪轉(zhuǎn)動，帶動曲柄機構(gòu)轉(zhuǎn)動180度，由于槽輪的間歇轉(zhuǎn)向作用，從而實現(xiàn)換向，完成走8字的運動在設(shè)計中，z=4，使用1個圓銷。中心矩l=45mm，圓銷半徑r=3.求出 撥盤

44、的直徑及槽輪軸的直徑受以下條件限制： 鎖止弧的半徑大小根據(jù)槽輪輪葉齒頂厚度b來確定，通常取b=3-10。小車的播盤直徑和槽輪軸直徑都取6mm3.3.3小車的零件設(shè)計需加工的零件：a驅(qū)動軸實心鋼棒。外徑6mmb車輪聚甲醛板（pom板材）。厚度：8mm，規(guī)格尺寸：600*1200mmc.槽輪機構(gòu)d.車輪支架可購買的標準件：軸承 內(nèi)徑為6mm，外徑為17mm的深溝球軸承齒數(shù)為30，模數(shù)為1，齒頂圓直徑為32的齒輪齒數(shù)為60，模數(shù)為1，齒頂圓直徑為62的齒輪四 小車調(diào)試及改進4.1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，還必須用大量的實踐去驗證。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