無碳小車設計使用說明(一等獎作品)

1、第二屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽無碳小車設計說明書參賽者： 龔雪飛 趙鵬飛 劉述亮指導老師：朱政強 戴莉莉2011-1-16摘要第二屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題主題為“無碳小車” 。在設 計小車過程中特別注重設計的方法， 力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設 計思路；作品的設計做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設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)化設計 、優(yōu)化設計 、 系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計發(fā)發(fā)明理論方法；采用了 MATLAB 、PROE 等軟件輔助 設計。我們把小車的設計分為三個階段：方案設計、技術設計、制作調(diào)試。通過 每一階段的深入分析、層層把關，是我

2、們的設計盡可能向最優(yōu)設計靠攏。方案設計階段根據(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)六個模塊，進行模塊化設計。分別針 對每一個模塊進行多方案設計， 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、 行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速、 微調(diào) 機構(gòu)采用微調(diào)螺母螺釘。其中轉(zhuǎn)向機構(gòu)利用了調(diào)心軸承、關節(jié)軸承。技術設計階段我們先對方案建立數(shù)學模型進行理論分析，借助 MATLAB分別

3、進行了能耗規(guī)律分析、運動學分析、動力學分析、靈敏度分析。進而得出 了小車的具體參數(shù)，和運動規(guī)律。接著應用 PROE 軟件進行了小車的實體建 模和部分運動仿真。 在實體建模的基礎上對每一個零件進行了詳細的設計， 綜 合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等。小車大多是零件是標準件、 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。因為小車受力都不大，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)進行試驗， 在試驗的基礎上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。關鍵字 ：無碳小車 參數(shù)化

4、設計 軟件輔助設計 微調(diào)機構(gòu) 靈敏度分析目錄摘要緒論1.1 本屆競賽命題主題1.2 小車功能設計要求1.3 小車整體設計要求1.4 小車的設計方法方案設計2.1 車架1.1.2.2 原動機構(gòu).1.1.2.3 傳動機構(gòu).1.22.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu).1.32.5 行走機構(gòu).1.52.6 微調(diào)機構(gòu).1.61.7.1.8.技術設計3.1 建立數(shù)學模型及參數(shù)確定3.1.13.1.23.1.33.1.43.1.5能耗規(guī)律模型運動學分析模型動力學分析模型靈敏度分析模型參數(shù)確定3.2 零部件設計3.3 整體設計3.3.1 整體裝配圖3.3.2 小車運動仿真分析小車制作調(diào)試及改進4.1 小車制作流程詳見工藝分析方案

5、報告4.2 小車調(diào)試方法4.3 小車改進方法評價分析1.8.2.6.2.8.2.9.3.0.3.3.3.3.3.4.3.4.3.4.3.4.3.4.3.5.3.55.1 小車優(yōu)缺點3.55.2 自動行走比賽時的前行距離估計.3.5.5.3 改進方向.3.6六 參考文獻.3.6七 附錄7.1 裝配圖3.77.2 耗能分析程序4.1.7.3 運動學分析程序.4.2.7.4 動力學分析程序.4.4.7.5 靈敏度分析程序.4.7.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” 。命題與高校工程訓練教學內(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)新設計能力、制造工藝能力、實際 操作能

6、力和工程管理能力”四個方面的要求。1.2 小車功能設計要求給定一重力勢能， 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理， 設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。 該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上 設置的障礙物（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（50 X65 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動，不允許掉落。要求小車前行過程中完成的所

7、有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得， 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計完成。 要求滿足：小車上面要裝載一件外形尺寸為60 X20 mm的實心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應不小于30mm 。1.3 小車整體設計要求小車設計過程中需要完成：機械設計、工藝方案設計、經(jīng)濟成本分析和 工程管理方案設計。 命題中的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。 設計能力項要求對參賽作品的設計 具有創(chuàng)新性和

8、規(guī)范性。 命題中的制造工藝能力項以要求綜合運用加工制造工藝 知識的能力為主。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(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)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(shù)化設MATLAB 、計 、優(yōu)化設計 、系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計發(fā)發(fā)明理論方法。采用了PROE等軟件輔助設計。下面是我們設計小車的流程（如圖一）明確小車的任將箋菠丿f可行的方杲J評價零S陰牛諫計結(jié)束訪肅方零總體設計方峯設計技術設計制作調(diào)試圖一方案設計通過對小車的功

9、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(gòu)思。下面為我們設計圖框（圖二）無碳小車車架-原劫機構(gòu)持功機構(gòu)IJ轉(zhuǎn)向機構(gòu)IJ住匚三甬底fegri 'h 骨懸坯 繩輪式廣"直齒輪U <&$&|1 ' - r T 芾輪 不用附加伎動1尸i凸輪倚桿 I曲柄連桿吊帚'T曲柄搗T i h 差速轉(zhuǎn)向' _ 齬_ 'A

10、!雙輪差速礎動1-單馥辰動i裙槽2僮用sasr - 偏心輪 11> 單向軸祇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(yōu)。A廠簡化機構(gòu)詠摩擦損耗功能實現(xiàn)行走路程遠減少與地面的摩擦攪耗可根詣不同的地面調(diào)整駝動機構(gòu)減少轉(zhuǎn)珊軸承等直徑保證零件藉度選釋運當?shù)?h *才斛減少小車垂JS.S増大輪子的半徑避開障礙多保證加工裝配精度對小車行走影響較靈敏的零部件 尺寸可微調(diào)圖三2.1 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?？梢酝ㄟ^回收廢木材獲得，已加工。

11、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。 能實現(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(zhuǎn)化到驅(qū)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(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。 因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不 同的需要調(diào)整其

12、驅(qū)動力。 4.機構(gòu)簡單，效率高?；谝陨戏治鑫覀兲岢隽溯敵鲵?qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構(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傳動機構(gòu)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。1. 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。2. 帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、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(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動

13、比穩(wěn)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(yōu)先考慮使用齒輪傳動。2.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設計的關鍵部分， 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， 帶動 轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。 能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有： 凸輪機構(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)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?便可使從動

14、件得到任意的預期運動， 而且結(jié) 構(gòu)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：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(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的， 它不像凸輪機構(gòu)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(xiàn)給定的運動規(guī)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(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較 多，這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，工作效率降低

15、，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而 且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、 安裝誤差的敏感性增加； 機構(gòu)中做平面復雜運動和作往復運動的構(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，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。在本小車設計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機構(gòu)可以做的比較輕， 可 以忽略慣性力，機構(gòu)并不復雜，利用 MATLAB 進行參數(shù)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(diào)機構(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 性導致難以設計出較好的機構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎差速拐是利用兩個偏心輪

16、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。 小車通過差速實現(xiàn)拐 彎避障。差速轉(zhuǎn)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(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)向機構(gòu)的方案。2.5行走機構(gòu)行走機構(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系為對于相同的材料 為一定值。而滾動摩擦阻力fN_R，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

17、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(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(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)滿足要運動。單向軸承實現(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

18、輪切換過程中出現(xiàn)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。單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)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(qū)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(wěn)定， 傳動精 度比利用單向軸承高。綜上所述行走機構(gòu)的輪子應有恰當?shù)某叽纾?可以如果有條件可以通過實驗 來確定實現(xiàn)差速的機構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動。2.6 微調(diào)機構(gòu)臺完整的機器包括： 原動機、傳動機、執(zhí)行機構(gòu)、 控制部分、輔助設備。微調(diào)機構(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

19、桿方 案，由于曲柄連桿機構(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) 機構(gòu)，對誤差進行修正。 這是采用微調(diào)機構(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)機構(gòu)可以采用下面兩種方式微調(diào)螺母式、滑塊式如圖五*圖五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(yōu)的方案而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們設計了一種機構(gòu)簡單的小車，通過小部分的改動便可 以改裝成其它方案，再通過試驗比較得到最優(yōu)的小車。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(shù)學模型及參數(shù)確定通過對小車建

20、立數(shù)學模型，可以實現(xiàn)小車的參數(shù)化設計和優(yōu)化設計， 提高 設計的效率和得到較優(yōu)的設計方案。充分發(fā)揮計算機在輔助設計中的作用。3.1.1能耗規(guī)律模型為了簡化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設小車內(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Ni*下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有mghNim 總 gN i為第i個輪子對地面的壓力。Ri為第i個輪子的半徑。Si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

21、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)換效率的坐標圖（圖六）有上圖六可知滾動摩阻系數(shù)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(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的距離也提高 一倍。因此應盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡化機構(gòu)，充分潤滑。圖七為當摩阻系數(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)換效率的坐標圖5 0 5 02 2 11

22、 小牟前送的麗離5k:-nd.00.5 O.Ki OC O.GG 01.70.750.05.£>0.95卜午驅(qū)動憩率B1圖六O 6 n 5 r3 2 7 11 小前講的即離IJIIJ:siijmm.4 匕亠口 h-.u-00.50.55 e 0 650.70.750 S 0.850.90.95小車腮動皴率圖七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。25小車前進的距離1D2015500.50.55 0E D.eS 070.750 30.350.9.%.,.小年呃動效率.,3.1.2運動學分析模型符號說明:驅(qū)動輪半徑齒輪傳動

23、比I驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距2驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距召驅(qū)動軸（軸2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離E曲柄軸（軸1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離R曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑*連桿長軸的繩輪半徑r2rTOQia、驅(qū)動:當重物下降dh時，驅(qū)動軸（軸2）轉(zhuǎn)過的角度為d 2，則有d2dh2則曲柄軸（軸1）轉(zhuǎn)過的角度小車移動的距離為（以A輪為參考）ds R d 2b、轉(zhuǎn)向:當轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動軸間的夾角為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為1則與1滿足以下關:l2 c2 1 cos 2b c sin. 2 r1 sin 1r12 cos2 1解上述方程可得1與的函數(shù)關系式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，如圖:ai則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為tan

24、小車行走ds過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度ds當小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有dxds sindy ds cosd、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B ai a2 ,0C 的坐標 C a,d在地面坐標系中，有xBxA(a1a2 ) cosyByA(a1a2) sinxCxAa1 cosdsinyCyAd cosa1 sin整理上述表達式有：l2dh2Ji2c (1 cos)2z 222(b c sinr1 sin 1)r1 cos 1b aitandsdxds sindydscosXbXa(a1a2)cosYbYaGa2)sinxcXaa1cosd sinYcYaa1sind

25、 cosd為求解方程,把上述微分方程改成差分方程求解，通過設定合理的參數(shù)的到了小車運動軌跡如（圖六）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 T，有m(g a)產(chǎn)生的扭矩M 2 T r21，（其中1是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設置的系數(shù)。）驅(qū)動輪受到的力矩Ma，曲柄輪受到的扭矩Mi，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Ma2（其中2是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設置的系數(shù)）Fab、轉(zhuǎn)向假設小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為Mc，其大小可由赫茲公式求得,Nc 1B Rc2(冒2E2Nc c B2b由于b比較小,Mc 1cbB2對于連桿的拉力Fc，有s

26、inc2r1 sin 1 l_ci.c (1 cos ) arcsi ncosc2Fccos c2sinciFcc sin(c2 )c、小車行走受力分析設小車慣量為I，質(zhì)心在則此時對于旋轉(zhuǎn)中心 0的慣量為II m(ai)a3 (平行軸定理)小車的加速度為:NccJ(2、 2 A ai ) dt( A ai a2) RaA2aA aR整理上述表達式得:T =雅呂一d)M 2 = T - G -兒1=.1,N" +F盤說N. 11£ Rfc-Al _ 1 - M2、尺26 =C. C C- COS匕=a - arcs in I 2I cos 比寥2M = F cos B C s

27、in S tt1211M 1 =罠-c sinC 0 + 紜匚血亠宀）"=+ 曲KQ/ - d + <3/二 J、5 -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(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(yōu)的， 需要通過調(diào) 試試驗來確定最優(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)對小車運行軌跡的影響，和指導如何調(diào)試這里對小車各個參數(shù)進行靈敏度 分析。通過MATLAB編程得到r1a1曲柄半徑轉(zhuǎn)向桿的連桿長度幅值周期方向-0.0117-0.

28、09158528.135176.5727-35.3795578.82-0.31631.46546923.714450.040819-1.63769-176.95516.39132528.1437-0.27592-18.9437-117.7383.525236-196.268528.5547535.3565528.1465527.5711477.35613.1.5 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

29、=0.01347;繩輪半徑r2=0.0063.2零部件設計需加工的零件:a.驅(qū)動軸6061空心鋁合金管。外徑6mm內(nèi)徑3mmb .車輪聚甲醛板(POM板材)。厚度：8mm，規(guī)格尺寸：600*1200mm2.2可購買的標準件:a.單向離合器軸承2個型號Beari ng Number外型尺寸(mm)FC系列dD10FC-6K(2)b . RBL關節(jié)軸承1個：SQ 5-RSc.調(diào)心球軸承1個軸承代號dDB1355196d .深溝球軸承1個型號內(nèi)徑(d)外徑(D)R85ZZ58d .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

30、數(shù)=45，外徑=47mm，內(nèi)徑=10mm ， 厚度=10mm 材質(zhì)：夾布塑料3.3整體設計331整體裝配圖蚯-.3 7*5Z / ' 叱A3.3.2 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(tài)仿真，詳見視頻。四 小車制作調(diào)試及改進4.1 小車制作流程詳見工藝分析方案報告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，小車前進的距離等。1）小車的速度的調(diào)試：通過小車在指定的賽道上行走，測量通過指定點的時間

31、，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗，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的距離。2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個機構(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， 小車由于設計時采用了多組微調(diào)機 構(gòu)，通過觀察小車在指定賽道上行走時避障的特點， 微調(diào)螺母， 慢慢小車避障 性能改善，并做好標記。4.3 小車改進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， 導致無法前進， 于是想法 改進，使小車能量損失減少，同時

32、故障出現(xiàn)的次數(shù)減少，穩(wěn)定性能較好，避障 多，前進遠。另外，本組采用微調(diào)機構(gòu)，但通過計算編程發(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，于是想法改進使小車精度降低，加工成 本也減低。五 評價分析5.1 小車優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）小車機構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少，2）多處采用微調(diào)機構(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， 4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過快，缺點： 小車精度要求高，使得加工零件成本高，以及微調(diào)各個機構(gòu)都很費時，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通過理論與實踐結(jié)合，小車行走距離（

33、包括繞開障礙物）約 20-25 米。5.3 改進方向小車最大的缺點是精度要求非常高， 改進小車的精度要求， 使能調(diào)整簡單， 小車便能達到很好的行走效果。六 參考文獻七 附錄7.1 裝配圖7.2 耗能分析程序clear clc tic %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) ypxl n=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;for i=1:10% sgm=(0.1*i+0.2)/nn;%mz=1.75-0.2+0.2*i;R1

34、=R1+20/nn;R2=R2+20/nn;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);toc7.3 運動學分析程序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 b %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 %驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 %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

35、%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=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a1=0.08;%驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2=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 d d=0.18;a1a2a1a2%轉(zhuǎn)向桿的長 cc=0.06;匸sqrt(bA2+r1A2)+(0.351)/1000;g=-10;sd2=h/r2; sd1=sd2/ii+pi/2;C=|A2-2*cA2-r1A2.*(cos(sd1)A2-(b-r

36、1.*si n( sd1).2;A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1);B=-2*c2;af=asi n(C./sqrt(AA2+BA2)-ata n( B./A);format |ongrou=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

37、); yc=y-a1*sin(bd)+d*cos(bd);p|ot(x,y, 'b',xb,yb,'b' ,xc,yc,'m' );ho|d ongrid onfor i=1:9 t=0:0.01:2*pi; xy=0.01.*cos(t)-0.23;yy=0.01.*sin(t)+i;p|ot(xy,yy);ho|d onendtoc7.4 動力學分析程序clear clc ticn=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

38、a2a2=0.08;%曲柄半徑 r1 r1=0.01347;%繩輪半徑 r2 r2=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;匸sqrt(bA2+r1A2)+(0.351)/1000;%算法g=-10;sd2=h/r2; sd1=sd2/ii+pi/2;C=|A2-2*cA2-r1A2.*(cos(sd1)A2-(b-r1.*si n( sd1).2;A=2.*c.*(b-r1.*sin(sd1);B=-2*c2;af=asi n(C./sqrt(AA2+BA2)-ata n( B./A);format |ongrou=a1+(d)./(tan(af);

39、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*rc2;a3=0.05;ll=l+m*(

40、rou-a1)A2+a3A2);%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;%接觸應力sgmc=sqrt(Nc/B/RC)/(2* pi*(1-muA2)/E1); bc=Nc/sgmc/2/B;%摩擦因素 mucmuc=0.1;%摩擦力矩 McMc=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=II./rou;NRA=NCNB*R./rou;aa=(mMN-NCNB