字組國賽報告

1、8字組無碳小車經(jīng)驗之談比 賽 報 告 時間:2014年6月2014年12月目錄摘要3目錄21 “8”字軌跡的實現(xiàn)41.1 無碳小車整體結(jié)構(gòu)41.2 驅(qū)動系統(tǒng)建模分析41.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模分析41.4小車行走軌跡61.4.1 A輪行走軌跡61.4.2 小車其他輪的軌跡62 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計72.1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)。7機架剛度要求8考慮溫度影響8考慮地面影響9考慮裝配92.2 微調(diào)機構(gòu)92.2.1“V”字形微調(diào)機構(gòu)（如圖2）10正反絲連桿調(diào)節(jié)機構(gòu)10彈簧絲桿調(diào)節(jié)機構(gòu)112.3 傳動及驅(qū)動機構(gòu)112.4 軸承座122.5 底盤及支架133 加工134 裝配135 調(diào)試146 競賽147 團隊組建158 小結(jié)

2、16參考文獻16附錄17摘要本項目設(shè)計一種重力勢能驅(qū)動的自動避障小車，整個環(huán)節(jié)包括小車的軌跡優(yōu)化，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，機械加工，裝配，調(diào)試和團隊組建。無碳小車以“8”形軌跡繞樁循環(huán)運行，軌跡曲線的平滑度和形狀直接決定了小車的穩(wěn)定性和繞樁數(shù)量。通過建立數(shù)學模型，對無碳小車的運動過程進行分析，對模型中各參數(shù)進行不斷地調(diào)整，最終獲得了具體的分析結(jié)果和直觀的軌跡函數(shù)圖像，從而確定了影響小車運行軌跡的各參數(shù)最優(yōu)值。為無碳小車的調(diào)試和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。無碳小車行走及轉(zhuǎn)向的能量全部由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而來，小車繞樁數(shù)量越多，前進距離越長，性能越好。因此對無碳小車運動規(guī)律的研究對提高其性能具有重要意義。在各個環(huán)節(jié)中，積

3、累了一些教訓及經(jīng)驗，為使下屆競賽參賽的學弟學妹們少走彎路，特作該調(diào)查報告。本文是以“軌跡仿真設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，加工，裝配，調(diào)試，競賽，團隊組建”七個部分展開敘述的。關(guān)鍵詞： 無碳小車 重力勢能 軌跡 數(shù)學模型 優(yōu)化1 “8”字軌跡的實現(xiàn)1.1 無碳小車整體結(jié)構(gòu)為適應(yīng)大賽賽題，無碳小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為三輪結(jié)構(gòu)，前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動，并且兩后輪同為驅(qū)動輪，采用單向軸承食兩后輪實現(xiàn)差速運動，相當于“分時復用”，從而提高運動平穩(wěn)性。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 無碳小車整體結(jié)構(gòu)示意圖1.2 驅(qū)動系統(tǒng)建模分析小車行駛，當重物緩慢下落時，通過牽引線帶動繞線軸轉(zhuǎn)動，繞線軸與后輪軸通過齒輪傳動，傳動比為，則主動輪A

4、前進的距離轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的曲柄即在繞線軸上，曲柄轉(zhuǎn)過的角度1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由空間RSSR機構(gòu)組成，建模求解曲柄L1的輸入角和搖桿L3的輸出角之間的關(guān)系。建立空間直角坐標系，具體如圖2所示。圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中空間RSSR機構(gòu)示意圖鉸接點坐標：，設(shè)計時特別要求：，并且當曲柄L1繞OZ軸轉(zhuǎn)動到Y(jié)OZ平面內(nèi)時，搖桿L3與OZ軸保持平行。由幾何原理得出 (1)根據(jù)三角關(guān)系可得 (2) （3）將式（2）（3）代入式（1）得設(shè) 則原式可寫為求解上式得1.4小車行走軌跡1.4.1 A輪行走軌跡無碳小車前輪為轉(zhuǎn)向輪，A輪為主動輪，B輪為從動輪。當重物下落時，主動輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動小車前進，同時前輪做周期性擺動

5、。前輪轉(zhuǎn)過的角度為時小車前進距離為，整體轉(zhuǎn)過的角度在地面坐標系中，小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有1.4.2 小車其他輪的軌跡以輪A為參考，在小車的運動坐標系中，輪B的坐標,C的坐標在地面坐標系中，有在程序中給各參數(shù)賦初始值，通過不斷地對各參數(shù)進行調(diào)整，最終得出較為合理的軌跡函數(shù)圖像，如圖3所示。從函數(shù)圖像中看出，曲線光滑、連續(xù)，沒有較大的突變，此時的各參數(shù)值即為理論上的最優(yōu)值，具體值為：齒輪傳動比為18/68，繞線軸半徑為4，后輪半徑R為150/2，曲柄L1為30.，連桿L2為110.7，轉(zhuǎn)向桿L3為39，為50，為50，為117.5。圖3 無碳小車運行軌跡函數(shù)圖像 其中在找尋能模擬出8字軌跡的初始參

6、數(shù)的過程還是比較困難的，當找到初始參數(shù)后，對參數(shù)進行調(diào)整使“8”字軌跡僅可能重合，并趨于平滑的曲線，從而找到最佳的軌跡參數(shù)。通過對程序的調(diào)試，也可發(fā)現(xiàn)模擬軌跡的重合度對參數(shù)的精度要求極高，軌跡的重合度越高則參數(shù)精度就越高。 2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計是決定后期成敗的最關(guān)鍵因素。設(shè)計是基礎(chǔ)，是方向，方向一旦選錯，即便后來做的很好，也是無可挽回的，所以，一開始必須花大量的時間投入大量的精力去設(shè)計，去驗證，不要急于趕進度，不要滿足于現(xiàn)狀，眼光要放遠，在這里我主要講一下無碳小車設(shè)計時的注意事項： 2.1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)。轉(zhuǎn)向機構(gòu)可以為凸輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)和曲柄轉(zhuǎn)向機構(gòu)。曲柄轉(zhuǎn)向機構(gòu)又可分為曲柄連桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)。曲柄

7、連桿機構(gòu)又可分為RSSR空間四桿機構(gòu)和平面四桿機構(gòu)。我們采用的是RSSR空間四桿機構(gòu)，這里重點講述。機架剛度要求圖 4這里我首先舉一個例子，要求做一個水缸，甲公司負責做缸蓋，乙公司負責做缸體。如果乙公司不小心把缸體做小了，當把缸蓋蓋到缸體的時候，可以說缸蓋相對于缸體太大，也可以說缸體相對于缸蓋太小。圖4中機架A就相當于上例中的缸體，連桿相當與上例中的缸蓋，當小車按理論值做好掛上重物后，機架A會發(fā)生如圖5的變形，相對來說連桿變長了，這樣小車的路線就會發(fā)生改變。所以機架A的剛度一定要得到保證。圖5考慮溫度影響當環(huán)境溫度發(fā)生改變，金屬材料會發(fā)生一定的深長或縮短，如果連桿和機架A變化量相同，那么溫度對

8、小車軌跡是沒有影響的，但實際連桿和機架變化量是不同的，那么就會出現(xiàn)連桿相對變長或變短的現(xiàn)象，影響了小車的運行軌跡，所以在材料選擇上盡量選擇變化率相同的材料加工機架A和連桿?？紤]地面影響小車運行的標準地面是乒乓球木質(zhì)桌面。因不同的桌面摩擦系數(shù)和彈性等性能不同，導致小車的運行路線不同，因此在對車進行微調(diào)精調(diào)和參數(shù)記錄時，要到標準的乒乓球木質(zhì)桌面?？紤]裝配在本次比賽中，對小車傳動及轉(zhuǎn)向機構(gòu)的拆裝是一個重要環(huán)節(jié)。為了保證再裝配后的小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的精度與拆裝之前相差不大，在設(shè)計之初一定要充分考慮到小車，尤其是其轉(zhuǎn)向機構(gòu)的裝配精度要求，嚴格控制零件及軸承的配合間隙。另外，應(yīng)對軸承加以設(shè)當?shù)念A緊力以減小軸承精

9、度對小車的影響。 2.2 微調(diào)機構(gòu)微調(diào)機構(gòu)是針對小車運行方向偏離的調(diào)節(jié)來設(shè)計的，目的是為了減小調(diào)節(jié)誤差，要做到“大調(diào)節(jié)，小變化”的調(diào)節(jié)效果。因小車的軌跡對轉(zhuǎn)向機構(gòu)的尺寸精度要求極高，為了精確快捷的調(diào)出理想軌跡曲線，小車就必須采用微調(diào)機構(gòu)，保證小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)各尺寸精度，這也是達到高水平的關(guān)鍵。“V”字形微調(diào)機構(gòu)（如圖6）圖6原理圖如圖4。首先假設(shè)連桿可以自由伸長，當搖桿中的桿A由狀態(tài)1調(diào)節(jié)到狀態(tài)2時，連桿被拉長了，實際中連桿可以看成剛體，那么再將連桿壓縮，由圖5可以看到前輪與軸線方向夾角發(fā)生了改變，這就是該機構(gòu)的工作原理，其調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為AB/BC。正反絲連桿調(diào)節(jié)機構(gòu)圖7該機構(gòu)可以通過螺紋連接，調(diào)

10、節(jié)連桿長度，起到調(diào)節(jié)的作用。優(yōu)化設(shè)計：將目前的正反絲螺紋換成同向螺紋，只是兩端螺紋螺距不同，那么調(diào)節(jié)將會更加精密。具體如圖6所示。彈簧絲杠調(diào)節(jié)機構(gòu)圖8該機構(gòu)是利用螺紋旋進的方式改變?nèi)f向節(jié)球頭距轉(zhuǎn)向軸的距離，從而改變轉(zhuǎn)向桿（圖2中桿)的長度，使調(diào)節(jié)更加方便，在調(diào)試中得到很好的利用。改進方案：除有絲桿控制距離調(diào)節(jié)外，絲桿兩邊各并列一根光杠，一保真直線度，提高調(diào)節(jié)過程的位置精度。 2.3 傳動及驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)為齒輪傳動，齒輪傳動具有：效率高，傳動比穩(wěn)定，工作可靠性高等優(yōu)點。還需重點強調(diào)的是該車為雙輪驅(qū)動，如圖8所示。即兩后輪都分別按有單向軸承，當小車做圓弧轉(zhuǎn)動行使時，外側(cè)輪的速度高于內(nèi)側(cè)輪的速度，

11、內(nèi)側(cè)輪為驅(qū)動輪，驅(qū)動軸的動力作用在內(nèi)側(cè)輪上，外側(cè)輪則相對差動。最外側(cè)安裝在后輪的單向軸承是為了防止后輪軸向竄動，影響小車運動軌跡，避免給小車帶來不必要的誤差。雙輪驅(qū)動的優(yōu)點是動力均勻，行使速度平穩(wěn)。大大降低小車停車和側(cè)翻的可能性。 2.4 軸承座 競賽規(guī)則要求小車可以快速拆解裝配，由于軸承與支座，軸承與軸都為過盈配合，并且線切割難以保證軸承座孔的加工精度，因此設(shè)計支座結(jié)構(gòu)如圖：圖9此結(jié)構(gòu)不但降低了加工難度，而且為后期的快速裝配環(huán)節(jié)提供了保障。 2.5 底盤及支架底盤越低，重心越低，車在運行過程中越穩(wěn)定，為保證穩(wěn)定性墊板到桌面的距離一般取5mm左右，由于車的行駛軌跡為“8”形，故穩(wěn)定性要求較高。

12、由于車在行駛時速度越小，車輪打滑、車體側(cè)翻等意外情況發(fā)生率越低，所以小車最佳運行狀態(tài)為：小車由靜止加速到V0，之后以速度v0勻速運動。可以看出，v0越小，小車整體運行越慢，所以盡可能減小小車的發(fā)車速度。減小摩擦和減輕小車整體質(zhì)量便可以以很小的力矩發(fā)起車來，這樣加速度較小，v0便較小，小車整體運行較慢，便可以保證精確穩(wěn)定的運行?？梢酝磕櫥蛠頊p小摩擦，將底盤、支架多余的空間進行適當?shù)溺U空，可以降低小車質(zhì)量。3 加工競賽實際比的是精度，因此加工環(huán)節(jié)顯得尤為重要，對轉(zhuǎn)向機構(gòu)的精度要求最高，傳動機構(gòu)最主要的是保證其剛度。建議優(yōu)先選擇機加工，盡量避免手工加工，能線切割的盡量不用手鋸。能鉆床加工的盡量不

13、用手鉆。加工精度要求較高的孔要進行鏜孔。底盤可以先采用線切割再數(shù)控銑。車輪可以先采用線切割外輪廓再車加工，最后再線切割內(nèi)部，以減輕質(zhì)量。為避免車軸變形，車軸要選用45鋼。齒輪要優(yōu)先選用滾齒加工。重物下降時會發(fā)生晃動，影響小車運行精度，所以砝碼的三根鋁棒支架要緊貼砝碼的外壁安裝，對重物塊進行約束，防止小車側(cè)翻。4 裝配裝配前要對加工的零件進行去毛刺修整，清理表面油污及劃痕。裝配時一定保證軸承與軸的同軸度，齒輪的嚙合，曲柄與軸的垂直度。皮帶的松緊度，兩后輪的平行度，如果達不到設(shè)計要求要及時進行修正或另外加工。裝配完成后用手轉(zhuǎn)動車體各個有相對運動并且相互配合的零件，看是否可以正常運轉(zhuǎn)，如果摩擦力較大

14、，要進行及時檢查修正。另外，檢查各零件的強度、剛度是否達到要求，檢查各零件間是否出現(xiàn)干涉。5 調(diào)試(1)調(diào)試人主要由主發(fā)車手擔任，盡量不要換人，調(diào)試及發(fā)車手要有很好的心理素質(zhì)，能做到上場不慌，思路清晰，發(fā)車時的各個細節(jié)處理到位。(2)在小車的調(diào)試要按照“定位”的原則進行，如每次發(fā)車時，前輪的偏角、整車的偏角以及后輪的找地點都要一致，發(fā)車手對車的觀察角度、視線等一切關(guān)系到發(fā)車誤差的因素都要考慮在內(nèi)。(3)當需要對小車的微調(diào)結(jié)構(gòu)進行調(diào)整時，要做到單向調(diào)整，如需對“V”字微調(diào)結(jié)構(gòu)螺柱進行調(diào)節(jié)時，如果調(diào)節(jié)過量，應(yīng)先將螺柱退回到調(diào)節(jié)之前的位置，再重新旋進。(4)每次發(fā)車時注意觀察和調(diào)整重物塊高度，確保重

15、物塊高度在合理范圍內(nèi)，如果重物塊高度不合適，不要將就，應(yīng)立即調(diào)整，以便適應(yīng)比賽中快節(jié)奏的操作環(huán)節(jié)。(5)發(fā)車手是團隊中對小車最了解，觀察力最強的隊員。發(fā)車手在調(diào)試過程中不但要奉獻大量的體力，還應(yīng)該多觀察，多思考，多試驗，多總結(jié)。在小車初期制作及改裝中，發(fā)車手應(yīng)提出更多更有價值的改進方案。調(diào)車就是團隊尤其是發(fā)車手和車的共同成長。（6）對小車運行速度的調(diào)試，小車的運行速度對小車的軌跡和運行狀態(tài)影響很大，也直接影響著小車的成績，小車拐角處的曲率很大，即曲率半徑小，這就導致了小車此刻的離心力很大，當大于小車自身的重力時，小車將發(fā)生側(cè)翻，這對于小車將是災(zāi)難性的后果，所以轉(zhuǎn)彎時，小車速度不宜過大。小車速度

16、越小即小車越穩(wěn)，軌也越接近理想狀態(tài)，但速度太低小車中途停車的可能性就增大。速度的調(diào)試難度在于，桌面環(huán)境和溫度環(huán)境的變化都會引起速度的變化，而傳統(tǒng)的改變繞線軸的大小來調(diào)節(jié)速度的變化，顯得很困難，不夠方便?？梢杂门渲卣{(diào)節(jié)速度，用不同大小的重物加到底盤上，從而方便快捷的調(diào)節(jié)小車的速度和穩(wěn)定性。6 競賽第一，要端正自己的心態(tài)，明確自己參加競賽的目的， “態(tài)度決定一切” 。只有態(tài)度端正了，才能全身心地投入競賽，才能在競爭中處于不敗之地。第二，要有熱情。熱情是動力的源泉，沒有熱情，就沒有前進的動力。如果對參加比賽抱著試一試的態(tài)度，不下定決心，是不會有什么結(jié)果。第三，要有嚴謹?shù)目茖W精神。小車設(shè)計是一個用科學

17、來指導實踐，把科學運用到實踐中去的過程。既然是指導實踐，就應(yīng)該做到事無巨細，考慮周全。調(diào)試是一個繁雜的過程，要清楚調(diào)節(jié)先后順序，要把責任落實到每個隊員的身上，每個人負責自己的工作，運用控制變量法調(diào)節(jié)，同時要時刻記錄實驗數(shù)據(jù)，最后處理數(shù)據(jù)、寫出報告。光有這些還是不夠的，還要認真，要努力，要有敢于挑戰(zhàn)的信心。我們必須嚴肅認真的思考我們需要做那些努力，認認真真的把我們必須作的事情作好。 第四，要有團隊精神?！皥F結(jié)就是力量”，三個人要善于合作，把心放在一條戰(zhàn)線上。小車制造的過程，是要經(jīng)過方案設(shè)計，三維設(shè)計，優(yōu)化及修改，出圖，圖紙審核等過程來完成的，在此過程中有大量的工作要做，三個人要進行合理的分工。在

18、制作過程中，就應(yīng)該確定誰該干什么工作，在遇到問題的時候，三個人應(yīng)要把思想集中到一起，仔細的討論，明確問題的所在，然后沿著這條路子探尋，有時候跟指導老師、其他組隊員討論。吸取他們的意見再從中提煉出的解決辦法。在遇到思想產(chǎn)生分歧，不統(tǒng)一時，三個人要不斷地交流，積極處理好矛盾，以及互相鼓勵。第五，比賽要沉著，滿懷信心。賽場上賽出水平賽出風格，賽場上肯定是緊張的，但是要緊張而不慌張，每一次發(fā)車一定要心里有數(shù)，不能亂了陣腳。7 團隊組建本競賽是團隊賽，培養(yǎng)的是當代大學生團隊協(xié)作能力，另外，該競賽工作量比較大，工作范圍比較廣，包括“文字材料的書寫”“快速成型”“裝配與調(diào)試”等，負責文字材料書寫的同學必須熟

19、練掌握word辦公軟件，繪圖軟件，機械加工工藝，成本分析，工程管理等；負責快速成型的同學必須熟練掌握三維繪圖軟件，能熟練的進行三維建模，具備較強的讀圖繪圖能力；負責裝配與調(diào)試的同學必須對機械結(jié)構(gòu)比較敏感，并且有很好的耐心。組建團隊是一件非常關(guān)鍵的一步，團隊成員之間性格一定要和的來，每個成員都要對小車懷有濃厚的興趣，因為之后你們會在一起相處很長時間，經(jīng)歷很多事情，只有相互體諒，志同道合，才能堅持下去，一個人的力量是薄弱的，眾人拾柴火焰才能高。綜上所述，在組建自己的團隊時，我建議參考以下原則：(1)興趣。興趣是最好的老師，沒有濃厚的興趣是不可能做好的，只有3個人都對小車懷有濃厚的興趣，志同道合，做

20、自己喜歡做得事，比賽在你看來只是夢想道路上的副產(chǎn)品。(2)態(tài)度。態(tài)度決定一切，如果你只是懷著打打醬油，碰碰運氣的話，勸你還是不要來參加該項比賽，什么是對待該項比賽的態(tài)度呢？比如你怎么準備的校賽，是盡自己的最大努力了嗎？一些文檔是翻閱資料自己寫的，還是這里粘貼一 句，那里復制一行呢？端正自己的態(tài)度，你只有尊重比賽，比賽才會回報你成功！(3)性格。這個比賽是個長期的過程，如果你期望在這個過程中慢慢的磨合，那么你已經(jīng)輸在起跑線上了，在準備參加這個比賽之前就應(yīng)該有自己的團隊，成員之間應(yīng)該能熟悉相互的性格，才能做到相互體諒，每個人都應(yīng)該能為團隊無私奉獻，不要計較得與失。(4)核心。每個團隊都應(yīng)該至少有一

21、位是主力成員，并且既然稱得上主力，那么他一定能起到帶頭的作用，他要付出的最多，有指導與號召團隊的能力，團隊不能沒有核心。請慎重組建自己的團隊！8 小結(jié)整個為比賽準備和比賽的過程是緊張而繁重的，但充滿了溫馨，因為有隊員的合作、鼓勵和支持；領(lǐng)導的關(guān)心；老師的指導。通過這次競賽使我多了一種充實自我的經(jīng)歷，多了一份設(shè)計的經(jīng)驗，多了一份坦然面對的自信。通過小車競賽更使我們難忘的，使我們學會了堅持不懈，敢于挑戰(zhàn)自我。參加此次小車競賽使我們學到了許多知識， 讓我們終身難忘。這段日子的收獲不是簡單的幾句話就能列舉出的，所得到的感觸實在頗多，無碳小車競賽是一項很有意義的活動，這段日子的回憶會伴我一生，

22、這段日子的收獲會助我一世！希望我下幾屆的同學們都能夠積極參加這項活動！在此，要深深地感謝學校給于的這次挑戰(zhàn)自己的機會，要誠摯的感謝工程實訓中心領(lǐng)導的關(guān)心和指導我們的老師對我們的幫助。參考文獻1楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設(shè)計基礎(chǔ)（第五版）M.北京：高等教育出版社，20062哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學（）（第7版）M. 北京：高等教育出版社，2009.7附錄軌跡優(yōu)化Matlab程序:clearclc%參數(shù)輸入n=400;%重物下降的高度hh=linspace(0,0.1,n);%驅(qū)動軸傳動比ii ii=18/68;%后輪半徑R=0.150/2;%驅(qū)動輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1 a1=0.05;%驅(qū)動輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏