S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) I 摘要 S曲線無(wú)碳小車來(lái)自全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題，本文通過(guò)認(rèn)真分析任務(wù)要求，確定小車應(yīng)有的功能，完成了方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和加工裝配調(diào)試三個(gè)階段，制作出了行駛平穩(wěn)輕巧，效率高且轉(zhuǎn)彎半徑、周期可調(diào)的小車，并提出了提高零件精度和增加賽道校準(zhǔn)裝置的改進(jìn)方向。 在方案設(shè)計(jì)中，根據(jù)功能性需求，小車按模塊化設(shè)計(jì)可分為六個(gè)部分：車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)每個(gè)部分采用擴(kuò)展性思維尋求多種可行方案，并綜合考慮功能實(shí)現(xiàn)、加工裝配、成本可行性等因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 其中，車架為骨架式玻纖板，原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滑輪組和變徑繞線軸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用關(guān)節(jié)軸承連接的曲柄連桿機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用單輪差速、微調(diào)機(jī)構(gòu)采用細(xì)螺紋調(diào)節(jié)搖桿與連桿長(zhǎng)度以及微調(diào)圓盤(pán)調(diào)節(jié)曲柄長(zhǎng)度。 在技術(shù)設(shè)計(jì)中，采用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法，通過(guò)MATLAB建模做能耗規(guī)律和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，并使用SolidWorks仿真分析，繪制圖紙。 關(guān)鍵詞 模塊化設(shè)計(jì)，matlab建模，solidworks仿真，曲柄連桿機(jī)構(gòu)，單輪差速 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract The non-carbon car of S curve is from the national comprehensive ability training contest of college students of engineering, in this paper, through careful analysis of mission requirements, the cars function is determined. It completed the three phase of technical design and assembly design, debugging, produced a stable running lightweight, high efficiency and turning radius, adjustable cycle cart, and put forward the improvement direction of improving the accuracy of parts and adding the track calibration device. In the design of the scheme, concerning the functional requirements, according to the modular designing,the car can be divided into six parts: frame, driving mechanism, transmission mechanism, a steering mechanism, driving system, adjustment mechanism. For each part, it used the extended thinking to seek a variety of options, andconsider factors, such as the realization of the function, processing and assembling, cost and feasibility, to optimize the design. Among them, the frame is frame type of glass plate, driving mechanism adopts group and variable diameter pulley spool, the steering mechanism adopts a crank connecting rod mechanism, connected by joint bearing, driving system has a differential single wheel, adjusting mechanism uses fine thread to adjust the length of rocker and the connecting rod, and the trimming disc to adjust crank length. In the technical design, using the modern design method, it made energy consumption analysis of law and kinematics by the MATLAB modeling, designed key parameters, then did SolidWorks simulation, and produced drawings. Key Words modular designing, matlab modeling, SolidWorks simulation, crank connecting rod mechanism, single differential wheel S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) III 目錄 摘要 . I Abstract . II 1 緒論. - 1 - 1.1 小車的設(shè)計(jì)要求. - 1 - 1.2 小車的設(shè)計(jì)方法. - 2 - 2 方案設(shè)計(jì). - 4 - 2.1 車架. - 7 - 2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu). - 7 - 2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu). - 10 - 2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu). - 13 - 2.5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng). - 15 - 2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu). - 18 - 3 技術(shù)設(shè)計(jì). - 20 - 3.1 數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定. - 20 - 3.1.1 能耗規(guī)律模型. - 20 - 3.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型. - 23 - 3.1.3 確定零件尺寸. - 27 - 3.2 零部件設(shè)計(jì). - 29 - 3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)件及材料明細(xì)表. - 29 - 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 3.2.2需加工的零件. - 30 - 3.3 整體設(shè)計(jì). - 31 - 3.3.1 整體裝配圖. - 31 - 3.3.2 小車運(yùn)動(dòng)仿真分析. - 33 - 4 小車的加工、裝配和調(diào)試. - 34 - 4.1 小車零件的加工. - 34 - 4.2 小車的裝配. - 35 - 4.3 小車調(diào)試. - 36 - 5 評(píng)價(jià)分析及總結(jié). - 37 - 5.1 小車設(shè)計(jì)結(jié)果. - 37 - 5.2 小車設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn). - 37 - 5.3 改進(jìn)方向. - 38 - 5.4 總結(jié)和體會(huì). - 38 - 參考文獻(xiàn). - 39 - 附錄. - 40 - 附錄1 S曲線無(wú)碳小車命題要求. - 40 - 附錄2 耗能分析程序. - 41 - 附錄3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序. - 42 - S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 1 - 1 緒論 1.1 小車的設(shè)計(jì)要求 S曲線無(wú)碳小車需要采用三輪結(jié)構(gòu)，其前進(jìn)和轉(zhuǎn)向的能量來(lái)源必須來(lái)自給定的重力勢(shì)能，即重量1Kg的重塊（ 5065mm，普通碳鋼）垂直下降4002mm獲得的4J能量，重錘下落后需要同小車一起運(yùn)動(dòng)，不能脫離車身。 圖1.1 小車標(biāo)準(zhǔn)要求 要求小車一邊前進(jìn)，一邊自動(dòng)繞過(guò)障礙物，以小車避開(kāi)障礙物的數(shù)量和前進(jìn)的距離來(lái)綜合評(píng)定優(yōu)劣。障礙物為每隔1米放置的直徑 20mm、高200mm的彈性圓棒（如圖1.2）。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 2 - 圖1.2 小車?yán)@障要求 1.2 小車的設(shè)計(jì)方法 首先認(rèn)真對(duì)小車任務(wù)要求（詳見(jiàn)附錄1）進(jìn)行分析，得到小車明確的設(shè)計(jì)思路，下面是小車設(shè)計(jì)的流程。（如圖1.3） S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 3 - 圖1.3 設(shè)計(jì)流程圖沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 4 - 2 方案設(shè)計(jì) 通過(guò)分析，小車應(yīng)具備的基本功能有：重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身前進(jìn)、自動(dòng)避開(kāi)障礙物，并且要在一定的能量下盡可能提高前進(jìn)距離和繞桿數(shù)量。 根據(jù)小車的功能性需求，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。小車的設(shè)計(jì)劃分為六個(gè)部分：車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微調(diào)機(jī)構(gòu)。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并優(yōu)化設(shè)計(jì)。 下面為設(shè)計(jì)圖框（圖2.1）。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 5 - 圖2.1 設(shè)計(jì)圖框 在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能實(shí)現(xiàn)、加工制做、成本等各方面因素（如圖2.2），提出多種方案，不輕易做最終實(shí)施，從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 6 - 圖2.2 方案設(shè)計(jì)因素 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 7 - 2.1 車架 車架是其他支承件連接的基礎(chǔ)，是最重要的支承件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須合理、巧妙。車架體積不需要很大，所承載的負(fù)荷比較小，受力不是很大，主要部件尺寸也都較小。因此可以采用玻璃纖維板材，經(jīng)雕刻機(jī)加工成所需形狀，鉗工修磨后，拼接粘合成三角式車架和其他各個(gè)組件。加工簡(jiǎn)單，質(zhì)量可靠，成本低，重量輕。 2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用主要是將鐵錘下降的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)能?？梢詫?shí)現(xiàn)這一目的的方案有很多，如繞線輪和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，但后者需要較長(zhǎng)的空間，不容易實(shí)現(xiàn)，從效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看，采用線輪最佳。通過(guò)滑輪和尼龍線將動(dòng)力傳遞到繞線軸上，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。 此外，原動(dòng)機(jī)構(gòu)還應(yīng)滿足以下具體要求： 1.確保小車的驅(qū)動(dòng)力大小恰當(dāng)，減小車速，使小車在轉(zhuǎn)向時(shí)不會(huì)因重錘慣性或擺動(dòng)而失穩(wěn)，甚至傾翻。 2.地面對(duì)輪子的摩擦系數(shù)可能不同，因此在不同的場(chǎng)地小車是需要的動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)，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。 3.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠，能量轉(zhuǎn)化效率高。 綜上分析，本文提出了一種驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的變徑線軸原動(dòng)機(jī)構(gòu)。 如下圖2.3所示，重錘拴在線繩的一端，由兩個(gè)定滑輪支撐，可以垂直在籠中平穩(wěn)下降，為繞線軸提供平穩(wěn)而持續(xù)的動(dòng)力。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 8 - 圖2.3 滑輪組 為了避免小車在拐彎時(shí)因速度過(guò)大而發(fā)生傾翻，或重塊的劇烈搖晃影響其運(yùn)動(dòng)。必須限制重塊的晃動(dòng)，使其重心豎直方向始終經(jīng)過(guò)小車三個(gè)輪構(gòu)成的三角形內(nèi)，因此采用質(zhì)量較輕的碳纖維桿和玻纖板材圍成一個(gè)直徑合適的籠狀結(jié)構(gòu)（圖2.4），保證重塊在“籠”中平穩(wěn)下落，維持車體的平衡。此外，碳纖和玻纖材料的使用極大的減輕了小車的重量，同時(shí)降低小車的重心高度，保證小車運(yùn)動(dòng)中的車身穩(wěn)定。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 9 - 圖2.4 重錘在籠狀直筒中下降 線輪軸在小車動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)中起到了重力勢(shì)能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換作用。線輪軸的粗細(xì)將直接對(duì)小車的驅(qū)動(dòng)力大小，前進(jìn)速度和加速度產(chǎn)生影響。而線輪軸上的繞線位置將影響線繩對(duì)小車車身的力矩，影響兩驅(qū)動(dòng)輪所受的摩擦力分配，進(jìn)而影響小車前進(jìn)方向和差速效果。 由于最大靜摩擦一般情況下大于動(dòng)摩擦因數(shù)，起步所需的驅(qū)動(dòng)力也應(yīng)略大于正常前進(jìn)所需的驅(qū)動(dòng)力。 如果將線輪軸設(shè)計(jì)成圓柱，當(dāng)線輪軸的直徑過(guò)小時(shí)，將導(dǎo)致重物下落為小車提供的扭矩不足，小車可能會(huì)難以起步。當(dāng)線輪軸的直徑增大到能夠順利起步時(shí)，小車在后來(lái)的加速度將會(huì)過(guò)大，使小車不斷加速，行駛過(guò)快，影響到車身前進(jìn)的平穩(wěn)性，出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)，甚至有可能出現(xiàn)側(cè)翻，此外線輪軸過(guò)粗會(huì)使繞線的圈數(shù)減少，也會(huì)減少小車的繞桿數(shù)量和縮短前進(jìn)距離。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 10 - 經(jīng)過(guò)上述分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，將線輪軸設(shè)計(jì)成中間一段圓錐面的形式，并改變線繩的纏繞方式，起步時(shí)將線繞在直徑大的一段圓柱面上，啟動(dòng)后工作在直徑逐漸減小的圓錐面，經(jīng)短暫過(guò)渡后再工作在直徑小的軸上。該機(jī)構(gòu)（如圖2.5）可以根據(jù)變徑線軸與線繩相切處的直徑大小，調(diào)整扭矩的大小。 圖2.5 變徑線軸 該機(jī)構(gòu)（如圖2.5）可以通過(guò)改變繩子繞在變徑線軸上的部位不同，調(diào)整驅(qū)動(dòng)力的輸出。 2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 11 - 把動(dòng)力按準(zhǔn)確的傳動(dòng)比傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上，是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要作用。為了實(shí)現(xiàn)小車更遠(yuǎn)的行駛，更多的繞桿和精確繞桿，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要滿足傳動(dòng)比可靠、傳遞效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕的特點(diǎn)。 保證傳動(dòng)鏈與執(zhí)行件之間的嚴(yán)格傳動(dòng)比，盡量縮短傳動(dòng)鏈，減少傳動(dòng)件的個(gè)數(shù)，縮小傳動(dòng)誤差，盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會(huì)有效地提高能量利用率。由繞線軸直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、效率最高。這是在不考慮其它條件時(shí)最優(yōu)的方式，但這顯然不滿足變速和行程及扭矩的需要。因此，只能在考慮到結(jié)構(gòu)合理的前提下，盡量減少傳動(dòng)副的數(shù)量。 圖2.6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 12 - 實(shí)現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向，必須將繞線軸的動(dòng)力按精確的傳動(dòng)比輸出到后輪軸和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使前進(jìn)與轉(zhuǎn)向嚴(yán)格協(xié)調(diào)。齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定。齒輪的傳動(dòng)效率最高可達(dá)98%，因此可以很好的提高能量利用效率。考慮到傳動(dòng)所需載荷較小，金屬齒輪成本較高且重量大，因此選用工程塑料齒輪即可。 帶輪具有傳動(dòng)距離遠(yuǎn)、緩沖吸震等特點(diǎn)。因此從小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮，在動(dòng)力傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最后一環(huán)，選用帶輪傳動(dòng)。 各傳動(dòng)軸的材料要有足夠的支承剛度，減少受載后的彎曲變形，在布置上也要考慮軸的兩支承跨距要盡量小，使齒輪盡量靠近支承處，從而提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作精度。 繞線軸和驅(qū)動(dòng)軸之間采用一級(jí)齒輪增速（如圖2.7）。在兩根傳動(dòng)軸上安裝能夠相互嚙合的一對(duì)直齒輪，前軸（驅(qū)動(dòng)軸）上安裝小齒輪，在后軸上安裝大齒輪，把重物繞線繞于后軸，通過(guò)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比將重物下降的行程放大。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 13 - 圖2.7 增速齒輪副 2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是無(wú)碳小車設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。它需要盡量減少能量損失和可加工性好等基本條件，同時(shí)還需要能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)前輪導(dǎo)向，從而實(shí)現(xiàn)越障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：直動(dòng)推桿盤(pán)式凸輪機(jī)構(gòu)、圓柱凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 14 - 圖2.8 小車俯視圖 依靠直動(dòng)推桿盤(pán)式凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向：通過(guò)具有一定曲線輪廓的凸輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)向桿實(shí)現(xiàn)周期性的連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，控制前輪擺動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)按預(yù)定軌跡的轉(zhuǎn)向。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，只需給出合理的凸輪輪廓，就可以控制運(yùn)動(dòng)，但加工過(guò)程比較困難。 依靠圓柱凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向：通過(guò)具有一定曲線凹槽的凸輪連接構(gòu)件，使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的規(guī)律性擺動(dòng)。優(yōu)缺點(diǎn)與直動(dòng)推桿盤(pán)式凸輪機(jī)構(gòu)相同，加工更困難，且精度難以保證、尺寸微調(diào)困難，因此不采用。 依靠曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向。依靠曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)轉(zhuǎn)向桿實(shí)現(xiàn)周期性的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，以控制前輪預(yù)定往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，而且摩擦耗能小，可以使用市場(chǎng)上供應(yīng)的關(guān)節(jié)軸承；兩構(gòu)件之間的連接類型屬于幾何封閉，不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用外加彈簧來(lái)保持接觸。 但是曲柄連桿機(jī)構(gòu)一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；機(jī)構(gòu)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)有較大的慣性力，尤其是在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故曲柄連桿機(jī)構(gòu)常用于低速場(chǎng)合。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 15 - 圖2.8 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 由于本小車設(shè)計(jì)的速度和傳遞的力不大，零件質(zhì)量較輕，可以忽略慣性力。而且機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，可以用MATLAB和SoildWorks軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。而且有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件和工具可以改造，其中的連桿和曲柄也便于制作微調(diào)機(jī)構(gòu)，因此選用該方案。 2.5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即為三個(gè)輪子，是小車前進(jìn)和繞障運(yùn)動(dòng)的最終執(zhí)行裝置。需要控制的參數(shù)有差速裝置和輪子的材料、直徑、厚度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。 根據(jù)摩擦理論，摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 NM（2.1） 對(duì)于固定的材料為常數(shù)，滾動(dòng)摩擦力為 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 16 - RNRMf（2.2） 由等式（2.2）可知，輪子的直徑越大，小車受到的阻力越小，因此行駛距離和繞桿數(shù)目越多。但尺寸還需要考慮材料、加工、安裝等等問(wèn)題，后面將做進(jìn)一步分析確定。 后輪可以采用的方案有雙輪同步驅(qū)動(dòng)，使用差速器的雙輪差速驅(qū)動(dòng)，使用單向軸承的雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪差速驅(qū)動(dòng)。 由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。車輛在拐彎時(shí)車輪的軌跡是圓弧，如果車輛向左轉(zhuǎn)彎，圓弧的圓心在左側(cè)，同一時(shí)間內(nèi)右側(cè)輪子的路程比左側(cè)輪子長(zhǎng)。若兩側(cè)車輪固定于同一剛性轉(zhuǎn)軸上，以同一角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，則內(nèi)側(cè)或外側(cè)車輪在滾動(dòng)中必然發(fā)生滑移。為了減少滑移帶來(lái)的能量損失，必須通過(guò)動(dòng)力控制，使左邊車慢于右邊車輪，用不同的轉(zhuǎn)速來(lái)彌補(bǔ)距離的差異，減少輪子與地面的打滑，優(yōu)化轉(zhuǎn)向過(guò)程。 圖2.9 差速原理圖 雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定會(huì)產(chǎn)生輪子與地面的打滑，前進(jìn)受到過(guò)多的約束，能量損耗加大，因此應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。 使用差速器的雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題，這種差速方法能較多的減少摩擦損耗，實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)。但是，它需要采用將連接兩輪的車軸斷開(kāi)的半軸結(jié)構(gòu)，增加了裝配難度，而且車身結(jié)構(gòu)也將變得復(fù)雜。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 17 - 使用單向軸承的雙輪差速驅(qū)動(dòng)，其原理是根據(jù)速度調(diào)節(jié)阻力，自動(dòng)使速度較大的輪子成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，從而交替轉(zhuǎn)彎。但是，由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的切換過(guò)程中將出現(xiàn)誤差，影響運(yùn)動(dòng)的精度。 使用單輪差速驅(qū)動(dòng)是固定用一個(gè)輪子作主動(dòng)輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。就像一輛自行車后輪在旁邊裝上一個(gè)支撐輪。前進(jìn)方向的改變完全由前輪控制，轉(zhuǎn)彎圓弧內(nèi)側(cè)的輪子阻力始終大于外側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)差速。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，傳動(dòng)精度比利用單向軸承高，能量利用效率也比差速器高，但速度沒(méi)有使用差速器的雙輪差速驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定。 圖2.10 單輪差速 綜上，在本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，輪子直徑、厚度等尺寸應(yīng)恰當(dāng)，采用單輪差速驅(qū)動(dòng)。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 18 - 2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu) 機(jī)械裝置通常包括：原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分和輔助設(shè)備。而微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。其主要作用是調(diào)整小車的軌跡（幅值，方向，周期等），優(yōu)化小車的軌跡。此外，由于加工誤差和裝配誤差對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的影響很大，因此必須對(duì)誤差進(jìn)行修正。 本文設(shè)計(jì)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)包含了一個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由微調(diào)搖桿、微調(diào)連接桿、和微調(diào)曲柄組成。其中的微調(diào)曲柄由一個(gè)固定在帶輪軸上的調(diào)節(jié)圓盤(pán)和在圓盤(pán)上可以調(diào)節(jié)徑向位置的月牙板組成（如圖2.11）。 轉(zhuǎn)向軸承為桿端關(guān)節(jié)軸承，可以滿足一定角度的空間任意方向的全尺寸旋轉(zhuǎn)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)件可直接購(gòu)買，降低了制作成本。 圖2.11 微調(diào)連桿和微調(diào)曲柄 微調(diào)搖桿和微調(diào)連桿長(zhǎng)度的改變可以實(shí)現(xiàn)小車出發(fā)時(shí)前輪轉(zhuǎn)角位置的精確調(diào)節(jié)，從而保證整個(gè)軌跡的中位線方向與賽道平行，影響小車的前進(jìn)軌跡。其微調(diào)由螺距很小的螺紋連接實(shí)現(xiàn)，可以精確調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 19 - 調(diào)節(jié)曲柄長(zhǎng)度可以對(duì)轉(zhuǎn)向輪擺角幅度進(jìn)行調(diào)整，從而控制小車轉(zhuǎn)彎軌跡，保證不撞桿，同時(shí)實(shí)現(xiàn)路線最短最優(yōu)。調(diào)節(jié)月牙板在調(diào)節(jié)圓盤(pán)上的徑向位置就可以改變曲柄長(zhǎng)度。 而對(duì)不同障礙間距的適應(yīng)，需要改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，進(jìn)而改變曲柄運(yùn)動(dòng)的周期和角速度，這一點(diǎn)可以對(duì)帶輪直徑進(jìn)行微調(diào)修配或者更換帶輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 20 - 3 技術(shù)設(shè)計(jì) 在技術(shù)設(shè)計(jì)中，主要任務(wù)是將方案付諸實(shí)施，具體確定各個(gè)零部件的詳細(xì)尺寸參數(shù)，并完成加工，裝配和調(diào)試等過(guò)程。 3.1 數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定 使用MATLAB軟件對(duì)小車進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可以模擬小車在不同參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)和能耗情況，從而對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到適合給定軌跡的零件參數(shù)，并提高小車的能量利用效率。 3.1.1 能耗規(guī)律模型 在潤(rùn)滑良好的情況下，小車內(nèi)部摩擦耗能很小，為分析方便起見(jiàn)，簡(jiǎn)化能耗模型，僅考慮車輪與地面的摩擦阻力。 設(shè)小車的能量利用效率為，輪子與地面的摩擦系數(shù)為。則有 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 21 - 3131*iiiiRNgmNmghsii總（3.1） 式中iN 為第i個(gè)輪子對(duì)地面的壓力； iR 為第i個(gè)輪子的半徑； iS 為第i個(gè)輪子行走的距離； 總m 為小車的質(zhì)量。 下面詳細(xì)模擬小車的參數(shù)變化與前進(jìn)距離的關(guān)系，分別從輪子的半徑和小車的重量?jī)蓚€(gè)參數(shù)考慮其影響。（MATLAB程序詳見(jiàn)附錄2） 圖3.1為摩擦系數(shù)為0.5，車輪半徑依次增加10mm時(shí)，小車前進(jìn)距離與小車驅(qū)動(dòng)效率的關(guān)系圖。 圖3.2為摩擦系數(shù)為0.5，重量依次增加0.2kg時(shí)，小車前進(jìn)距離與小車驅(qū)動(dòng)效率的關(guān)系圖。 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 22 - 圖3.1 小車在不同車輪半徑下前進(jìn)距離與驅(qū)動(dòng)效率的關(guān)系 圖3.2 小車在不同重量下前進(jìn)距離與驅(qū)動(dòng)效率的關(guān)系 由圖可知，當(dāng)隨著車輪半徑的增加和重量的減小，小車前進(jìn)距離將變大。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使用大的車輪半徑和輕的車身。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 23 - 3.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型 （1）變量聲明（如圖3.3）： 后輪半徑R 后輪A與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心橫向偏距1a 后輪B與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心橫向偏距2a 驅(qū)動(dòng)軸與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離d 曲柄軸與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離b 搖桿長(zhǎng)c 連桿長(zhǎng)l 曲柄長(zhǎng)0r 繞線軸與線繩相切處的截面圓半徑1r 小帶輪基準(zhǔn)半徑4r 大帶輪基準(zhǔn)半徑5r 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 24 - 圖3.3 小車參數(shù)符號(hào)說(shuō)明 a、驅(qū)動(dòng)模型： 當(dāng)重塊下降dh時(shí)，繞線軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度為1d ，有 11dhdr （3.2） 驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度為2d ，則 1212ddi （3.3） 小車移動(dòng)的距離為 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 25 - 2ds R d （3.4） b、轉(zhuǎn)向模型： 由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可得 2253 245 25 4 3iz zd rd dr z z （3.5） 設(shè)繞線軸與轉(zhuǎn)向桿的夾角為時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為5 則與5 的關(guān)系可用方程表示為： 5 52 2 2 2 20 0( cos ) ( sin sin ) cosl c c b r c r （3.6） 解方程得關(guān)于5 的函數(shù)關(guān)系式 5f （3.7） c、小車運(yùn)動(dòng)軌跡模型 當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)，A輪為驅(qū)動(dòng)輪，B輪為從動(dòng)輪。 則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 1tanda （3.8） 小車前進(jìn)ds時(shí)，整體轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 dsd（3.9） 當(dāng)小車轉(zhuǎn)過(guò)的角度為時(shí)，有 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 26 - sincosdx dsdy ds （3.10） d、小車其他輪的軌跡 以A輪中心為原點(diǎn)，構(gòu)建小車的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系， B輪中心的坐標(biāo)為 1 2,0B a a C輪中心的坐標(biāo)為 1,C a d 因此，當(dāng)小車轉(zhuǎn)過(guò)的角度為時(shí)，有 1 21 2cossinB AB Ax x a ay y a a （3.11） 11cos sincos sinC AC Ax x a dy y d a （3.12） 將微分方程改成差分方程來(lái)求解，并繪制三個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)曲線（MATLAB程序詳見(jiàn)附錄3），即可得到小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖3.4所示即為一組參數(shù)下小車的運(yùn)動(dòng)軌跡。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 27 - 圖3.4 小車軌跡模擬 3.1.3 確定零件尺寸 經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和軟件模擬，并分析結(jié)構(gòu)的合理性，最終確定小車各個(gè)機(jī)構(gòu)零件的具體尺寸（單位：mm）。 后輪半徑 30R 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 28 - 后輪A與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心橫向偏距148a 后輪B與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心橫向偏距248a 驅(qū)動(dòng)軸與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離 150d 曲柄旋轉(zhuǎn)中心與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離 87b 搖桿長(zhǎng) 53c 連桿長(zhǎng) 87.4l 曲柄長(zhǎng)08r 繞線軸與線繩相切處的截面圓半徑12r 小帶輪基準(zhǔn)半徑42r 大帶輪基準(zhǔn)半徑518.2r S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 29 - 圖3.5 尺寸符號(hào)示意圖 3.2 零部件設(shè)計(jì) 3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)件及材料明細(xì)表 表3.1 標(biāo)準(zhǔn)件及材料明細(xì)表 編號(hào) 材料及標(biāo)準(zhǔn)件 毛坯種類 毛坯尺寸 毛坯數(shù) 每臺(tái)件數(shù) 型號(hào) 1 玻璃纖維 板料 2002003 5 5 2 碳纖維 棒料 31000 12 12 3 碳纖維 棒料 4100，內(nèi)徑2 1 1 4 45鋼 棒料 10500 1 5 5 深溝球軸承 2.5*6*2.6 (d*D*B) 3 3 NMB 682XZZ 6 深溝球軸承 2*5*2.3 (d*D*B) 10 10 NMB 682ZZ 7 滑輪軸承 3*10*3 (d*D*B) 2 2 V623 8 內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承 2*4*3*6*10*2 (dxBxC1xd2xhxd3) 2 2 9 推力球軸承 3*8*3.5 (d*D*B) 2 2 F3-8 10 直齒輪 m=0.5，z=40 1 1 11 直齒輪 m=0.5，z=38 1 1 12 雙聯(lián)直齒輪 m=0.5，z1=34，z2=12 1 1 13 直齒輪 m=0.5，z=18 14 墊片 M21 30 30 15 螺栓 M220 20 20 16 螺母 M2 20 20 17 軸套 2*5*2.3 (d*D*B) 7 7 沈陽(yáng)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 30 - 3.2.2需加工的零件 1、驅(qū)動(dòng)軸 材料：45鋼。方法：車工。規(guī)格尺寸：直徑3mm，長(zhǎng)度120mm。 2、短軸 材料：45鋼。方法：車工。規(guī)格尺寸：直徑2mm，長(zhǎng)度20mm。 3、繞線軸 材料：45鋼。方法：車工。規(guī)格尺寸：直徑2mm，長(zhǎng)度110mm。 4、車輪 材料：玻纖板材。方法：數(shù)控銑（雕刻機(jī)加工）。厚度：3mm，規(guī)格尺寸：詳見(jiàn)圖紙。 5、車架板 材料：玻纖板材。方法：數(shù)控銑（雕刻機(jī)加工）。厚度：3mm，規(guī)格尺寸：詳見(jiàn)圖紙。 S曲線無(wú)碳小車設(shè)計(jì) - 31 -