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1、“无碳小车”设计说明书一、概要此次无碳小车的设计主要是利用重物下落的重力势能作为原动力，来驱动小车前进以及使小车能按规定绕开障碍物。重物质量M=1kg，下落高度 H=400mm，每个障碍物之间隔 0.9 米、1 米、1.1米。二、分析1、 为使得小车能够行走，首要解决的就是小车驱动，要设计小车的驱动机构；2、 为使得小车能够转弯，并能够绕开等距离的障碍物，所以要设计一个能够走 S 形路线的周期性的转向机构；3、 由于只有一个动力源，所以还要设计一套小车的传动机构；4、 为了使得小车能够顺利转弯，还要解决小车后轮的差速问题。三、原理设计符号说明：驱动轮半径 R齿轮传动比 i驱动轮 A 与转向轮横
2、向偏距 1a驱动轮 B 与转向轮横向偏距 2驱动轴（轴 2）与转向轮中心距离 d曲柄轴（轴 1）与转向轮中心距离 b曲柄的旋转半径 r摇杆长 c连杆长 l轴的绳轮半径 2r1.传动机构传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传
3、动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。2.转向机构转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑
4、、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）因此不采用 曲柄连杆+ 摇杆优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的
5、敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，利用 MATLAB 进行参数化设计并不困难，加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。3.差速转弯差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加工
6、精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。 （由于加工和装配的误差是不可避免的）四、建立数学建模及参数确定1 能耗规律模型为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为 ，即小车能量的传递效率为 。小车轮与地面的摩阻1系数为 ，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有 3131*iii iRNgmghsii 总为第 i 个轮子对地面的压力。iN为第 i 个轮子的半径。iR为第 i 个轮子行走的距离iS为小车总质量总m为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从 1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4
7、.小车能量转换效率。四方面考虑。 通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为 0.1-0.8 间。下图为当车轮半径分别为（222mm ，70mm ）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.mm 时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图（图六）有上图六可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。图七为当摩阻系数为 0.5mm，车轮半径依次增加 10mm 时的小车行走的距离与小车内部转换效率的
8、坐标图图六图七由图可知当小车的半径每增加 1cm 小车便可多前进 1m 到 2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。2 运动学分析模型a、驱动：当重物下降 时，驱动轴（轴 2）转过的角度为 ，则有dh 2d2rd则曲柄轴（轴 1）转过的角度id21小车移动的距离为（以 A 轮为参考）2dRdsb、转向：当转向杆与驱动轴间的夹角 为时，曲柄转过的角度为1则 与 满足以下关：112211122 cossinsincos rrcbl解上述方程可得 与 的函数关系式11fc、小车行走轨迹只有 A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度 时，如图：则小车转弯的曲率半径为 1tanb小车行走 过程中，小车整体
9、转过的角度dsds当小车转过的角度为 时，有cosindyxd、小车其他轮的轨迹以轮 A 为参考，则在小车的运动坐标系中，B 的坐标0,21aC 的坐标 d,在地面坐标系中，有sin)(co21ayxABsicos1dydxAC整理上述表达式有： cossinicos)(cosintan cos)sinsin()cos1(1211 1212112222 dayxadyxdsb rrcblidrhACAB为求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参数的到了小车运动轨迹如（图六）图六3 动力学分析模型a、驱动如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为 ，有T)(agmT产生的扭矩
10、， （其中 是考虑到摩擦产生122rTM1的影响而设置的系数。 ）驱动轮受到的力矩 ，曲柄轮受到的扭矩 ， 为驱动A 1MAN轮 A 受到的压力， 为驱动轮 A 提供的动力，有F（其中 是考虑到摩擦产生的影响而21Mi 2设置的系数） RFNAAb、转向假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为 ，其大小可CM由赫兹公式求得，)1(22ERBNcc bBNcc2由于 b 比较小，故 241bMcc对于连杆的拉力 ，有Flrc11sin2sin21 cos)(arsic l12inccccFM)si(21cc、小车行走受力分析设小车惯量为 I，质心在则此时对于旋转中心 O的惯量为 I)(2321
11、amIA（平行轴定理） )()( 2121 aRNdrNF ABAcA 小车的加速度为： a2raRA整理上述表达式得：4 灵敏度分析模型小车一旦设计出来在不改变其参数的条件下小车的轨迹就已经确定，但由于加工误差和装配误差的存在，装配好小车后可能会出现其轨迹与预先设计的轨迹有偏离，需要纠正。其次开始设计的轨迹也许并不是最优的，需要通过调试试验来确定最优路径，着同样需要改变小车的某些参数。为了得到改变不同参数对小车运行轨迹的影响，和指导如何调试这里对小车各个参数进行灵敏度分析。通过 MATLAB 编程得到幅值 周期 方向i -0.0117 -0.09158 528.135b 176.5727 -
12、35.3795 578.82R -0.3163 16.39132 528.1437a1 1.465469 -0.27592 528.5547曲柄半径r1 23.71445 -18.9437 535.3565d 0.040819 -117.738 528.1465转向杆的长 -1.63769 3.525236 527.5711连杆长度 -176.955 -196.268 477.35615 参数确定单位：m转向轮与曲柄轴轴心距 b=0.15;摇杆长 c=0.06;驱动轮直径 D=0.355;驱动轮 A 与转向轮横向偏距 a1=0.08驱动轮 B 与转向轮横向偏距 a2=0.08;驱动轴与转向轮的距离 d=0.18;曲柄长 r1=0.01347;绳轮半径 r2=0.006五、小车其他零件的设计及装配图另附图纸六、参赛图片
