8字无碳小车毕业设计说明书（可编辑）.doc

《8字无碳小车毕业设计说明书（可编辑）.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《8字无碳小车毕业设计说明书（可编辑）.doc（30页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、8字无碳小车毕业设计说明书 攀枝花学院本科毕业设计(论文)8字无碳小车的设计与制作学生姓名: 岳华伟 学生学号: 200910603046 院(系): 机械工程年级专业: 2009级机械设计制造及其自动化 指导教师: 谢永春 教授助理指导教师: 二?一三年六月摘要此次毕业设计的课题是“8字无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法,力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路;作品的设计做到有系统性规范性和创新性;设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法;采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。我把小车的

2、设计分为三个阶段:方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关,是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成(原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分)把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构等六个模块,进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多种方案设计,通过综合对比选择出其中的最优的方案组合。我们的方案为:车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆+槽轮机构、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构选用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴

3、承。技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析,利用MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析以及灵敏度分析。从而得到了小车的具体参数和运动规律。然后应用PROE软件进行了小车实体建模和小车部分运动仿真。在实体建模的基础之上对每一个零件进行了详细的设计,综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等各种因素。小车使用的零件大多是是标准件、可以购买,同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊的加工外,大多数零件都可以通过手工加工出来。对塑料可采用切割。且因为小车受到的力都不大,因此大量采用胶接,这样可简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车参数进行试验,在试验的基础上验证小

4、车运动规律,同时确定小车最优的参数。 关键字:无碳小车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构 灵敏度分析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

5、systemic standardization 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, PRO

6、E, cad.I put 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

7、us based on the 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 th

8、e modular design. 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

9、 institutions, 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.Techni

10、cal design 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 usi

11、ng PROE software 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

12、the same time, 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 assemb

13、ly. Debugging 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 carparametric designsensitivity analysis software aided design fi

14、ne tuning mechanism目录摘要2一论述41.1设计布置方案41.2功能设计要求51.3整体方案设计61.4小车的设计方法6二 方案设计72.1车架102.2原动机构102.3传动机构102.4转向机构112.5行走机构162.6微调机构18三 技术设计203.1建立数学模型及参数确定203.1.2运动学分析模型233.1.3动力学分析模型273.2整体设计293.3.1整体装配图293.3.2设计过程303.3.3小车的零件设计38四 小车调试及改进394.1小车调试方法394.2小车改进方法40五 评价分析405.1小车优缺点405.2自动行走比赛时的前行距离估计415.3改

15、进方向41结论41参考文献41附录A41致 谢41一论述小车功能设计要求无碳小车走“8”字形越障的设计1.1设计布置方案图1 无碳小车示意图1.2功能设计要求 以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能,根据能量转换原理,设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。小车在半张标准乒乓球台(长1525mm、宽1370mm)上,绕相距300mm距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行,绕行时不可以撞倒障碍物,不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒,相距500mm距离放置在半张标准乒乓球台的中线上,以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见下图二:图

16、二小车绕行所用乒乓球台及障碍设置图给定重力势能为4焦耳(取g10m/s2),用质量为1Kg的重块(5065 mm,普通碳钢)铅垂下降来获得,落差4002mm,重块落下后,重物须被小车承载,并同小车一起运动,不允许掉落。要求小车在前行过程中完成的一切动作所需的能量均由重力势能转换获得,不可用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构(1个转向轮,1个驱动轮,一个从动轮),具体结构以及材料选用均由学生自主设计完成。要求满足:小车上面要装载一件外尺寸为6020 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷,其质量应不小于400克;在小车行走过程中,载荷不可掉落。转向轮最大外径应不小于30mm。1.3整体方案设计

17、通过对小车的功能分析小车需要成功的将重力势能的转换为动能、驱动小车自身行走、同时还要能自动避开障碍物。为了方便设计根据小车所要完成的任务将小车划分为五个部分进行模块化设计(车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构)。为了得到最优的设计方案,现在采用扩展性思维设计每一个模块,对每个模块分块设计,在每个模块中寻求多种可行的方案和构思,并在这些设计方案和构思中选择最优方案。对此我参考各许多资料,如高等教育出版社出版的机械原理及机械设计。并在网上收集了相关资料。 小车设计过程中需要完成:机械设计、工艺方案设计、经济成本分析以及工程管理方案设计。设计能力项要求对作对产品的设计具有

18、创新性和规范性。工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素,提出合理的工程规划达到最优方案。课题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工及制造工艺知识的能力为主。 1.4小车的设计方法小车在设计过程中应有清晰地思路,明确的目的,并充分考虑加工的难易程度以及是否经济可行,充分考虑材料成本、加工工艺是否可行以及制造的难易程度。并且要有开阔的思路,创新的精神,勇于创新,在创新中发展。在设计方法上我借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等各种现代设计发发明理论方法。不断改进设计。采用了MATLAB、PROE等计算机软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程图三通过在每个模块的反复推敲思考,通

19、过否定一些加工难度大或者经济性,实用性等原因,选取最佳的设计思路。二 方案设计通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计(五部分分别为:车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构)。为了得到较为令人满意方案,采用扩展性思维设计所有的模块,寻求多种可行的方案以及构思。下面为我设计过程中的设计图框(图四)图四在选择方案时应综合考虑小车需要实现的功能、材料、加工、制造的难易程度、制造成本等各方面因素,同时尽量避免直接决策,从客观的事实出发,减少主观能动性,一切以原理和实际

20、情况为依据,减少决策时的主观因素,使得选择的方案能够综合最优。如下图五: 图五2.1车架车架由于不需要承受太大的重力势能,所以其对强度要求不高。在考虑到制作成本和加工的难易程度后,由于铝板密度小,强度对于制作小车也足够,同时易于加工,所以车架采用铝条焊接铝板加工制作成底板,即方便也经济。2.2原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。我们设想使用飞轮作为储能机构,小车对原动机构应有这些要求。1.驱动力适中,不会使小车拐弯时因速度过大而是离心力增大导致小车倾翻,或重块晃动厉害影响行走。2.小车在到达终点前重物竖直方向上的速度要尽可能小,避免对小车过大的冲量。同时使重物的动能尽可

21、能的转化为驱动小车前进的驱动力,假如重块竖直方向的速度较大,重物本身还有较多动能未释放出来,能量利用率不高,将减小小车的行程。3.由于小车在不同的场地时,场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样,在不同的场地小车是需要的驱动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力刚好合适。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单,能量损耗越小,能量利用率越高,则效率高。所以我选用了锥形的绕线轮原动机构,这样就可以调整驱动力。通过调节绕线轮两端半径,绕线位置的粗细就可以调整驱动力的大小。2.3传动机构传动机构的功能是传递运动,就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并且按设计的轨道

22、精确地行驶,传动机构应提高传递效率高、保证传动稳定、并且使其结构简单重量轻等同时还要考虑经济性和加工难易程度。最后综合各方面的因素,设计出最优的传动机构。常见的传动机构如下:1.不用额外的传动装置,直接由动力轴驱动驱动轮子和转向机构,此种方式效率最高、结构最简单可减少小车的质量。在不考虑其它条件时这是最优的方式。但是在此处不适合作小车的传动。2.带轮是一种绕性传动。带轮的结构简单,具有传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但是带轮的传递效率效率及传动精度并不高。小车的传动精度要求很高,所以带轮不适合作本小车的传动机构。3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定但价格较高,制造与安装

23、精度要求高,价格昂贵,且不能用于传动距离较大的场合,分为开式齿轮、半开式齿轮以及闭式齿轮。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。综上的分析,小车的传动机构选用齿轮传动为最优,可保证传递的平稳性,同时也能保证传递精度,是这几种传动方式中最好的。2.4转向机构转向机构是本无碳小车设计的关键部分,直接决定着小车的功能能否实现,是小车设计中的核心。转向机构同样需要尽可能的减少摩擦耗能,这样才能减少能量损耗,增加能量的利用率,同时要保证尽量使结构简单机构越复杂,在机构中所损失的能量就越多,零部件已获得等基本条件,同时小车还需要有特殊的运动特性。能够把旋转运动转化为满足要求的来回周期

24、性的摆动,带动转向轮向左右转动从而实现拐弯避物障的功能。能实现此种功能的机构有:凸轮机构+摇杆+曲柄、曲柄连杆+摇杆、不完全齿轮+曲柄+摇杆,差速转弯等等,棘形轮机构。凸轮 凸轮是一个具有一定曲线轮廓或凹槽的构件,凸轮通常为主动件作等速转动,但也可作往复摆动或者移动,它与推杆配合是想转向。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预期往复运动,这取决于凸轮的形状。凸轮机构的最大优点:只要适当的设计适当的凸轮轮廓线,就可使推杆得到各种预期的运动规律,而且响应快,机构简单紧凑、设计方便;缺点:凸轮轮廓线与推杆之间为点接触、线接触,易磨损,同时凸轮加工比较困难。在无碳小车设计中由于:凸轮轮

25、廓加工相当困难,尺寸不能够实现可逆的改变,精度要求高,因此很难保证,重量较大,增加了小车的重量,效率低能量损失大(滑动摩擦),因此不采用。曲柄摇杆曲柄摇杆结构较为简单,但和凸轮一样有个滑动的摩擦副,因此其效率低。其急回特性导致难以设计出比较好的机构。差速转弯差速转弯是利用两个偏心轮作为驱动轮,因为两轮子的角速度一样但转动半径不一样,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)棘形轮机构图七:棘形轮机构优点:通过棘形

26、轮的间歇性运动,使得小车运动到在描红部分时,棘轮的带齿部分未与齿轮啮合,前轮的转动角度不改变,当小车运动到黑线轨迹部分时,棘轮的带齿部分与齿轮相啮合,此时小车前轮转向发生变化,小车进入下一个圆中运动,以此类推,小车不断地作重复“8”字进行运动。轨迹可以最大程度优化,是理想的转向机构。缺点是装配精度高,造价高,不太适合低速运动。槽轮机构图八:槽轮机构槽轮机构由外槽轮机构和内槽轮机构之分,都可以用作平行轴之间的间歇传动,但前者槽轮与拨盘转向相反,而后者则于转向方向相同。槽轮机构一般应用在转速不高、要求间歇地转过一定角度的分度装置中。槽轮机构优点:槽轮机构结构简单,外形尺寸小,机械效率高,并能较平稳

27、的、间歇地进行转位。缺点:转动时尚存在柔性冲击,故常常用于速度不太高的场合。综合分析后选择槽轮机构+摇杆机构作为小车的转向机构。2.5行走机构 行走机构为一个驱动轮,一个从动轮和一个转向轮,轮子的厚薄,材料和大小有不同,应充分考虑。 有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 对于相同的材料为一定值。 而滚动摩擦阻力,因此轮子越大小车受到的阻力越小,小车能够走的更远。但由于加工问题、材料问题、安装问题等等,具体尺寸需要进一步分析确定。因小车是沿着曲线前进的,所以后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动,双轮差速驱动,单轮驱动。双轮同步驱动一定要有有轮子会与地面打滑,由于滑动摩擦系数远比滚动

28、摩擦的大,会损失大量能量,同时小车前进受到过多的约束,将无法确定其轨迹,不能够有效避免障碍物。双轮差速驱动能避免双轮同步驱动出现的问题,可以通过差速器或者单向轴承来实现差速驱动。差速器涉及到了最小能耗原理,能较好的减少摩擦,同时能够实现需要的运动。单向轴承实现差速的原理是其中一个轮子速度较大的便成为从动轮,速度较慢的轮子成为主动轮,这样交替变换着做主动轮。但由于单向轴承间存在侧隙,在主动轮从动轮切换过程中会出现误差导致运动不准确,是否会对小车的功能产生影响还需进一步分析。单轮驱动即只利用其中一个轮子作为驱动轮,一个作为导向轮,另一个则为从动轮。从动轮与驱动轮间的差速是依靠与地面的运动约束来确定

29、的。其效率比利用差速器要高,但前进速度却不如差速器稳定,传动精度也比利用单向轴承高。综上所述,行走机构的轮子应具有恰当的尺寸,如果有条件。可通过实验来确定选用哪种差速的机构方案,如果规则允许可采用单轮驱动。2.6微调机构一台完整的机器包括:原动机构、传动机构、执行部件、控制部分、辅助设备。微调机构是小车的控制部分。本小车的转向机构确定为采用槽轮机+构曲柄连杆+摇杆方案,但是由于由于加工误差和装配误差的原因,而曲柄连杆机构对于装配误差以及加工误差都很敏感,因此就一定要加上微调机构,进行调整从而对误差进行修正改进,对小车行走路线进行矫正。这是使用微调机构的一个最重要的原因。另一方面:通过可使用微调

30、机构来矫正小车的轨迹,如幅值、周期、方向等因素,使小车走一条最佳的运动轨迹。所以微调机构的使用是必不可少的的,微调机构使用得当可对小车轨迹进行修正,微调机构一般可以采用下面两种方式微调螺母式、滑块式。如下图所示: 图九:微调机构三 技术设计技术设计阶段时完成小车的详细设计并确定零部件的尺寸,将小车的各个部分都设计出来。在设计阶段应对小车的运动轨迹、转向等进行分析,在技术设计阶段设计时应充分考虑加工过程的成本和难易程度等各种因素。3.1建立数学模型及参数确定 通过对小车建立数学模型能够实现小车的参数化设计以及优化设计,提高设计的效率并且得到较优秀的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。 3

31、.1.1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。小车轮与地面之间的摩阻系数为,理想情况下可认为重块的重力势能都用在小车克服摩擦力做功上。则有 是个第i个轮子对地面的压力。 是第i个轮子的半径。 是第i个轮子行走的距离 为小车的总质量 为了更全面的了解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化,分别从a.轮子与地面的滚动摩阻系数、b.轮子的半径、c.小车的重量、d.小车能量转换效率。四方面考虑。 查阅相关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(75mm,31mm)摩阻系数分别为0.3,0.4,0.5.m

32、m时小车的行走的距离与小车的内部转换效率的坐标图如下 图十 由上图可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常明显,因此在设计小车时也特别注意考虑轮子使用何种的材料,轮子的应当刚度尽可能大,与地面的摩阻系数应尽可能小。 同时,可看到车为轮提供能量的效率提高一倍,小车前进的距离也会提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦力,从而减小损耗。因此应简化机构,并充分润滑。 图十一所表示的是当摩阻系数为0.5,车轮半径每增加10mm时的小车行走的距离与小车内部能量转换效率的坐标图图十一 可知当小车的半径每增加1cm小车便能够可多前进1m到2m。因此在设计时应当尽可能增大轮子的半径。3.1.2运动学分析模型 符号

33、说明: 驱动轮半径: 齿轮传动比: 驱动轮A与转向轮横向偏距: 驱动轮B与转向轮横向偏距: 驱动轴(轴2)与转向轮中心距离: 曲柄轴(轴1)与转向轮中心距离: 曲柄的旋转半径: 摇杆长: 连杆长: 轴绳轮半径: a、驱动: 当重物下降时,驱动轴转过的角度为,则有 则曲柄轴转过的角度 小车移动的距离为 b、转向: 当转向杆和驱动轴间的夹角为时,曲柄转过的角度为 则与满足以下关: 解上述方程可得与的函数关系式 c、小车行走轨迹 只有A轮为驱动轮,当转向轮转过角度时 则小车转弯的曲率半径为 小车行走过程中,小车整体所转过的角度 当小车转过角度为时,有 d、小车其他轮的轨迹 以轮主动轮为参考,则在小车

34、的运动坐标系中,B的坐标 C的坐标 在地面坐标系中,有 整理上述表达式有: 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(图十四)图十四 3.1.3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 产生的扭矩,(其中是考虑到摩擦产生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,为驱动轮A受到的压力,为驱动轮A提供的动力,有 (其中是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数) b、转向假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为,其大小可由赫兹公式求得, 由于b比较小,故 对于连杆的拉力,有 c、小车行走受力分析 设小车惯量为,质

35、心在则此时对于旋转中心的惯量为 (平行轴定理) 小车的加速度为: 整理上述表达式得: 3.2整体设计3.3.1整体装配图 3.3.2设计过程设计要求 根据设计要求,小车驱动部分采用一质量为1kg的重块作为小车的驱动源。重块距离小车底板部分的高度为500mm,总体具有的重力势能为5J。以此来驱动下车形式,并在行驶过程中规避中心距为300-500mm的两个弹性障碍,小车的行驶路线为8字行。设计计算部分 按8字桩最小距离300mm计算,由于小车在走8字时,其精确轨迹无法估算,先在暂时认为小车在走八字是近似为扫描圆形轨迹,如下图所示:图1-1 小车扫描轨迹 根据图1-1和圆的周长公式,我们可以大致确定

36、出小车所要走过的路径,根据公式:.将数据代入公式中可得: 由于小车要走过的距离为两个圆的周长,所以小车要走过的距离为 而绳子所下降的距离为500mm. 根据摩擦理论可知:摩擦力矩和正压力的关系为: . 而滚动摩擦所受的阻力为: . 根据上述公式我们可以初步判定我们无碳小车的设计原则,即小车质量要轻,轮体直径应尽可能的大。初步计算时,为了方便计算,我们初步取得轮子直径为100mm,但是在绘图的过程中发现无法安装转向机构,所以后初步设计直径为152mm。 小车至少要完整的走过一圈的距离,所以车轮要转动的圈数为: . 式中: 将以上数据代入公式中: 根据设计结构即无碳小车的传动路线,小车采用的是重块

37、通过绳索直接与滚筒相连,由滚筒驱动与之同轴的齿轮,齿轮再驱动后面的小齿轮。而在齿轮传功中,齿轮件的传动比常取,在此我们取常用传动系数2.则与滚筒同轴的齿轮需要转动1.97圈,同样的滚筒也要转1.97圈。 近似的我们圆整为2圈,又因为小车上的重块需要下降500mm,据此根据公式我们可以估算出小车滚筒的直径: 在绘图过程中,根据装配的要求我们取前轮直径为30mm。 参考同类型的无碳小车的设计,我们取小车的齿轮的模数为1.小齿轮的齿数取30,则大齿轮齿数为60齿。 齿轮的各个参数如下(此处我们取齿宽系数为0.5):齿数模数分度圆直径齿顶圆直径大齿轮6016062小齿轮3013032 无碳小车的中心距

38、(即两轮轴之间的中心距)越大,则其通过性越好,但是转弯半径越大,中心距越小,其转弯半径越小,转向也就越灵活,但是还要考虑到元器件的安装,参考“F_star”方案中的小车的长度,我们初选小车的轮距为180mm。宽度为110mm。 要使小车走出8字,我们必须对小车的运动状态进行建模,如下图所示:图 1-2 任意轨迹点上小车的运动状态 在建模之前我们要进行必要的简化,首先要假定,小车在转向时内部的转向轮在地面上做纯滚动(实际上由于采用同步驱动结构,内部转向轮会有部分摩擦,为简化期间,将其忽略不计),小车两轮之间的间距,暂定为W,车身长度为L,并设任意时刻小车车身与X轴的夹角为,小车前轮与车身轴线的夹

39、角为,并以小车前轮为计算基准点,设小车前轮走过微小的距离 ,则会同时引起车轮的转向和前移。其中对小车前进引起的分量为,对转向引起的分量为。下面分别讨论这两个分量的作用。 前进引起的分量会引起小车的前移,由于小车的直径为152mm,则小车后轮的转角为:,而根据其传动路线,小车后轮的转动又会引起小车前轮的转向,根据其传动线路,小车后轮转角引起的前轮转角为,式中K为曲柄连杆机构杆位移量与转角变化量之间的关系。设前轮与小车中心线间的初始夹角为,则任意轨迹点上,前轮与小车之间的夹角为: . 下面讨论转向贡献量引起车身与X轴夹角的变化量: 设车身与X轴夹角的初始角度为则任意轨迹点上小车的车身与X轴的夹角为

40、: . 根据设计要求,认为小车的初始位置在坐标(0,0)处,则任意轨迹点上小车前轮的位置坐标为: . 结合.不难求出车身上任意一点的坐标。 以上的理论分析部分可以让我们更好的理解小车在扫描8子轨迹时,所具有的运动状态。 另外通过图1-1我们可以看出小车要完成八字行走轨迹,在小车在扫描8字轨迹时,其前轮要完成两个周期的转向,而且,为了方便的计算出小车转向所需要的角度,通过对其进行理论分析,并参考F-STAR方案中的相关参数,我们近似认为小车走的是近8型偏转轨道,依次来计算出小车所需的偏转角度,并以此为基础来设计凸轮,当然,在实际的加工过程中,我们还要预留可调节单元,以使其符合实际运行轨迹。在F-

41、STAR方案中,其计算得出小车的最大转角为11.3度,在此我们进行圆整,使其为12度,并留有可调节单元,使其适应不同的场合和角度。 在绘制图纸的过程中,我们根据不干涉原则,并尽可能的减小小车摇杆的长度,以此取得小车转向摇杆的中心长度为35mm.小车转向系统如下图所示:图 1-4 小车转向系统 由图1-4我们可以看出,小车的转向系统我们采用双滑块机构,通过槽轮机构来驱动小车的转向。以此我们来进行小车转向机构的设计。图 1-5 转向机构分析图通过画图,我们可以得到,小车要完成12度的转向,顶杆部分所行使的距离为7.34,在此我们圆整为8, 根据实际情况,设定小车绕过障碍物时,距其0.1m,则设路线

42、方程为ysinax+0.1。并将点(1,0.1)代入方程,得到路线方程为ysin0.1x+0.1。 对一个周期内的路线积分得S1。 槽轮机构的设计 槽轮槽数n和圆销数k是槽轮机构的两个最主要参数。 为了使槽轮在开始转动和终止转动时的角速度为零以避免刚性冲击,圆销进入或脱离槽轮的径向槽时,圆销中心的轨迹圆应当与径向槽的中心线相切。从而可得槽轮转动时拨杆的转角为 在一个运动循环中,槽轮的运动时间与原动件1的运动时间之比称为运动系数,用表示。对于单销槽轮机构,若原动件等速转动一周为一个运动循环,则时间之比可转换成转角之比,即 由于0,所以0,则有z3。由上式知,这种单销槽轮机构的运动系数总小于0.5

43、,即得到槽轮的运动时间总小于静止时间。如果在原动件上均匀地装有k个圆销,则有原动件每转过/A就是一个运动循环。若原动件转过一个周期所需时间不变,显然原动件完成一个运动循环所需的时间应为/A;带动槽轮转动一次所需时间仍为td,则 由于槽轮总是作间歇转动的,所以其运动系数r总小于1,所以由上式可得由上式可知:当z3时,k=15;当z4或5时,k13;当z6时,k=12。槽数n的选择除应满足工作要求外,还应考虑机构运动的平稳性和机构的尺寸大小。槽顶高A=acos,当中心距a一定时,z越大,尺寸A也越大,故转动时槽轮的惯性力矩也越大。小车的转向机构中通过分析应当使拨盘转一圈时,槽轮转,槽轮转动,带动曲

44、柄机构转动180度,由于槽轮的间歇转向作用,从而实现换向,完成走8字的运动在设计中,z4,使用1个圆销。中心矩L45mm,圆销半径r3.求出拨盘的直径及槽轮轴的直径受以下条件限制:锁止弧的半径大小根据槽轮轮叶齿顶厚度b来确定,通常取b3-10。小车的播盘直径和槽轮轴直径都取6mm3.3.3小车的零件设计 需加工的零件: a.驱动轴 实心钢棒。外径6mm b.车轮 聚甲醛板(POM板材)。厚度:8mm,规格尺寸:600*1200mm c.槽轮机构 d.车轮支架 可购买的标准件: 轴承 内径为6mm,外径为17mm的深沟球轴承 齿数为30,模数为1,齿顶圆直径为32的齿轮 齿数为60,模数为1,齿

45、顶圆直径为62的齿轮四 小车调试及改进 4.1小车调试方法 小车的调试是个很重要的过程,有了大量的理论依据支撑,还必须用大量的实践去验证。小车的调试涉及到很多的内容,如车速的快慢,绕过障碍物,小车整体的协调性,小车前进的距离等。 (1)小车的速度的调试:通过小车在指定的赛道上行走,测量通过指定点的时间,得到多组数据,从而得出小车行驶的速度,通过试验,发现小车后半程速度较快,整体协调性能不是太好,于是车小了绕绳驱动轴,减小过大的驱动力同时也增大了小车前进的距离。 (2)小车避障的调试:虽然本组小车各个机构相对来说较简单,损耗能量较少,但是避障不是很好,但与此同时,小车由于设计时采用了多组微调机构

46、,通过观察小车在指定赛道上行走时避障的特点,微调螺母,慢慢小车避障性能改善,并做好标记。 4.2小车改进方法 由于本组小车采用胶水黏贴各处,虽然少了许多的加工成本费用,也避免了能量的过多损耗,但小车会有时出现脱胶的现象,导致无法前进,于是想法改进,使小车能量损失减少,同时故障出现的次数减少,稳定性能较好,避障多,前进远。 另外,本组采用微调机构,但通过计算编程发现要求精度非常高,改变0.001mm都可能使小车偏离原轨道,于是想法改进使小车精度降低,加工成本也减低。五 评价分析 5.1小车优缺点优点:(1)小车机构相对简单,齿轮传动,损耗能量少。 (2)多处采用微调机构,便于纠正轨迹,避开障碍物。 (3)采用大的驱动轮,滚阻系数小,行走距离远。缺点: 小车精度要求高,使得加工零件成本高,以及微调各个机构都很费时,避障稳定行差,时而偏左,时而偏右。5.2自动行走比赛时的前行距离估计 通过