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1、2014年*工程训练综合能力竞赛无碳小车设计报告参赛者： 指导老师： 2014/10/151、 设计概述“无碳小车”是将重力势能转换为机械能，使小车实现行走及转向功能的装置。小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动，从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。 具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力，通过线绳带动齿轮轴等传动机构，单轮驱动；通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。无碳小车结构设计总装图如图所示。2、设计思路和
2、方案小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、制造加工调试2.1功能分析 对小车功能要求进行分析，寻找功能元解，将小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块。对每一个模块进行多方案设计，综合对比选择最优的方案组合。2.2参数分析与个性化设计利用Solidworks软件进行小车的实体建模、部分运动仿真。对方案建立数学模型进行理论分析，使用MATLAB软件分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析，得出小车的具体参数和运动规律。2.3 机械总功能分解及功能元解表1.势能转向小车形态学矩阵功能元功能元解12345A势能转化重物锥台绕线轮机构重物飞轮机构
3、B行走机构后双轮同步驱动单轮驱动C前轮摆动曲柄摇杆机构正弦机构（曲柄移动导杆机构RSSR空间四杆机构凸轮推杆机构圆轮导杆机构D中间传动齿轮机构皮带轮机构E微调结构由以上A、B、C、D四机构的最终组合方案而另行确定2.4 机构选型基本原则 满足工艺动作和运动要求。 结构最简单,传动链最短。 原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。 机构有尽可能好的动力性能。 机器操纵方便、调整容易、安全耐用。 加工制造方便，经济成本低。 具有较高的生产效率与机械效率。 2.5转向机构分析目前，能够实现无碳小车车轮转向控制的机构主要有曲柄摇杆机构、正弦机构（曲柄移动导杆机构）、RSSR空间四杆机构凸轮推杆机构和
4、圆轮导杆机构。这5 种机构在结构和功能上有各自的特点。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。同样也2.5.1曲柄摇杆机构 优点：连杆机构中的运动副为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，易润滑，损耗能量少，且运动副一般是几何封闭，对保证小车行进的可靠性有利。 缺点：由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而构件数目多，传动路线长，若加工不能保证适当精度，易产生较大的误差积累，也使机械效率降低。无急回曲柄摇杆机构是平面机构，要求曲柄处
5、于前轮支架轴线的垂直面，要多一级转换机构。该机构对于摇杆与前轮角度的精度要求较高，装配难度较大，而且曲柄长度不具备调节功能，会导致摇杆摆角不对称。2.5.2以正弦机构为转向机构正弦机构摆角规律 正弦机构是目前无碳小车设计过程中常选用的转向机构之一，图为其机构简图，其曲柄可在小范围内调节，同样可控制无碳小车的前轮摆角。图2.1正弦机构有 2 个销槽副、一个移动副，曲柄具备调节功能，可以在小范围内调节小车的轨迹，调节性能较好2.5.3 RSSR 空间四杆机构RSSR 空间四杆机构有 2 个球副，机构简单，传动效率较高，但摇杆与前轮的角度难以控制,样具有安装精度高的特点2.5.4凸轮推杆机构 优点：
6、适当地设计出凸轮的轮廓曲线后就可以使推杆精准地实现所需的运动规律，而且响应快速 缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损；凸轮精准制造较困难；需使用额外机构，利用弹簧力与使凸轮与推杆保持接触， 2.5.5圆轮导杆机构此转向机构主要由转向杆、转向轮、短杆构成。转向盘与从动轴齿轮啮合。短杆一端通过销钉与转向杆连接在一起，可自由转动。另一端与转向轮的轴固定于小车的中心轴线处。当转向盘匀速转动，转向杆会周期性左右摆动，然后通过短杆的传动，可以实现转向轮的转向。从而控制小车绕开障碍物的整体运行。 优点：运动副自身几何封闭，不需要额外结构使运动副保持接触，易润滑，损耗能量较小，结构简单，轮廓加工制造容
7、易。 缺点：摆动活动范围小，死点多。正弦机构可以实现正反转角的完全对称，从功能上分析是作为无碳小车转向机构的最佳方案；2.6传动机构分析传动概述：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。2.6.1齿轮传动机构 优点：齿轮具有效率高、适用的载荷和速度范围大、工作可靠、传动比稳定。 缺点：但价格较高，且传动距离比较短2.6.2皮带轮传动机构 优点：具有结构简单、可以远距离传动、价格低廉、缓冲吸震无噪音等特点缺点：其效率及传动精度并不高。2.7组合方案择优并确定辅助、控制机构在上述主要功能解
8、组合方案确定后，接下来就是确定辅助、控制功能的机构。2.7.1辅助机构：车架为了降低车的重心，增加稳定性，在转弯时不易翻车，采用下沉式车架。2.7.2微调机构完整的机器包括：原动机构、传动机构、执行机构、控制机构。微调机构属于控制机构，由于加工误差和装配误差，小车的行进轨迹可能会发生偏移，必须加上微调机构，对误差进行修正。综合各方面的因素，选用下图所示机构，使小车实现微调，通过拧紧螺母使圆柱相对圆心的距离固定，使此连接转向机构的小圆柱改变转速，从而改变前轮的完成一次转向时间。达到改变小车运动轨迹的目的。图2.2圆轮微调机构2.8设计方案确定运动轨迹:小车运动轨迹曲线为,出发点在波峰处。由于加工
9、装调等方面均存在误差实际上小车轨迹的中心线是一条弯曲的曲线，对此，可以通过调整小车出发时车身和前轮的偏角来控制轨迹使小车轨迹在允许的范围内进行补偿，获得最好成绩。转向机构：向机构采用正弦机构带动前轮周期性往复摆动来实现。传动机构：采用一级齿轮传动，通过绕线轮带动驱动轮实现单轮驱动，采用锥形的绕线螺纹轴，既能够在启动阶段提供足够大的启动转矩，又可以在稳定后控制车速稳定轨迹；车身采用下沉式底板保证了小车重心低不易翻车。原动机构：采用单轮子驱动机构，即右边轮子为驱动轮，左边轮子为从动轮。轨迹调整方法：影响小车轨迹形换的因素有很多，我们要选择方便调节的结构来对小车的轨迹实现改变。在这里，我们采用同时调
10、节曲柄工作长度（圆盘小圆柱到圆盘中心距）和更换轮子大小的方式来实现调节。当然理论分析结果与实际条件的结果是有差异的，这就需要我们再实际条件下不断的调试来获得可靠的数据。出发点的确定：小车的初始位置的确定取决于三个参数，分别为小车出发点距离障碍物连线的距离，小车前轮的初始摆角，小车车身整体相对指定参照物的方向与位置，通过参照物标定前轮初始转角，尺子标定起点距障碍物连线距离。3、设计结果3.1运动分析3.1.1运动循环图重物相对车身沿铅垂方向位移相对车身静止相对地面静止后双轮相对车身加速转动相对车身减速转动相对地面静止前轮相对车身往复摆动并且转动相对地面静止时间轴：图3.1机械运动循环图3.1.2
11、机构运动简图与自由度分析图3.2小车简图自由度计算：据平面机构自由度公式，其中指活动构件数，表示低副数目，表示高副数目，表示虚约束数目，表示局部自由度数目，而据本车机构运动简图可知，代入计算可得整个机构自由度为1。3.2运动学分析模型符号说明：绕线轴与驱动轴传动比 i后轮半径R后轮与车子中心线的距离a曲柄工作长度r推杆与车子中心线的距离b前轮与后轮的距离d(1)驱动小车任意时刻绕绳轮的角速度则曲炳转角 (3-1)推杆推程 (3-2)小车移动路程 (3-3)(2)转向当曲柄转角为时，摇杆转角（前轮转角）为，则 (3-4)解上述方程式可得和的关系式 (3-5)(3)小车行走轨迹只有一个后轮做驱动轮
12、时，当前轮转角为时，后轮转弯的曲率半径 (3-6)小车行走路程为时，小车整体转角为 (3-7)当小车转角为时，后轮轨迹有 (3-8) (3-9)(4)小车其他轮轨迹当驱动轮为左后轮A时，此时以A轮为参考，则在小车坐标系中B坐标为（2*a，0）C坐标为（a，d）在地面参考系中 (3-10) (3-11)(5) 小车参数设定通过设定合理的参数，运用matlab辅助仿真，可得到小车各轮子的轨迹。在上述列出的参数中，可通过微调机构调节的参数为曲柄长度r，通过换装零件调节的参数为轮子直径D(半径R)。调节参数对小车主动轮轨迹的影响如下表所示。曲柄半径r/m后轮直径D/mm半个周期Y方向位移/mm转弯跨度
13、/m0.0241807000.430.022008000.450.0162159000.420.01323010000.40.01125011000.40.0127012000.4250.0129013000.42表3.1 运用matlab分析软件，假设绳轮角速度已知（在传动比确定的条件，角速度不影响小车运动轨迹形状），设定表3.1中各参数的值，绘制小车主动轮的理想轨迹图象，直观反映上述表格内容，如图3.3所示：图3.3 小车主动轮轨迹形状变化（红色字体表示Y方向位移）理想状态下小车主动轮运动轨迹如上图所示。但在实际运动过程中，由于小车受到各种因素的限制，导致实际运动轨迹与理想运动分析轨迹存在
14、偏差。而且，表中数据表明，要达到各种轨迹形状要求，必须同时调节曲柄工作长度和更换小车车轮，用于更换的轮子就有七套。综合以上两个因素，我们采用插值方式将轮子确定为190mm220mm250mm280mm四个尺寸。由此可以得出结论：要得到可靠的与轨迹对应的r值和轮子大小，必须在真实条件下调试装配好的小车。(6) 小车运动轨迹根据4中其他轮子与驱动轮的关系可以推出其他轮的轨迹函数，在matlab中绘制桩距为700mm时各轮子的运动轨迹如图所示。图3.4小车各轮子运动轨迹Matlab程序见附录。3.2动力学分析要实现无碳小车的运动要求是重点在运动分析中确定转弯半径和转弯速度转盘上小圆柱到中心的距离：1
15、5mm推杆和小车中心线的距离：50mm前轮到后轮的距离：150mm后轮直径250mm绕线轮和后轮的传动比 1：3（1） 启动阶段重物下落 (3-12)即有 (3-13)（重物质量，绕绳所受拉力，重物下落加速度）重物下落时绕线轮获得一驱动力矩 (3-14) (为绳拉力，为启动阶段绕线轮半径)驱动力矩通过齿轮传动给后轮 (3-15)（后轮等效驱动力，为后轮半径）由此求出小车左后轮上的等效力，而这个等效力的反作用力就是小车前进的驱动力，即有 (3-16)图3.5驱动力分析在小车起动过程中，前转向轮、右后轮作为从动轮受到的总静摩擦力为。若想要小车起动，则驱动力与总的摩擦力之间的关系应为: (3-17)
16、 (静摩擦力系数，小车整车质量)且有 (3-18) (3-19) (3-20)（为小车总质量（包括重物），g为重力加速度，为静摩擦系数，为驱动加速度）驱动力在s使小车达到转弯速度（2）匀速阶段重物达到速度 (3-21)即， (3-22) (3-23)（为匀速阶段绕线轮半径） (3-24)同样有一驱动力 (3-25)在小车转弯时，地面除了给小车从动轮一个切向的动摩擦力（(3-26)），还提供:一个法向的分力作为小车的向心力，他们的合力就是小车转弯时的总的动摩擦力， (3-27)由向心力公式: (3-28)可知，若转弯半径确定，转弯速度与向心力F成正比。v越大，F越大，进而越大。当时，小车所受阻力
17、大，逐渐停下。因此，只有当,车速很低时，小车才能平稳匀速转弯。3.3小车参数设计（1）绕线轮半径设计匀速阶段有 (3-29)联立(3-22) (3-23) (3-24) (3-25) (3-27) (3-28) (3-29)得 (3-30)(为传动效率)代入数据得=后轮达到线速度 (3-31) (3-32) (3-33)代入数据得联立(3-13) (3-14) (3-18) (3-19) (3-20) (3-21) (3-31) (3-32) (3-33)得(3-34) （2）车载载荷位置设计车载载荷用于平衡小车，需确定最佳位置使小车平衡行走。先假设一载荷质量，求出求出此时的位置参数,，然后通
18、过不断地改变三脚架位置，使车载载荷质量不断减小，理想状态是使载荷重量变为0，小车都能平稳行走。现假设,求出位置参数,动力系统分析三角架放置位置已确定小车未加重物时重心由solidworks求出假设重物m以a的加速度落下，根据牛顿第二定律和定滑轮特性必有T=m（g-a）（3-35）设，根据力的合成，合力大小F=2Tcos（/2）（3-36），方向为南偏西/2,三脚架高460mm图3.6小车受力分析示意图 以小车为研究对象，受力如图4所示。其中重力，（为车架质量，为砝码质量），绳拉力是主动力，, ,为地面的约束力，此5个力互相构成空间平衡力系。 取坐标系如图所示，列出三个平衡方程:；;； ；结论代
19、入式得具体设计结合CAD软件Solidworks进行辅助设计，符合条件的e值直接体现在小车的cad模型上。3.4稳定性分析 小车在行走过程中，会进行左右周期性的转向，则必然会出现转角最大的时候，也就是转弯半径R最小的时候，此时，就是小车最容易侧翻的时候，由于小车是对称机构，其运动轨迹也是对称机构，所以小车的左右临界侧翻速度都一样，下面以小车的右侧侧翻为例，对小车的稳定性做一个系统的分析。图3.7小车右侧翻受力分析示意图以小车为研究对象，受力如图4所示。其中重力，绳拉力是主动力，, , 为地面的约束力，此5个力互相构成空间平衡力系。 取坐标系如图所示，列出三个平衡方程:； ； ；若小车出现右侧翻
20、，则结论可算得此时的, ,其中(为砝码向心力)(为车架向心力)为重块的最小转弯直径则由此，可确定小车在行进过程中的最大速度，通过调节锥形绕线轮的大小则可改变速度，达到优化分析的目的。总结：通过对无碳小车能耗规律模型的建立以及对动力系统的分析，优化了小车的结构，使小车在原有的基础上行驶更远距离，同时，通过对其进行的稳定性分析，限制其行驶速度，从而使小车平稳的行驶，达到了优化的最终目的。实际条件下，在保证车子行走距离的前提下，我们应该使v尽量小，或者求出一个最大的v值。通过设定绕线轮的半径来保证这一速度，进而使小车行走平稳，不致翻车。我们发现，我们设定的轨迹的最小半径r=3.125m，由此得到的力
21、F远不及大，因此在小车轨迹振幅较大时，可以不考虑。4、制造方案及成本估算主要零部件生产车架，传动轴等非标准件。载荷块（及徽标）轴承座，轴承，砝码，齿轮，螺纹紧固件等标准件均为外购。制造方案零件毛坯材料毛坯尺寸每个毛坯可造零件数编号工序加工机床车板铝合金300300211数控铣数控铣床2钻孔普通钻床车轮铝合金300300311数控铣数控铣床2钻轴孔普通钻床3攻螺纹丝锥三角架铝合金12606011铣普通铣床2钻孔普通钻床3攻螺纹凹形件铝合金50506021铣普通钻床2钻孔普通钻床3攻螺纹圆盘铝合金1外包加工T型杆开槽件铝合金3030601铣普通铣床2钻孔普通钻床3攻螺纹导向杆铝合金3030601铣
22、普通铣床2钻孔普通钻床3攻螺纹绕线轮塑料113D打印5、附录5.1装配图图5.1小车俯视图图5.2小车右视图图5.3小车轴侧图图5.4小车局部图5.5导向机构5.2运动学分析程序：5.2.1小车各轮子轨迹程序r=0.024; R=0.09;w=1; b=0.05;d=0.15; i=3;a=0.075;v=w*i*R;t=0:0.0001:12;af=w.*t;l=r.*cos(af);rou=d./(l./b)+0.075.*(l./b)/abs(1./b);dbt=(0.0001.*v)./rou;bt=cumsum(dbt);dxa=-0.0001.*v.*sin(bt);dya=0.0
23、001.*v.*cos(bt);xa=cumsum(dxa);ya=cumsum(dya);xb=xa-2*a.*cos(bt);yb=ya-2*a.*sin(bt);xc=xa-a*cos(bt)-d*sin(bt);yc=ya-a*sin(bt)+d*cos(bt);x=(min(xb)+max(xa)/2;y=0:0.0001:max(yc);plot(xa,ya,g,LineWidth,2);hold on;plot(xb,yb,g,LineWidth,2);plot(xc,yc,r,LineWidth,2);plot(x,y);grid on;axis equal;xlabel(X方向位移/m);ylabel(Y方向位移/m);axis(-0.8,0.2,0,max(yc);set(gca,XTick,-0.8:0.2:0.2);set(gca,YTick,0:0.1:max(yc);角速度w 绕线轮与驱动轴传动比i 曲柄工作长度r 推杆与车子中心线的距离b 前轮与后轮的距离d 曲柄转过的角度a 推杆推程l 小车转动曲率半径rou
