無(wú)碳小車(chē)說(shuō)明書(shū)-何云磊王清梅何鳳偉

摘要發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是應(yīng)對(duì)全球氣候變暖，擔(dān)當(dāng)世界公民責(zé)任的必然之舉，黨的十六大報(bào)告提出的重要思想理論，就是要走出一條低消耗、低排放、高效益、高產(chǎn)出的新型工業(yè)化道路，而第三屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽以“無(wú)碳小車(chē)”為主題，符合世界的發(fā)展需求。本屆競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽”。在上一屆的基礎(chǔ)上增加了小車(chē)跑“8”字形路線項(xiàng)目?！盁o(wú)碳小車(chē)”是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，將給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走并能夠在前行時(shí)自動(dòng)避開(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物的裝置。該小車(chē)由能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)以及車(chē)身構(gòu)成，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)獲得動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪周期性轉(zhuǎn)向從而自動(dòng)避開(kāi)障礙物。在設(shè)計(jì)小車(chē)的整個(gè)過(guò)程中我們特別注重設(shè)計(jì)的思路，力求通過(guò)對(duì)命題的分析得到清晰開(kāi)闊的設(shè)計(jì)思路；以創(chuàng)新和靈感為主線，使小車(chē)的設(shè)計(jì)做到規(guī)范性和創(chuàng)新性；我們還綜合考慮了材料、加工、制造成本等幾方面因素，借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)發(fā)明理論方法；采用了PROE軟件輔助設(shè)計(jì)。小車(chē)的設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)階段：方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)階段根據(jù)小車(chē)功能要求我們根據(jù)機(jī)器的構(gòu)成（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、輔助部分）把小車(chē)分為車(chē)架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)模塊，進(jìn)行分模塊化設(shè)計(jì)。技術(shù)設(shè)計(jì)在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)方案進(jìn)行理論分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)學(xué)建模，得到了小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡與其尺寸的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后運(yùn)用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而得出了小車(chē)的具體參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。接著應(yīng)用PROE軟件進(jìn)行了小車(chē)的實(shí)體建模和部分運(yùn)動(dòng)仿真。最后綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。目錄第1篇繞“S”型曲線摘要 2一緒論 51.1本屆競(jìng)賽主題 51.2比賽要求 51.3競(jìng)賽命題：以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē) 51.4競(jìng)賽項(xiàng)目I： 6二方案設(shè)計(jì) 72.1小車(chē)的設(shè)計(jì)方法 72.2方案說(shuō)明 82.3方案分析 92.4設(shè)計(jì)思路 9三具體設(shè)計(jì)步驟 103.1耗能分析 103.2具體設(shè)計(jì)方法 113.2.1原動(dòng)機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)裝置） 113.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（傳動(dòng)裝置） 123.2.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 133.2.4細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 183.2.5行走機(jī)構(gòu) 183.2.6調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 193.2.7繞線輪設(shè)計(jì) 19四數(shù)據(jù)分析 204.1運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型 204.2小車(chē)運(yùn)動(dòng)仿真分析 25五零部件設(shè)計(jì) 255.1參數(shù)確定 255.2需加工的零件 255.3可購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)件 26六徽標(biāo)設(shè)計(jì) 28七評(píng)價(jià)分析 297.1小車(chē)優(yōu)缺點(diǎn) 297.2改進(jìn)方案 29八設(shè)計(jì)總結(jié) 29九參考文獻(xiàn) 31第2篇繞“8”字型曲線一緒論1.1本屆競(jìng)賽主題本屆競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽”。1.2比賽要求要求經(jīng)過(guò)一定的前期準(zhǔn)備后，在比賽現(xiàn)場(chǎng)完成一套符合本命題要求的可行裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)行考核。每個(gè)參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理4項(xiàng)報(bào)告。1.3競(jìng)賽命題：以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē)設(shè)計(jì)一種小車(chē)，驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。給定重力勢(shì)能為4焦耳（取g=10m/s2），競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（￠50×65mm，普通碳鋼）鉛垂下降來(lái)獲得，落差400±2mm，重塊落下后，須被小車(chē)承載并同小車(chē)一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車(chē)上掉落。圖1為小車(chē)示意圖。要求小車(chē)行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)獲得，不可使用任何其他的能量來(lái)源。要求小車(chē)具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。要求小車(chē)為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。圖1：無(wú)碳小車(chē)示意圖1.4競(jìng)賽項(xiàng)目I：競(jìng)賽小車(chē)在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個(gè)圓棒，沿直線等距離擺放。以小車(chē)前行的距離和成功繞障數(shù)量來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。見(jiàn)圖2。圖2：無(wú)碳小車(chē)在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖二方案設(shè)計(jì)2.1小車(chē)的設(shè)計(jì)方法小車(chē)的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，通過(guò)對(duì)命題的分析確定基本設(shè)計(jì)思路，以創(chuàng)新和靈感為主線，設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合需要綜合考慮材料、加工、制造成本等幾方面因素。根據(jù)小車(chē)功能設(shè)計(jì)要求——即小車(chē)在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物，小車(chē)前進(jìn)的路線具有一定的周期性；考慮到小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)速度有損失，小車(chē)前進(jìn)的線路是命題設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與成本分析、加工工藝設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮，力求產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)方法上我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)明理論方法。采用了MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計(jì)。下面是我們?cè)O(shè)計(jì)小車(chē)的流程——如圖所示：否是否是明確小車(chē)的任務(wù)要求確定方案確定方案小車(chē)功能分析小車(chē)功能分析初步參數(shù)確定初步參數(shù)確定可行的方案可行的方案參數(shù)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化組合幾種可行的方案組合幾種可行的方案選擇材料確定尺寸選擇材料確定尺寸評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)改進(jìn)評(píng)價(jià)改進(jìn)評(píng)價(jià)2.2方案說(shuō)明通過(guò)對(duì)小車(chē)的功能分析，小車(chē)需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開(kāi)障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車(chē)所要完成的功能將小車(chē)劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車(chē)架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿(mǎn)意方案，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和構(gòu)思。下面為我們?cè)O(shè)計(jì)圖框車(chē)架三角底板式車(chē)架骨架式原動(dòng)機(jī)構(gòu)繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)鏈輪式彈簧儲(chǔ)能式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)錐齒輪帶輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)凸輪加搖桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)曲柄連桿加搖桿曲柄搖桿差速轉(zhuǎn)向行走機(jī)構(gòu)雙輪同步行走機(jī)構(gòu)雙輪差速驅(qū)動(dòng)單輪驅(qū)動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)微調(diào)螺母微調(diào)機(jī)構(gòu)滑槽2.3方案分析在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。小車(chē)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：①行走路程遠(yuǎn)②避開(kāi)障礙多然而要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能，就需要減少內(nèi)部摩擦損耗、減少地面的摩擦損耗。這樣就要保證簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)、減少高副、減少轉(zhuǎn)軸軸承等直徑、充分潤(rùn)滑、保證零件精度、選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、減少小車(chē)的重量、增大輪子半徑以減小摩擦等途徑，再則是可根據(jù)不同的地面粗糙度調(diào)整輪子。最后要達(dá)到避開(kāi)障礙多，就要保證加工裝配精度，對(duì)小車(chē)行走影響較靈敏的零部件尺寸可微調(diào)。小車(chē)大多數(shù)零件采用標(biāo)準(zhǔn)件、可以直接購(gòu)買(mǎi)，減少加工誤差，另外部分零件可以通過(guò)手工加工出來(lái)。2.4設(shè)計(jì)思路1、車(chē)體設(shè)計(jì)按照大賽規(guī)定小車(chē)采用三輪結(jié)構(gòu)，梯形車(chē)身設(shè)計(jì)，車(chē)架材料經(jīng)過(guò)認(rèn)真比較認(rèn)為選用鋁板最適宜，用鋁板做的車(chē)架即比塑料車(chē)架更加牢固，又較鐵制的美觀輕便。2、總體設(shè)計(jì)思路根據(jù)大賽要求小車(chē)采用三輪結(jié)構(gòu)，我們把前輪作為轉(zhuǎn)向輪，后兩輪作為驅(qū)動(dòng)輪，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，重物通過(guò)輕繩跨過(guò)定滑輪連接到驅(qū)動(dòng)軸的T型軸上，將給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并通過(guò)小車(chē)的傳動(dòng)裝置傳給后輪驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走，并使前輪通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能做周期性的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而使小車(chē)在前行時(shí)自動(dòng)避開(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物。這樣，當(dāng)前輪周期性的來(lái)回?cái)[動(dòng)和后輪的向前滾動(dòng)相結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車(chē)的周期性向前行進(jìn)，由此可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)避開(kāi)每隔一米一個(gè)的彈性圓棒。三具體設(shè)計(jì)步驟3.1耗能分析圖3-1圖3-2力分析小車(chē)質(zhì)量P0，重力P0g=地面支反力N0小車(chē)驅(qū)動(dòng)力矩M=等效力偶F0×D/2（小車(chē)驅(qū)動(dòng)力）F0=2M/DM由G獲取例如：M=G×Φ/2=F0×D/2（暫不計(jì)效率）此時(shí)F0=G×Φ/D做功分析——設(shè)：S為小車(chē)行走距離，mm，η為小車(chē)總效率，F(xiàn)0×S=G×500mm×η則：S=G×500mm×η/F0前面防滑計(jì)算得出：F0＜Ff=P0g×f可見(jiàn)：（1）為了增大小車(chē)行走距離；（2）為了避免能量損失不打滑；（3）在保證能夠驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走的前提下，F(xiàn)0越小越好。3.2具體設(shè)計(jì)方法3.2.1原動(dòng)機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)裝置）如圖1，重物的重力作為小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力，設(shè)計(jì)中要盡可能多的把重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車(chē)的勢(shì)能，盡可能的使車(chē)勻速運(yùn)動(dòng)，也盡可能減少物體下落過(guò)程和小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中的能量損失。方案:1.重物通過(guò)輕繩跨過(guò)定滑輪連接到驅(qū)動(dòng)軸的T型軸上，啟動(dòng)時(shí)要求驅(qū)動(dòng)力比較大，輕繩從原動(dòng)軸的大端開(kāi)始（M=FR得F=M/R），有利于啟動(dòng)。2．啟動(dòng)后，原動(dòng)軸的半徑變小，轉(zhuǎn)速相應(yīng)的提高，轉(zhuǎn)矩變小，設(shè)計(jì)使其剛好能和阻力相平衡，實(shí)現(xiàn)小車(chē)勻速運(yùn)動(dòng)。3.當(dāng)物塊與小車(chē)距離相近時(shí)，由于要減小小車(chē)的速度和重物下降速度，原動(dòng)軸的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于物塊的慣性，仍會(huì)減速下降，原動(dòng)輪的半徑變小，總轉(zhuǎn)速比提高，小車(chē)緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車(chē)。4.此結(jié)構(gòu)中還設(shè)計(jì)有防止砝碼在下滑過(guò)程中擺動(dòng)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)，這樣就那保證砝碼穩(wěn)速小落，減少能量損失。圖13.2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（傳動(dòng)裝置）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車(chē)行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。方案：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可通過(guò)直齒輪、錐齒輪、帶輪等裝置來(lái)傳動(dòng)，通過(guò)比較和分析，帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高。而齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此在需用傳動(dòng)裝置的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng),如圖2。圖23.2.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車(chē)的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件易獲得等基本條件，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、蝸桿渦輪機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。1.凸輪機(jī)構(gòu)凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，有內(nèi)凸輪和外凸輪兩種，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)；缺點(diǎn)：較難得到精確的凸輪輪廓曲線，輪廓加工也比較困難。在本小車(chē)設(shè)計(jì)中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動(dòng)摩擦）因此不采用。見(jiàn)圖3和圖4。圖3（內(nèi)凸輪）圖4（外凸輪）2.曲柄連桿+搖桿圖5優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小，制造方便，易獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往比較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所長(zhǎng)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。在本小車(chē)設(shè)計(jì)中由于小車(chē)轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用MATLAB進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)并不困難，加上可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。對(duì)于安裝誤差的敏感性問(wèn)題我們可以增加微調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)解決，本設(shè)計(jì)方案如圖6。圖63蝸桿渦輪機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：1.傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。T)f:2.傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪音。因?yàn)槲仐U齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時(shí)是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒(méi)有進(jìn)入和退出嚙合的過(guò)程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動(dòng)、噪音小。缺點(diǎn)：1.具有自鎖性。蝸桿的螺旋升角很小時(shí)，蝸桿只能帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)，而蝸輪不能帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.蝸桿傳動(dòng)效率低，一般認(rèn)為蝸桿傳動(dòng)效率比齒輪傳動(dòng)低。尤其是具有自鎖性的蝸桿傳動(dòng)，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。(V'N%U;f8D3.發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。'g7圖7圖73.曲柄搖桿結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但和凸輪一樣有一個(gè)滑動(dòng)的摩擦副，其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)構(gòu)。4.差速轉(zhuǎn)彎差速拐是利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不一樣，從而使兩個(gè)輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車(chē)通過(guò)差速實(shí)現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車(chē)能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)方案。和凸輪同樣，對(duì)輪子的加工精度要求很高，加工出來(lái)后也無(wú)法根據(jù)需要來(lái)調(diào)整輪子的尺寸。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的）圖8綜合上面分析我們采用以下方案，見(jiàn)圖9。圖9小車(chē)的一副總體設(shè)計(jì)圖（圖10）圖10 轉(zhuǎn)向由曲柄滑塊裝置完成。驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)齒輪傳動(dòng)聯(lián)接后帶動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤(pán)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿的另一段聯(lián)接前輪軸上的滑塊，滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程使前輪周期的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使小車(chē)行走軌跡為近似正弦曲線。3.2.4細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)車(chē)身盡量簡(jiǎn)單原則，來(lái)減小小車(chē)總質(zhì)量，但要有足夠位置放置載重物塊。推桿的用軸套定位來(lái)保證推程和回程過(guò)程中方向不變。齒輪和軸承盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件尺寸，易于加工。前后車(chē)輪選用輕質(zhì)材料，而且適當(dāng)?shù)耐诳铡?.2.5行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子有厚薄之分，大小之別，材料之不同，因此需要綜合考慮。由于小車(chē)是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車(chē)前進(jìn)受到過(guò)多的約束，無(wú)法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。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，可以通過(guò)差速器或單向軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)滿(mǎn)足要運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過(guò)程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，但影響有多大會(huì)不會(huì)影響小車(chē)的功能還需進(jìn)一步分析。單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。3.2.6調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿加搖桿的方案，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。再者，加上微調(diào)機(jī)構(gòu)可更方便調(diào)整小車(chē)的軌跡，通過(guò)不斷的調(diào)整和實(shí)驗(yàn)使小車(chē)走一條最優(yōu)的軌跡。微調(diào)機(jī)構(gòu)有以下兩種方式：微調(diào)螺母式、滑塊式如圖。通過(guò)分析我們采用滑塊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。由于理論分析與實(shí)際情況有差距，只能通過(guò)理論分析得出較優(yōu)的方案而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的小車(chē)，通過(guò)小部分的改動(dòng)便可以改裝成其它方案，再通過(guò)試驗(yàn)比較得到最優(yōu)的小車(chē)。3.2.7繞線輪設(shè)計(jì)加速—?jiǎng)蛩佟獪p速的過(guò)程，所以開(kāi)始時(shí)拉力的作用點(diǎn)處在原動(dòng)輪半徑較大處，并且隨著小車(chē)的前進(jìn)，拉力作用點(diǎn)距離原動(dòng)輪的軸線的距離呈遞減的線性變化。起始時(shí)，原動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，有利起動(dòng)；起動(dòng)后，原動(dòng)輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車(chē)勻速運(yùn)動(dòng)。見(jiàn)圖圖7圖7梯形圓柱原動(dòng)輪的作用：1.剛開(kāi)始牽動(dòng)繩為小車(chē)提供動(dòng)力的部分是梯形圓柱的粗端，這樣能為小車(chē)提供更快捷的動(dòng)力。2.下落物體不可避免的會(huì)和小車(chē)發(fā)生碰撞，這樣當(dāng)物體快要和小車(chē)碰撞的時(shí)候，牽動(dòng)繩繞到梯形圓柱的細(xì)端，這樣能減少小車(chē)的下落速度，減少物體和小車(chē)碰撞的能量損失。3.梯形原動(dòng)輪的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的起動(dòng)和物塊的從低速到減速下落。減小因碰撞而損失的能量。4.利用公式M=F*R，當(dāng)力一定時(shí)，R越大矩就越大，轉(zhuǎn)動(dòng)的就越快，車(chē)啟動(dòng)的就越快；當(dāng)M達(dá)到一定的大小保持不變R變小，F(xiàn)就會(huì)越大，從而使得物塊減速。四數(shù)據(jù)分析4.1運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型符號(hào)說(shuō)明：后車(chē)輪半徑驅(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距齒輪1與2傳動(dòng)比齒輪1與3傳動(dòng)比后輪軸（軸F）與轉(zhuǎn)向輪中心距離b曲柄軸（軸G）與轉(zhuǎn)向輪中心距離d曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑軸的繩輪半徑連桿長(zhǎng)L搖桿長(zhǎng)(實(shí)際長(zhǎng)度)CE軸為驅(qū)動(dòng)軸F軸為后輪軸G軸為曲柄軸滑塊在搖桿上運(yùn)動(dòng)位移S圖11.驅(qū)動(dòng)部分當(dāng)重物下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸（軸E）轉(zhuǎn)過(guò)的角度為，則有后輪軸（軸F）轉(zhuǎn)過(guò)的角度則曲柄軸（軸G）轉(zhuǎn)過(guò)的角度小車(chē)移動(dòng)的距離為（以A輪為參考）轉(zhuǎn)向部分當(dāng)轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動(dòng)軸間的夾角為時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為則與滿(mǎn)足以下關(guān)：解上述方程可得與的函數(shù)關(guān)系式3．行走軌跡只有A輪為驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)則小車(chē)轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為小車(chē)行走過(guò)程中，小車(chē)整體轉(zhuǎn)過(guò)的角度當(dāng)小車(chē)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為時(shí)，有4．其他輪的軌跡以輪A為參考，則在小車(chē)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，B的坐標(biāo)C的坐標(biāo)在地面坐標(biāo)系中，有5.滑塊在搖桿上運(yùn)動(dòng)位移通過(guò)整理以上方程，帶入合理參數(shù)，使用Matlab軟件分析得到小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡。（如下圖）圖24.2小車(chē)運(yùn)動(dòng)仿真分析為了進(jìn)一步分析本方案的可行性，我們利用了proe進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，詳見(jiàn)視頻。五零部件設(shè)計(jì)5.1參數(shù)確定單位：mm轉(zhuǎn)向輪與曲柄軸軸心距b=145;搖桿長(zhǎng)c=32;驅(qū)動(dòng)輪直徑D=120;驅(qū)動(dòng)輪A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a1=78驅(qū)動(dòng)輪B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距a2=78;驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的距離d=145;曲柄長(zhǎng)r1=22;繩輪半徑r2=165.2需加工的零件1．驅(qū)動(dòng)軸6061空心鋁合金管。外徑6mm內(nèi)徑3mm。2．車(chē)輪鋁板7075-T6，具體參數(shù)見(jiàn)附圖。3.底板鋁板7075-T6，具體參數(shù)見(jiàn)附圖。5.3可購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)件1.軸承：內(nèi)徑6mm，外徑12mm，如圖2.軸承座：選用型號(hào)：SK123.滑塊部分：優(yōu)先選擇賣(mài)有現(xiàn)成的，如果不合適，再自己加工制作。4．直齒輪齒輪1：模數(shù)=1，齒數(shù)=17，外徑=17mm，內(nèi)孔=6mm厚度：10齒輪2：模數(shù)=1，齒數(shù)=51，外徑=47mm，內(nèi)徑=6厚度=10mm齒輪3：模數(shù)=1，齒數(shù)=34，外徑=36mm,內(nèi)徑=6mm，厚度=10mm材質(zhì)：7075-T6鋁5.前輪轉(zhuǎn)向部分（與車(chē)身配合處）采用型號(hào)：LMF6六徽標(biāo)設(shè)計(jì)圖1圖1徽標(biāo)設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)說(shuō)明：整個(gè)徽標(biāo)是一個(gè)橢圓形的圈，包圍著一個(gè)加油機(jī)字樣的N和英文字母“CAR”，代表著“NoCarbon”無(wú)碳，簡(jiǎn)單明了地說(shuō)明了這屆大賽的主題。同時(shí)，英文字母“CAR”也代表著我們所做的無(wú)碳小車(chē)。其次，選用綠色為標(biāo)志的主色調(diào)，代表著綠色環(huán)保，和諧自然。且外面的橢圓圈，代表著能量的意識(shí)，說(shuō)明了勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。同時(shí)，橢圓圈又是一圈圈跑道，代表著無(wú)碳的道路永無(wú)止境。最后，以整體上看，整個(gè)圖形像一只眼睛。看著遠(yuǎn)方，對(duì)未來(lái)全球?qū)崿F(xiàn)無(wú)碳充滿(mǎn)希望。（2）材料：45鋼（3）制作：激光打標(biāo)機(jī)噴漆外圈綠色R：64G：225B：109內(nèi)圈綠色R：30“加油機(jī)”R：48G：179:B：:83“Car”R：239G：21B：19七評(píng)價(jià)分析7.1小車(chē)優(yōu)缺點(diǎn)本小車(chē)采用的轉(zhuǎn)向方案中，曲柄是在一個(gè)圓盤(pán)上，在不改變小車(chē)機(jī)構(gòu)的前提下，可以調(diào)節(jié)曲柄和連桿的長(zhǎng)度，從而避免了安裝時(shí)的局限。同時(shí)，可以根據(jù)兩個(gè)障礙物的距離改變后，相應(yīng)的調(diào)節(jié)曲柄和連桿的長(zhǎng)度，以適應(yīng)不同寬度的賽道。此外，后輪可以根據(jù)不同賽道的地面更換相對(duì)應(yīng)材料的外胎。7.2改進(jìn)方案小車(chē)最大的缺點(diǎn)是精度要求非常高，改進(jìn)小車(chē)的精度要求，使能調(diào)整簡(jiǎn)單，