S型凸輪無碳小車方案

S型無碳小車設(shè)計(jì)方案答辯小組成員：張鵬遠(yuǎn)、楊森、鄭銓、陳卓、艾買江目錄CONTENT設(shè)計(jì)要求第一章方案設(shè)計(jì)第二章運(yùn)動(dòng)分析第三章設(shè)計(jì)要求1設(shè)計(jì)要求題目一：“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車”設(shè)計(jì)一種小車，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)換而得到的。該給定重力勢(shì)能由競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（￠50×65mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。要求小車行走過程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。要求小車具有轉(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。最終成品能在規(guī)定的賽道上走一個(gè)“S”型（圖2所示，賽道寬2米，障礙物間距為1米，障礙物為直徑20mm、高200mm的圓棒）方案設(shè)計(jì)2方案設(shè)計(jì)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。車架原動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁板加工制作成。車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)用以控制各類輪式或履帶式車輛的行駛方向的機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)亦稱“行路機(jī)構(gòu)”。汽車或拖拉機(jī)底盤的一部分。一、車架

車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁板加工制作成。其中三角形結(jié)構(gòu)緊湊但不能攜帶落下的重物、矩形結(jié)構(gòu)平穩(wěn)但材料浪費(fèi)且增加小車自重，而三角形和矩形綜合能匯集三角形和矩形的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又避免了主要缺點(diǎn)，因此選用三角形和矩形綜合型。二、原動(dòng)機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過大傾翻，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。2.到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對(duì)小車過大的沖擊。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，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)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(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。4.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。而帶輪和鏈輪適用于電機(jī)作為動(dòng)力的機(jī)構(gòu)中?；谝陨戏治鑫覀冞x擇繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)。三、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。因鏈輪傳動(dòng)成本較高且傳動(dòng)的平穩(wěn)性差，加工復(fù)雜，因此不適合小車的設(shè)計(jì)。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)精度并不高因此不適合本小車設(shè)計(jì)。齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定且塑料此輪成本較低。因此選擇使用齒輪傳動(dòng)。四、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)這次的比賽主要是繞距離1米的桿行走，所以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在這次的設(shè)計(jì)中起著至關(guān)的作用。而在我們的討論中，我們主要推出了兩個(gè)方案：1.凸輪加連桿2.凹槽凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)于1方案，我們認(rèn)為凸輪可以隨著所需而加工成不同的形狀，這樣就可以準(zhǔn)確定位小車的行走路徑。但是該方案的設(shè)計(jì)難度與加工難度過高，實(shí)際操作難以實(shí)現(xiàn)，因此我們排除1方案。對(duì)于2方案，通過高副接觸使從動(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)，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便、高精確度等優(yōu)點(diǎn)。五、行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)亦稱“行路機(jī)構(gòu)”。汽車或拖拉機(jī)底盤的一部分。由于小車是沿著Ｓ型軌跡曲線前進(jìn)，后輪必定產(chǎn)生差速問題。如果采用雙輪驅(qū)動(dòng)，當(dāng)小車在轉(zhuǎn)向時(shí)便會(huì)導(dǎo)致車身的不穩(wěn)定，甚至是側(cè)翻，更難以保證運(yùn)行軌跡的精確性。為了解決上述差速問題，筆者采用簡(jiǎn)便、能耗小的辦法———單輪驅(qū)動(dòng)，也就是將從動(dòng)輪軸上的一個(gè)后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，其與從動(dòng)軸建立必要的旋轉(zhuǎn)約束，以便傳遞扭矩；而另一個(gè)后輪則通過軸承套在軸上，不建立與從動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)約束，在前進(jìn)過程中配合主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向能夠自動(dòng)調(diào)速，從而保證小車前進(jìn)過程中車身的穩(wěn)定性，提高運(yùn)行軌跡的精確性。凸輪尺寸設(shè)計(jì)：

１）確定基圓半徑。為防止凸輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，壓力角應(yīng)盡量小一些。在布置推桿導(dǎo)路時(shí)，推桿相對(duì)凸輪的回轉(zhuǎn)中心應(yīng)設(shè)置一定的偏距，在此取e＝4mm。通過計(jì)算以及校驗(yàn)壓力角后可知＝30mm較為合適。２）確定滾子半徑。由公式＝（0.1～0.5）得＝3～15mm，?。?mm。凸輪機(jī)構(gòu)確定輪廓：

凸輪輪廓設(shè)計(jì)根據(jù)凸輪理論輪廓線的解析模型，在MATLAB環(huán)境下，編寫符合預(yù)定設(shè)計(jì)效果的Ｍ文件,生成的凸輪基圓、理論輪廓曲線、實(shí)際輪廓曲線:運(yùn)動(dòng)分析3一、位移方程設(shè)定小車轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)行軌跡如圖所示。根據(jù)每隔１ｍ設(shè)置一個(gè)障礙物的預(yù)定設(shè)計(jì)要求，可得出小車轉(zhuǎn)向輪運(yùn)動(dòng)軌跡方程：式中：L為障礙物的間距（ｍｍ）；A為小車中心偏離賽道的最遠(yuǎn)距離（ｍｍ）。

由于前輪偏離水平位置的正切值即為運(yùn)行軌跡線上每點(diǎn)處切線的斜率，所以式中：α為搖桿的轉(zhuǎn)角。

設(shè)導(dǎo)向桿的升程為h，位移為s，其中心線與轉(zhuǎn)向輪支架的距離為m，規(guī)定α在轉(zhuǎn)向桿右側(cè)為正，左側(cè)為負(fù)。當(dāng)導(dǎo)向桿處于左、右極限位置時(shí)，前輪與水平位置有最大偏角，綜合考慮后取h＝6πmm，則m=20mm。由幾何關(guān)系可得：

由上式推導(dǎo)得推桿位移方程式：

設(shè)凸輪轉(zhuǎn)過的角度為φ。因?yàn)閯?dòng)力的限制，后輪直徑不宜過大，所以令凸輪每轉(zhuǎn)1圈，從動(dòng)軸轉(zhuǎn)5圈。φ與x近似呈線性關(guān)系，即凸輪轉(zhuǎn)360°，小車在x方向上運(yùn)行2m?？傻猛茥U位移方程：二、與軌跡相關(guān)的幾何參數(shù)主從動(dòng)軸距L；驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪的偏置距離e；后輪半徑R；齒輪總傳動(dòng)比i；驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速ω；前輪位置函數(shù)y（x）。其中L，e，R，i，ω為小車結(jié)構(gòu)參數(shù)，是定值。三、轉(zhuǎn)彎狀態(tài)分析小車的轉(zhuǎn)彎狀態(tài)如圖所示。

設(shè)小車前輪轉(zhuǎn)彎半徑為R２，驅(qū)動(dòng)后輪（主動(dòng)輪）轉(zhuǎn)彎半徑為R１，根據(jù)圖可得：

（1）（2）（3）（4）簡(jiǎn)化模型的軌跡方程當(dāng)A點(diǎn)和B點(diǎn)位于前輪轉(zhuǎn)角為θ（t）時(shí)的速度瞬心，三輪結(jié)構(gòu)小車模型可以簡(jiǎn)化為二輪車結(jié)構(gòu)。設(shè)二輪小車某一時(shí)刻前輪轉(zhuǎn)角為θ（t），A代表主動(dòng)輪軸心，B代表轉(zhuǎn)向輪軸心。在一個(gè)微小的時(shí)間段ｄt內(nèi)，小車由AB移動(dòng)到A'B'，如圖所示。由圖可得

基于小車車身上任意點(diǎn)在相同時(shí)刻的α的變化量相同，可以得到車上任意一點(diǎn)軌跡參數(shù)方程。如主動(dòng)輪軸心點(diǎn)Z軌跡參數(shù)方程為：（5）三、主動(dòng)輪軌跡分析以障礙物間距為１０００ｍｍ時(shí)，主動(dòng)輪的運(yùn)行軌跡為例進(jìn)行分析。首先假設(shè)L＝140mm，e＝50mm,R=120mm，i＝５，ω＝５rad/