S曲線無碳小車畢業(yè)設(shè)計方案沈陽工程學(xué)院

S曲線無碳小車畢業(yè)設(shè)計方案沈陽工程學(xué)院S曲線無碳小車設(shè)計I摘要S曲線無碳小車來自全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題，本文通過認真分析任務(wù)要求，確定小車應(yīng)有的功能，完成了方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和加工裝配調(diào)試三個階段，制作出了行駛平穩(wěn)輕巧，效率高且轉(zhuǎn)彎半徑、周期可調(diào)的小車，并提出了提高零件精度和增加賽道校準(zhǔn)裝置的改進方向。在方案設(shè)計中，根據(jù)功能性需求，小車按模塊化設(shè)計可分為六個部分：車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、微調(diào)機構(gòu)，對每個部分采用擴展性思維尋求多種可行方案，并綜合考慮功能實現(xiàn)、加工裝配、成本可行性等因素進行優(yōu)化設(shè)計。其中，車架為骨架式玻纖板，原動機構(gòu)采用滑輪組和變徑繞線軸、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用關(guān)節(jié)軸承連接的曲柄連桿機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)采用單輪差速、微調(diào)機構(gòu)采用細螺紋調(diào)節(jié)搖桿與連桿長度以及微調(diào)圓盤調(diào)節(jié)曲柄長度。在技術(shù)設(shè)計中，采用現(xiàn)代機械設(shè)計方法，通過MATLAB建模做能耗規(guī)律和運動學(xué)分析，設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)，并使用SolidWorks仿真分析，繪制圖紙。關(guān)鍵詞模塊化設(shè)計，matlab建模，solidworks仿真，曲柄連桿機構(gòu)，單輪差速沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IIAbstractThenon-carboncarofScurveisfromthenationalcomprehensiveabilitytrainingcontestofcollegestudentsofengineering,inthispaper,throughcarefulanalysisofmissionrequirements,thecar'sfunctionisdetermined.Itcompletedthethreephaseoftechnicaldesignandassemblydesign,debugging,producedastablerunninglightweight,highefficiencyandturningradius,adjustablecyclecart,andputforwardtheimprovementdirectionofimprovingtheaccuracyofpartsandaddingthetrackcalibrationdevice.Inthedesignofthescheme,concerningthefunctionalrequirements,accordingtothemodulardesigning,thecarcanbedividedintosixparts:frame,drivingmechanism,transmissionmechanism,asteeringmechanism,drivingsystem,adjustmentmechanism.Foreachpart,itusedtheextendedthinkingtoseekavarietyofoptions,andconsiderfactors,suchastherealizationofthefunction,processingandassembling,costandfeasibility,tooptimizethedesign.Amongthem,theframeisframetypeofglassplate,drivingmechanismadoptsgroupandvariablediameterpulleyspool,thesteeringmechanismadoptsacrankconnectingrodmechanism,connectedbyjointbearing,drivingsystemhasadifferentialsinglewheel,adjustingmechanismusesfinethreadtoadjustthelengthofrockerandtheconnectingrod,andthetrimmingdisctoadjustcranklength.Inthetechnicaldesign,usingthemoderndesignmethod,itmadeenergyconsumptionanalysisoflawandkinematicsbytheMATLABmodeling,designedkeyparameters,thendidSolidWorkssimulation,andproduceddrawings.KeyWordsmodulardesigning,matlabmodeling,SolidWorkssimulation,crankconnectingrodmechanism,singledifferentialwheelS曲線無碳小車設(shè)計III目錄摘要........................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II1緒論...............................................................................................................-1-小車的設(shè)計要求...............................................................................-1-小車的設(shè)計方法...............................................................................-2-2方案設(shè)計.......................................................................................................-4-車架...................................................................................................-7-原動機構(gòu)...........................................................................................-7-傳動機構(gòu).........................................................................................-10-轉(zhuǎn)向機構(gòu).........................................................................................-13-驅(qū)動系統(tǒng).........................................................................................-15-微調(diào)機構(gòu).........................................................................................-18-3技術(shù)設(shè)計.....................................................................................................-20-數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定.........................................................-20-能耗規(guī)律模型.....................................................................-20-運動學(xué)分析模型.................................................................-23-確定零件尺寸.....................................................................-27-零部件設(shè)計.....................................................................................-29-標(biāo)準(zhǔn)件及材料明細表.........................................................-29-沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）IV......................................................................-30-整體設(shè)計.........................................................................................-31-整體裝配圖.........................................................................-31-小車運動仿真分析.............................................................-33-4小車的加工、裝配和調(diào)試.........................................................................-34-小車零件的加工.............................................................................-34-小車的裝配.....................................................................................-35-小車調(diào)試.........................................................................................-36-5評價分析及總結(jié).........................................................................................-37-小車設(shè)計結(jié)果.................................................................................-37-小車設(shè)計的優(yōu)缺點.........................................................................-37-改進方向.........................................................................................-38-總結(jié)和體會.....................................................................................-38-參考文獻.........................................................................................................-39-附錄.................................................................................................................-40-附錄1S曲線無碳小車命題要求.........................................................-40-附錄2耗能分析程序............................................................................-41-附錄3運動學(xué)分析程序........................................................................-42-S曲線無碳小車設(shè)計-1-1緒論小車的設(shè)計要求S曲線無碳小車需要采用三輪結(jié)構(gòu)，其前進和轉(zhuǎn)向的能量來源必須來自給定的重力勢能，即重量1Kg的重塊（50×65mm，普通碳鋼）垂直下降400±2mm獲得的4J能量，重錘下落后需要同小車一起運動，不能脫離車身。小車標(biāo)準(zhǔn)要求要求小車一邊前進，一邊自動繞過障礙物，以小車避開障礙物的數(shù)量和前進的距離來綜合評定優(yōu)劣。障礙物為每隔1米放置的直徑20mm、高200mm的彈性圓棒（）。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-2-小車?yán)@障要求小車的設(shè)計方法首先認真對小車任務(wù)要求（詳見附錄1）進行分析，得到小車明確的設(shè)計思路，下面是小車設(shè)計的流程。（）S曲線無碳小車設(shè)計-3-設(shè)計流程圖沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-4-2方案設(shè)計通過分析，小車應(yīng)具備的基本功能有：重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身前進、自動避開障礙物，并且要在一定的能量下盡可能提高前進距離和繞桿數(shù)量。根據(jù)小車的功能性需求，進行模塊化設(shè)計。小車的設(shè)計劃分為六個部分：車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、微調(diào)機構(gòu)。采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案并優(yōu)化設(shè)計。下面為設(shè)計圖框（）。S曲線無碳小車設(shè)計-5-設(shè)計圖框在選擇方案時應(yīng)綜合考慮功能實現(xiàn)、加工制做、成本等各方面因素（如圖），提出多種方案，不輕易做最終實施，從而得到最優(yōu)的設(shè)計方案。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-6-方案設(shè)計因素S曲線無碳小車設(shè)計-7-車架車架是其他支承件連接的基礎(chǔ)，是最重要的支承件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計必須合理、巧妙。車架體積不需要很大，所承載的負荷比較小，受力不是很大，主要部件尺寸也都較小。因此可以采用玻璃纖維板材，經(jīng)雕刻機加工成所需形狀，鉗工修磨后，拼接粘合成三角式車架和其他各個組件。加工簡單，質(zhì)量可靠，成本低，重量輕。原動機構(gòu)原動機構(gòu)的作用主要是將鐵錘下降的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車前進的動能?？梢詫崿F(xiàn)這一目的的方案有很多，如繞線輪和齒輪齒條機構(gòu)，但后者需要較長的空間，不容易實現(xiàn)，從效率和簡潔性來看，采用線輪最佳。通過滑輪和尼龍線將動力傳遞到繞線軸上，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。此外，原動機構(gòu)還應(yīng)滿足以下具體要求：，減小車速，使小車在轉(zhuǎn)向時不會因重錘慣性或擺動而失穩(wěn)，甚至傾翻。，因此在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時，原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。，能量轉(zhuǎn)化效率高。綜上分析，本文提出了一種驅(qū)動力可調(diào)的變徑線軸原動機構(gòu)。，重錘拴在線繩的一端，由兩個定滑輪支撐，可以垂直在籠中平穩(wěn)下降，為繞線軸提供平穩(wěn)而持續(xù)的動力。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-8-滑輪組為了避免小車在拐彎時因速度過大而發(fā)生傾翻，或重塊的劇烈搖晃影響其運動。必須限制重塊的晃動，使其重心豎直方向始終經(jīng)過小車三個輪構(gòu)成的三角形內(nèi)，因此采用質(zhì)量較輕的碳纖維桿和玻纖板材圍成一個直徑合適的籠狀結(jié)構(gòu)（），保證重塊在“籠”中平穩(wěn)下落，維持車體的平衡。此外，碳纖和玻纖材料的使用極大的減輕了小車的重量，同時降低小車的重心高度，保證小車運動中的車身穩(wěn)定。S曲線無碳小車設(shè)計-9-重錘在籠狀直筒中下降線輪軸在小車動力傳遞機構(gòu)中起到了重力勢能到動能的轉(zhuǎn)換作用。線輪軸的粗細將直接對小車的驅(qū)動力大小，前進速度和加速度產(chǎn)生影響。而線輪軸上的繞線位置將影響線繩對小車車身的力矩，影響兩驅(qū)動輪所受的摩擦力分配，進而影響小車前進方向和差速效果。由于最大靜摩擦一般情況下大于動摩擦因數(shù)，起步所需的驅(qū)動力也應(yīng)略大于正常前進所需的驅(qū)動力。如果將線輪軸設(shè)計成圓柱，當(dāng)線輪軸的直徑過小時，將導(dǎo)致重物下落為小車提供的扭矩不足，小車可能會難以起步。當(dāng)線輪軸的直徑增大到能夠順利起步時，小車在后來的加速度將會過大，使小車不斷加速，行駛過快，影響到車身前進的平穩(wěn)性，出現(xiàn)側(cè)向滑動，甚至有可能出現(xiàn)側(cè)翻，此外線輪軸過粗會使繞線的圈數(shù)減少，也會減少小車的繞桿數(shù)量和縮短前進距離。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-10-經(jīng)過上述分析和反復(fù)的實驗改進后，將線輪軸設(shè)計成中間一段圓錐面的形式，并改變線繩的纏繞方式，起步時將線繞在直徑大的一段圓柱面上，啟動后工作在直徑逐漸減小的圓錐面，經(jīng)短暫過渡后再工作在直徑小的軸上。該機構(gòu)（）可以根據(jù)變徑線軸與線繩相切處的直徑大小，調(diào)整扭矩的大小。變徑線軸該機構(gòu)（）可以通過改變繩子繞在變徑線軸上的部位不同，調(diào)整驅(qū)動力的輸出。傳動機構(gòu)S曲線無碳小車設(shè)計-11-把動力按準(zhǔn)確的傳動比傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和兩個驅(qū)動輪上，是傳動機構(gòu)的主要作用。為了實現(xiàn)小車更遠的行駛，更多的繞桿和精確繞桿，傳動機構(gòu)需要滿足傳動比可靠、傳遞效率高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕的特點。保證傳動鏈與執(zhí)行件之間的嚴(yán)格傳動比，盡量縮短傳動鏈，減少傳動件的個數(shù)，縮小傳動誤差，盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會有效地提高能量利用率。由繞線軸直接驅(qū)動兩個驅(qū)動輪，結(jié)構(gòu)最簡單、效率最高。這是在不考慮其它條件時最優(yōu)的方式，但這顯然不滿足變速和行程及扭矩的需要。因此，只能在考慮到結(jié)構(gòu)合理的前提下，盡量減少傳動副的數(shù)量。傳動機構(gòu)沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-12-實現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向，必須將繞線軸的動力按精確的傳動比輸出到后輪軸和轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，使前進與轉(zhuǎn)向嚴(yán)格協(xié)調(diào)。齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定。齒輪的傳動效率最高可達98%，因此可以很好的提高能量利用效率?？紤]到傳動所需載荷較小，金屬齒輪成本較高且重量大，因此選用工程塑料齒輪即可。帶輪具有傳動距離遠、緩沖吸震等特點。因此從小車結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮，在動力傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)的最后一環(huán)，選用帶輪傳動。各傳動軸的材料要有足夠的支承剛度，減少受載后的彎曲變形，在布置上也要考慮軸的兩支承跨距要盡量小，使齒輪盡量靠近支承處，從而提高傳動機構(gòu)的工作精度。繞線軸和驅(qū)動軸之間采用一級齒輪增速（）。在兩根傳動軸上安裝能夠相互嚙合的一對直齒輪，前軸（驅(qū)動軸）上安裝小齒輪，在后軸上安裝大齒輪，把重物繞線繞于后軸，通過齒輪傳動的傳動比將重物下降的行程放大。S曲線無碳小車設(shè)計-13-增速齒輪副轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是無碳小車設(shè)計中的一個關(guān)鍵。它需要盡量減少能量損失和可加工性好等基本條件，同時還需要能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動前輪導(dǎo)向，從而實現(xiàn)越障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：直動推桿盤式凸輪機構(gòu)、圓柱凸輪機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)等。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-14-小車俯視圖依靠直動推桿盤式凸輪機構(gòu)轉(zhuǎn)向：通過具有一定曲線輪廓的凸輪，推動轉(zhuǎn)向桿實現(xiàn)周期性的連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運動，控制前輪擺動，以實現(xiàn)按預(yù)定軌跡的轉(zhuǎn)向。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊、設(shè)計過程簡單，只需給出合理的凸輪輪廓，就可以控制運動，但加工過程比較困難。依靠圓柱凸輪機構(gòu)轉(zhuǎn)向：通過具有一定曲線凹槽的凸輪連接構(gòu)件，使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的規(guī)律性擺動。優(yōu)缺點與直動推桿盤式凸輪機構(gòu)相同，加工更困難，且精度難以保證、尺寸微調(diào)困難，因此不采用。依靠曲柄連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向。依靠曲柄連桿機構(gòu)推動轉(zhuǎn)向桿實現(xiàn)周期性的往復(fù)轉(zhuǎn)動，以控制前輪預(yù)定往復(fù)運動。運動副單位面積所受壓力較小，而且摩擦耗能小，可以使用市場上供應(yīng)的關(guān)節(jié)軸承；兩構(gòu)件之間的連接類型屬于幾何封閉，不像凸輪機構(gòu)有時需利用外加彈簧來保持接觸。但是曲柄連桿機構(gòu)一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動軌跡，且設(shè)計較為復(fù)雜；機構(gòu)作往復(fù)運動有較大的慣性力，尤其是在高速時將引起較大的振動和動載荷，故曲柄連桿機構(gòu)常用于低速場合。S曲線無碳小車設(shè)計-15-轉(zhuǎn)向機構(gòu)由于本小車設(shè)計的速度和傳遞的力不大，零件質(zhì)量較輕，可以忽略慣性力。而且機構(gòu)并不復(fù)雜，可以用MATLAB和SoildWorks軟件進行參數(shù)化設(shè)計。而且有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件和工具可以改造，其中的連桿和曲柄也便于制作微調(diào)機構(gòu)，因此選用該方案。驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)即為三個輪子，是小車前進和繞障運動的最終執(zhí)行裝置。需要控制的參數(shù)有差速裝置和輪子的材料、直徑、厚度、結(jié)構(gòu)強度等。根據(jù)摩擦理論，摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為NM（）對于固定的材料為常數(shù)，滾動摩擦力為沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-16-RNRMf（）由等式（）可知，輪子的直徑越大，小車受到的阻力越小，因此行駛距離和繞桿數(shù)目越多。但尺寸還需要考慮材料、加工、安裝等等問題，后面將做進一步分析確定。后輪可以采用的方案有雙輪同步驅(qū)動，使用差速器的雙輪差速驅(qū)動，使用單向軸承的雙輪差速驅(qū)動，單輪差速驅(qū)動。由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產(chǎn)生差速。車輛在拐彎時車輪的軌跡是圓弧，如果車輛向左轉(zhuǎn)彎，圓弧的圓心在左側(cè)，同一時間內(nèi)右側(cè)輪子的路程比左側(cè)輪子長。若兩側(cè)車輪固定于同一剛性轉(zhuǎn)軸上，以同一角速度轉(zhuǎn)動，則內(nèi)側(cè)或外側(cè)車輪在滾動中必然發(fā)生滑移。為了減少滑移帶來的能量損失，必須通過動力控制，使左邊車慢于右邊車輪，用不同的轉(zhuǎn)速來彌補距離的差異，減少輪子與地面的打滑，優(yōu)化轉(zhuǎn)向過程。差速原理圖雙輪同步驅(qū)動必定會產(chǎn)生輪子與地面的打滑，前進受到過多的約束，能量損耗加大，因此應(yīng)進行優(yōu)化。使用差速器的雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，這種差速方法能較多的減少摩擦損耗，實現(xiàn)預(yù)期運動。但是，它需要采用將連接兩輪的車軸斷開的半軸結(jié)構(gòu)，增加了裝配難度，而且車身結(jié)構(gòu)也將變得復(fù)雜。S曲線無碳小車設(shè)計-17-使用單向軸承的雙輪差速驅(qū)動，其原理是根據(jù)速度調(diào)節(jié)阻力，自動使速度較大的輪子成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，從而交替轉(zhuǎn)彎。但是，由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪和從動輪的切換過程中將出現(xiàn)誤差，影響運動的精度。使用單輪差速驅(qū)動是固定用一個輪子作主動輪，另一個為從動輪。就像一輛自行車后輪在旁邊裝上一個支撐輪。前進方向的改變完全由前輪控制，轉(zhuǎn)彎圓弧內(nèi)側(cè)的輪子阻力始終大于外側(cè)，從而實現(xiàn)差速。其結(jié)構(gòu)簡單易行，傳動精度比利用單向軸承高，能量利用效率也比差速器高，但速度沒有使用差速器的雙輪差速驅(qū)動穩(wěn)定。單輪差速綜上，在本文設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)中，輪子直徑、厚度等尺寸應(yīng)恰當(dāng)，采用單輪差速驅(qū)動。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-18-微調(diào)機構(gòu)機械裝置通常包括：原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分和輔助設(shè)備。而微調(diào)機構(gòu)就屬于小車的控制部分。其主要作用是調(diào)整小車的軌跡（幅值，方向，周期等），優(yōu)化小車的軌跡。此外，由于加工誤差和裝配誤差對曲柄連桿機構(gòu)的影響很大，因此必須對誤差進行修正。本文設(shè)計的曲柄連桿機構(gòu)包含了一個微調(diào)機構(gòu)，該機構(gòu)由微調(diào)搖桿、微調(diào)連接桿、和微調(diào)曲柄組成。其中的微調(diào)曲柄由一個固定在帶輪軸上的調(diào)節(jié)圓盤和在圓盤上可以調(diào)節(jié)徑向位置的月牙板組成（）。轉(zhuǎn)向軸承為桿端關(guān)節(jié)軸承，可以滿足一定角度的空間任意方向的全尺寸旋轉(zhuǎn)，因為標(biāo)準(zhǔn)件可直接購買，降低了制作成本。微調(diào)連桿和微調(diào)曲柄微調(diào)搖桿和微調(diào)連桿長度的改變可以實現(xiàn)小車出發(fā)時前輪轉(zhuǎn)角位置的精確調(diào)節(jié)，從而保證整個軌跡的中位線方向與賽道平行，影響小車的前進軌跡。其微調(diào)由螺距很小的螺紋連接實現(xiàn)，可以精確調(diào)節(jié)其長度。S曲線無碳小車設(shè)計-19-調(diào)節(jié)曲柄長度可以對轉(zhuǎn)向輪擺角幅度進行調(diào)整，從而控制小車轉(zhuǎn)彎軌跡，保證不撞桿，同時實現(xiàn)路線最短最優(yōu)。調(diào)節(jié)月牙板在調(diào)節(jié)圓盤上的徑向位置就可以改變曲柄長度。而對不同障礙間距的適應(yīng)，需要改變傳動機構(gòu)的傳動比，進而改變曲柄運動的周期和角速度，這一點可以對帶輪直徑進行微調(diào)修配或者更換帶輪來實現(xiàn)。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-20-3技術(shù)設(shè)計在技術(shù)設(shè)計中，主要任務(wù)是將方案付諸實施，具體確定各個零部件的詳細尺寸參數(shù)，并完成加工，裝配和調(diào)試等過程。數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定使用MATLAB軟件對小車進行數(shù)學(xué)建模，可以模擬小車在不同參數(shù)下的運動和能耗情況，從而對其參數(shù)進行優(yōu)化，得到適合給定軌跡的零件參數(shù)，并提高小車的能量利用效率。能耗規(guī)律模型在潤滑良好的情況下，小車內(nèi)部摩擦耗能很小，為分析方便起見，簡化能耗模型，僅考慮車輪與地面的摩擦阻力。設(shè)小車的能量利用效率為，輪子與地面的摩擦系數(shù)為。則有S曲線無碳小車設(shè)計-21-3131*iiiiRNgmNmghsii總（）式中iN為第i個輪子對地面的壓力；iR為第i個輪子的半徑；iS為第i個輪子行走的距離；總m為小車的質(zhì)量。下面詳細模擬小車的參數(shù)變化與前進距離的關(guān)系，分別從輪子的半徑和小車的重量兩個參數(shù)考慮其影響。（MATLAB程序詳見附錄2），車輪半徑依次增加10mm時，小車前進距離與小車驅(qū)動效率的關(guān)系圖。，，小車前進距離與小車驅(qū)動效率的關(guān)系圖。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-22-小車在不同車輪半徑下前進距離與驅(qū)動效率的關(guān)系小車在不同重量下前進距離與驅(qū)動效率的關(guān)系由圖可知，當(dāng)隨著車輪半徑的增加和重量的減小，小車前進距離將變大。所以，在設(shè)計時應(yīng)盡量使用大的車輪半徑和輕的車身。S曲線無碳小車設(shè)計-23-運動學(xué)分析模型（1）變量聲明（）：后輪半徑R后輪A與前輪轉(zhuǎn)動中心橫向偏距1a后輪B與前輪轉(zhuǎn)動中心橫向偏距2a驅(qū)動軸與前輪轉(zhuǎn)動中心的距離d曲柄軸與前輪轉(zhuǎn)動中心的距離b搖桿長c連桿長l曲柄長0r繞線軸與線繩相切處的截面圓半徑1r小帶輪基準(zhǔn)半徑4r大帶輪基準(zhǔn)半徑5r沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-24-小車參數(shù)符號說明a、驅(qū)動模型：當(dāng)重塊下降dh時，繞線軸轉(zhuǎn)過的角度為1d，有11dhdr（）驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過的角度為2d，則1212ddi（）小車移動的距離為S曲線無碳小車設(shè)計-25-2dsRd（）b、轉(zhuǎn)向模型：由傳動機構(gòu)可得22532452543izzdrddrzz（）設(shè)繞線軸與轉(zhuǎn)向桿的夾角為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為5則與5的關(guān)系可用方程表示為：552222200(cos)(sinsin)coslccbrcr（）解方程得關(guān)于5的函數(shù)關(guān)系式5f（）c、小車運動軌跡模型當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時，A輪為驅(qū)動輪，B輪為從動輪。則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為1tanda（）小車前進ds時，整體轉(zhuǎn)過的角度為dsd（）當(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-26-sincosdxdsdyds（）d、小車其他輪的軌跡以A輪中心為原點，構(gòu)建小車的運動坐標(biāo)系，B輪中心的坐標(biāo)為12,0BaaC輪中心的坐標(biāo)為1,Cad因此，當(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為時，有1212cossinBABAxxaayyaa（）11cossincossinCACAxxadyyda（）將微分方程改成差分方程來求解，并繪制三個車輪的運動曲線（MATLAB程序詳見附錄3），即可得到小車的運動軌跡，車的運動軌跡。S曲線無碳小車設(shè)計-27-小車軌跡模擬確定零件尺寸經(jīng)過理論計算和軟件模擬，并分析結(jié)構(gòu)的合理性，最終確定小車各個機構(gòu)零件的具體尺寸（單位：mm）。后輪半徑30R沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-28-后輪A與前輪轉(zhuǎn)動中心橫向偏距148a后輪B與前輪轉(zhuǎn)動中心橫向偏距248a驅(qū)動軸與前輪轉(zhuǎn)動中心的距離150d曲柄旋轉(zhuǎn)中心與前輪轉(zhuǎn)動中心的距離87b搖桿長53cl曲柄長08r繞線軸與線繩相切處的截面圓半徑12r小帶輪基準(zhǔn)半徑42rrS曲線無碳小車設(shè)計-29-尺寸符號示意圖零部件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件及材料明細表標(biāo)準(zhǔn)件及材料明細表編號材料及標(biāo)準(zhǔn)件毛坯種類毛坯尺寸毛坯數(shù)每臺件數(shù)型號1玻璃纖維板料200×200×3552碳纖維棒料Φ3×100012123碳纖維棒料Φ4×100，內(nèi)徑211445鋼棒料Φ10×500155深溝球軸承*6*(d*D*B)33NMB682XZZ6深溝球軸承2*5*(d*D*B)1010NMB682ZZ7滑輪軸承3*10*3(d*D*B)22V6238內(nèi)螺紋桿端關(guān)節(jié)軸承2*4*3*6*10*2(dxBxC1xd2xhxd3)229推力球軸承3*8*(d*D*B)22F3-810直齒輪m=，z=401111直齒輪m=，z=381112雙聯(lián)直齒輪m=，z1=34，z2=121113直齒輪m=，z=1814墊片M2×1303015螺栓M2×20202016螺母M2202017軸套2*5*(d*D*B)77沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-30-1、驅(qū)動軸材料：45鋼。方法：車工。規(guī)格尺寸：直徑3mm，長度120mm。2、短軸材料：45鋼。方法：車工。規(guī)格尺寸：直徑2mm，長度20mm。3、繞線軸材料：45鋼。方法：車工。規(guī)格尺寸：直徑2mm，長度110mm。4、車輪材料：玻纖板材。方法：數(shù)控銑（雕刻機加工）。厚度：3mm，規(guī)格尺寸：詳見圖紙。5、車架板材料：玻纖板材。方法：數(shù)控銑（雕刻機加工）。厚度：3mm，規(guī)格尺寸：詳見圖紙。S曲線無碳小車設(shè)計-31-整體設(shè)計整體裝配圖三維裝配圖沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-32-裝配三視圖及局部視圖S曲線無碳小車設(shè)計-33-小車運動仿真分析使用SolidWorks對小車三維建模后，為了進一步分析本方案的可行性，對各個機構(gòu)進行了動態(tài)仿真，詳見視頻。仿真分析沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-34-4小車的加工、裝配和調(diào)試小車零件的加工小車零件中標(biāo)準(zhǔn)件可以根據(jù)上述明細表購買，非標(biāo)準(zhǔn)件則需要對上述購買的毛坯料進行加工。（）部分零件加工工序工序零件圖機床夾具刀具（1）下料,切割輪廓（2）雕刻機鉆、銑雕刻機夾板銑刀、鉆頭S曲線無碳小車設(shè)計-35-小車的裝配車體：小車以玻纖板通過膠接制成車體。動力裝置：組裝滑輪支座，吊掛重錘的籠狀直筒，細繩繞過滑輪組以轉(zhuǎn)矩的方式傳遞動能給輸入軸。通過齒輪傳動增速，并將能量傳遞到驅(qū)動軸，帶動驅(qū)動輪使小車向前運動。傳動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)：安裝齒輪傳動與帶傳動機構(gòu)減速，曲柄連桿機構(gòu)控制小車轉(zhuǎn)向。小車的轉(zhuǎn)向通過關(guān)節(jié)軸承和連桿機構(gòu)實現(xiàn)，曲柄、連桿和搖桿的桿長可調(diào)，以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)向要求下的調(diào)整?？傃b：車體上安裝軸承，軸，車輪，轉(zhuǎn)向機構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)，滑輪組，吊掛重錘的籠狀直筒等。（1）車端面，粗車外圓至Φ4（2）精車Φ3外圓（3）切斷（4）車另一端面，得到長度120三爪卡盤外圓車刀、端面車刀、切斷車刀沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-36-小車調(diào)試由于精度問題和對小車潤滑及賽道實際摩擦系數(shù)的估計誤差等，小車的設(shè)計很難盡善盡美。小車的應(yīng)用需要微調(diào)機構(gòu)的調(diào)整，機構(gòu)參數(shù)需要進一步改進。此外，從實際測試中還能發(fā)現(xiàn)潛在的裝配誤差問題，因此小車的調(diào)試是個很重要的過程。主要包括：車速的快慢，車身的穩(wěn)定性，連接的牢固性，小車前進的距離，繞障數(shù)量等。S曲線無碳小車設(shè)計-37-5評價分析及總結(jié)小車設(shè)計結(jié)果設(shè)計出了達到了預(yù)期要求的小車，能依靠所給的重力勢能，在前進的過程中自動繞桿，平穩(wěn)行駛，且轉(zhuǎn)彎半徑、周期可調(diào)。小車設(shè)計的優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）小車機構(gòu)簡單，車身輕巧，齒輪和帶輪傳動，能量利用率高。（2）變徑繞線軸，易于啟動，滿足啟動和行駛中扭矩與速度的轉(zhuǎn)換。（3）采用單輪差速，較大的驅(qū)動輪，能量損耗小，行走距離遠。（4）微調(diào)機構(gòu)全方位調(diào)整轉(zhuǎn)向機構(gòu)參數(shù)，適應(yīng)轉(zhuǎn)彎繞障，便于糾正軌跡，避開障礙物。（5）轉(zhuǎn)向機構(gòu)使用曲柄連桿機構(gòu)，精度和效率較高，易于加工、安裝和調(diào)整的實現(xiàn)。缺點：受零件成本限制，小車精度不夠高，使用需要調(diào)整微調(diào)機構(gòu)，且賽道的放置位置很難把握準(zhǔn)確，比較繁瑣耗時。沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-38-改進方向小車最大的缺點是考慮到成本問題，精度還不夠高。因此本文提出以下改進方向：1、提高小車零件的加工精度和裝配精度，可以減少后期的調(diào)試工作，也能得到更好的運動效果。2、增加適合賽道放置的校準(zhǔn)裝置，并使發(fā)車過程變得更加簡單，同時達到更理想的運動軌跡和競賽成績。總結(jié)和體會在小車研制過程中，積極思考，查閱資料，邊做邊總結(jié)問題，并做出改進。雖然工作前期做了很多方面的考慮，但小車制作的過程中還是碰到了很多問題，主要困難在于后期的調(diào)試。通過這次小車的制作，學(xué)到了很多解決實際問題的辦法，提高了自身的機械設(shè)計制造能力，增強了自己的工程實踐能力。S曲線無碳小車設(shè)計-39-參考文獻[1]鞏云鵬田萬祿主編《機械設(shè)計課程設(shè)計》東北大學(xué)出版社2000[2]濮良貴紀(jì)名剛主編《機械設(shè)計》高等教育出版社2005[3]刑閩芳主編《互換性與技術(shù)測量》清華大學(xué)出版社2007[4]劉鴻文主編《材料力學(xué)》高等教育出版社2000[5]趙書蘭主編《MATLAB建模與仿真》清華大學(xué)出版社2013[6]吳宗澤主編《機械設(shè)計師》機械工業(yè)出版社2002[7]趙明生主編《機械工程手冊》機械工業(yè)出版社1997[8]大連理工大學(xué)工程畫教研室編《機械制圖》高等教育出版社2005[9]馮辛安主編《機械制造裝備設(shè)計》第2版機械工業(yè)出版社2006[10]陳有方主編《汽車原理及構(gòu)造》重慶大學(xué)出版社[11]王宗振主編《通用工程起重機技術(shù)基礎(chǔ)》花藝出版社[12]胡仁喜閆聰聰主編《SolidWorks2013中文版入門與提高》化學(xué)工業(yè)出版社2013[13]期刊論文《搬運小車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與探討》陳奎[14]期刊論文《港口橋式起重機小車軌道接頭的處理形式分析》李曉軍郭東[15]期刊論文《輕型起重機牽引式小車鋼絲繩張緊裝置設(shè)計》賈志平陳凱[16]HongqiLi,YungC．Shin．Analysisofbearingconfigurationeffectsofhighspeedspindlesusinganintegrateddynamicthermo—mechanicalspindlemode1．InternationalJournalofMachineTool&Manufacture．2004,44：347-364[17]JaeWookJeon.EfficientaccelerationanddecelerationtechniqueforshortdistancemovementinCNCmachinetools.ELECTRONICSLETTERS,13thApril2000:16-17[18]JaeWookJeon,Yun-KiKim.FPCAbasedaccelerationanddecelerationcircuitforindustrialrobotsandCNCmachinetools.Mechatronics,12(2002):63-65[19]ADAMSUserDynamics,[20]MechanicalDynamicsInc,GettingstartedusingADAMS/Hydraulics,沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）-40-附錄附錄1S曲線無碳小車命題要求本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進行現(xiàn)場