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1、 作品設(shè)計(jì)說明書 摘要 我們把小車的設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段：方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、制作調(diào)試。通過每一階段的深入分析、層層把關(guān)，是我們的設(shè)計(jì)盡可能向最優(yōu)設(shè)計(jì)靠攏。 方案設(shè)計(jì)階段根據(jù)小車功能要求我們根據(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）把小車分為車架 、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) 五個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分別針對每一個(gè)模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了帶輪軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用帶輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)

2、構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)采用雙輪驅(qū)動(dòng)。 技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對方案建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，借助MATLAB分別進(jìn)行了能運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)而得出了小車的具體參數(shù)，和運(yùn)動(dòng)規(guī)律y以及確定凸輪的輪廓曲線；接著應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行了小車的實(shí)體建模和部分運(yùn)動(dòng)仿真。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對每一個(gè)零件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等。 小車大多零件是標(biāo)準(zhǔn)件，可以購買，同時(shí)除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過手工加工出來。調(diào)試過程會通過微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律同時(shí)確定小車最優(yōu)的參數(shù)。 關(guān)鍵字： 無碳小

3、車 參數(shù)化設(shè)計(jì) 軟件輔助設(shè)計(jì) 目錄 摘要 2 一 緒論 4 1.1命題主題 4 1.2小車功能設(shè)計(jì)要求 4 1.3小車整體設(shè)計(jì)要求 5 1.4小車的設(shè)計(jì)方法 6 二 方案設(shè)計(jì) 7 2.1車架 8 2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu) 8 2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8 2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 9 2.5行走機(jī)構(gòu) 10 三 技術(shù)設(shè)計(jì) 10 3.1建立數(shù)學(xué)模型 11 3.2參數(shù)確定 14 3.3零部件設(shè)計(jì) 15 3.4小車運(yùn)動(dòng)仿真分析 18 四 小車制作調(diào)試及改進(jìn) 20 4.1小車制作流程 20 4.2小車調(diào)試方法 20 4.3小車改進(jìn)方法 20 五 評價(jià)分析 2

4、1 5.1小車優(yōu)缺點(diǎn) 21 5.2小車改進(jìn)方向 21 六 參考文獻(xiàn) 22 一 緒論 1.1命題主題 根據(jù)第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽主題為“無碳小車越障競賽”。命題與高校工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際操作能力和工程管理能力”四個(gè)方面的要求。 1.2小車功能設(shè)計(jì)要求 給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該自行小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的

5、障礙物（間隔范圍在700-1300mm，放置一個(gè)直徑20mm、長200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。 給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（5065 mm，普通碳鋼制作）鉛垂下降來獲得，落差4002mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。 要求小車前行過程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。 小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計(jì)完成。 1.3小車整體設(shè)計(jì)要求 小車設(shè)計(jì)過程中需要完成：結(jié)構(gòu)

6、方案設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)成本分析和工程管理方案設(shè)計(jì)。命題中的工程管理能力項(xiàng)要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)劃。設(shè)計(jì)能力項(xiàng)要求對參賽作品的設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項(xiàng)以要求綜合運(yùn)用加工制造工藝知識的能力為主。 1.4小車的設(shè)計(jì)方法 小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，通過對命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設(shè)計(jì)思路。作品的設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。 明確小車任務(wù)要求 小車功能分析 可行性方案 確定方案 分析評價(jià) 建模分析 初定參數(shù) 參數(shù)優(yōu)化 零部件設(shè)計(jì) 選擇

7、材料 確定尺寸 分析評價(jià) 總體設(shè)計(jì) 加工制作 調(diào)試 改進(jìn) 分析評價(jià) 結(jié)束 二 方案設(shè)計(jì) 為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)（車架 、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) ）。 行走機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 三角形底板 直齒傳動(dòng) 帶輪傳動(dòng) 彈簧儲能式 繩輪式 骨架式底板 雙輪同步 曲柄連桿 凸輪搖桿 雙輪差速 無碳小車 車架 原動(dòng)機(jī)構(gòu)

8、 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)。 2.1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，車架采用塑料加工制作成三角式底板。 2.2原動(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)能。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動(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，或重物晃動(dòng)厲害影響行走。 2. 到達(dá)終點(diǎn)前重物豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時(shí)使重

9、物的勢能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)的動(dòng)能，如果重物豎直方向的速度較大，重物本身還有較多勢能未釋放，能量利用率不高。 3.機(jī)構(gòu)簡單，效率高，便于加工制作。 2.3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)簡單重量輕等。 1.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率不是很高。 2.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高，不易加工制作。 因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下可優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。 2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)

10、鍵部分，直接決定著小車的功能。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)簡單，零部件已獲得等基本條件，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)化為滿足要求的來回?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：凸輪搖桿、曲柄連桿等等。 凸輪搖桿： 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)，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便； 缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難。 曲柄連桿： 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減?。粌蓸?gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來保持接觸。 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)

11、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，發(fā)生自鎖的可能性增加。 綜合上面分析我們選擇凸輪搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。 2.5行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。 由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為： 對于相同的材料為一定值。 而滾動(dòng)摩擦阻力 ： 所以輪子越大小車受到的阻力越

12、小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。 由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)。 雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會與地面打滑，使小車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏差，但由于小車速度較小時(shí)，可以大大減小差速帶來的影響。 雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實(shí)現(xiàn)差速。但差速器的構(gòu)造較為復(fù)雜，且由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確。 綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)可調(diào)的尺寸，經(jīng)過加工和成本的綜合考慮我們選用雙輪同步驅(qū)動(dòng)。 三 技術(shù)設(shè)計(jì) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是完成詳細(xì)設(shè)計(jì)確定個(gè)零部件的的尺寸。設(shè)計(jì)的同時(shí)綜合考慮材料加工

13、成本等各因素。 3.1建立數(shù)學(xué)模型 通過對小車建立數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)在輔助設(shè)計(jì)中的作用。因此，我們采用了Matlab軟件輔助設(shè)計(jì)。 小車后輪直徑計(jì)算： function [D2] =fD2(LC,n) %D2 小車后輪直徑 %LC 小車行駛一個(gè)周期的路程 %n 小車行駛一個(gè)周期，后輪轉(zhuǎn)的圈數(shù). %(確定n之后，也就確定了后輪軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比為n:1) D2=LC/pi/n; End 推桿伸長量計(jì)算： function [Delta] = fDelta(theta,yT) %yT

14、 導(dǎo)向桿長 %Delta 凸輪的推桿伸長量（假定伸長為正，縮短為負(fù)） %theta 小車前輪轉(zhuǎn)角（假定左轉(zhuǎn)為正） Delta=yT*sin(theta); end 小車路徑上某點(diǎn)的曲率半徑計(jì)算： function [r] = fr(x0,r0,l) %fr 求小車路徑上某點(diǎn)的曲率半徑 %r0 零點(diǎn)處曲線的縱坐標(biāo)，r0-y/2>10,y為兩后輪間距 %l 兩個(gè)障礙物間距，700~1300 % fx01,fx02 分別為fx0的一階導(dǎo)，二階導(dǎo) fx01=r0*pi*sin(pi*x0/l)/l; fx02=r0*(pi^2)*cos(pi*x0/l)/(l^2)

15、; r=(1+(fx01^2))^(3/2)/fx02; end 小車前輪轉(zhuǎn)角計(jì)算: function [theta] = ftheta(r,x ) %theta 小車前輪轉(zhuǎn)角（假定左轉(zhuǎn)為正） %r 小車路徑上某點(diǎn)的曲率半徑 %x 前輪軸與后輪軸間距 theta=atan(x/r); end 小車行駛一個(gè)周期的路程計(jì)算： function [ LC ] = fLC(r0,l) %運(yùn)用第一類曲線積分，當(dāng)被積函數(shù)為1時(shí)，即求曲線長度 %r0 零點(diǎn)處曲線的縱坐標(biāo)，r0-y/2>10,y為兩后輪間距 %l 兩個(gè)障礙物間距，700~1300 %LC小車行駛一個(gè)周期的

16、路程 x0=sym(x0); %r0=sym(r0); l=sym(l); %使結(jié)果帶有r0和l這兩符號 f=sqrt(1+r0^2*pi^2*(sin(pi/l*x0))^2/(l^2)); LC=int(f,0,2*l); LC=double(LC); %將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)值。結(jié)果帶有符號時(shí)不能使用 end 凸輪輪廓曲線繪圖: l=800; %兩個(gè)障礙物間距，700~1300 r0=150; %零點(diǎn)處曲線的縱坐標(biāo)，r0-y/2>10,y為兩后輪間距 x=200; %前輪軸與后輪軸間距 yT=30; %yT 導(dǎo)向桿長 rj=10; %凸輪基圓半徑 x1=7

17、2; %凸輪軸(軸1)與前輪軸水平間距 x2=72; %軸1與軸2間距 x3=48; %軸2與軸3間距 x0=0; r=fr(x0,r0,l); theta=ftheta(r,x); maxDelta=fDelta(theta,yT); %maxDelta 推桿最大伸長（或縮短）的量 maxDelta xT=x1-rj-maxDelta; %xT凸輪的推桿長度 xT i=1; for alpha=0:0.0001:2*pi x0=alpha*l/pi; r=fr(x0,r0,l); theta=ftheta(r,x); Delta=fDelt

18、a(theta,yT); TL=rj+maxDelta+Delta; n(i)=alpha; m(i)=TL; i=i+1; %hold on; %polar(alpha,TL); %描點(diǎn)法畫出凸輪輪廓 %plot(x0,Delta); %查看Delta(推桿伸長縮短量)隨x0變化而變化的情況%plot(x0,theta); %查看theta（前輪轉(zhuǎn)角）隨x0變化而變化的情況 %hold off; end polar(n,m); %axis equal; %描點(diǎn)時(shí)，使橫縱坐標(biāo)單位間距相等 3.2參數(shù)確定 單位：mm 前輪軸與后輪軸間距x=200

19、導(dǎo)向桿長x=30 凸輪基圓半徑R=10 凸輪軸(軸1)與前輪軸水平間距x=80 軸1與軸2間距x=72 軸2與軸3間距x=48 3.3零部件設(shè)計(jì) 1.需加工的零件： a．驅(qū)動(dòng)軸、傳動(dòng)軸 b．車輪 c.軸承座 d.底板 e.凸輪 2.可購買的標(biāo)準(zhǔn)件： 內(nèi)圈Φ10的深溝球軸承、7個(gè)不同彈性模量彈簧、M8方形內(nèi)六角螺栓 3. 部分加工零件二維圖 3.4小車運(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Solidworks進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。 四 小車制作調(diào)試及改進(jìn) 4.1小車制作流程 4.2小車調(diào)

20、試方法 小車的調(diào)試是個(gè)很重要的過程，有了大量的理論依據(jù)支撐，還必須用大量的實(shí)踐去驗(yàn)證。小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容，如車速的快慢，繞過障礙物，小車整體的協(xié)調(diào)性等。 （1）小車的速度的調(diào)試：通過小車在指定的賽道上行走，測量通過指定點(diǎn)的時(shí)間，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小車后半程速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動(dòng)軸，減小過大的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)也增大了小車前進(jìn)的距離。 （2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個(gè)機(jī)構(gòu)相對來說較簡單，但損耗能量稍多，同時(shí)避障也不是很好，可以通過改變搖桿與凸輪的接觸實(shí)現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。 4.3小車改進(jìn)方法 1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化：為了提高能量的利用效率，在不影響使用條件的情況下，可以削減不必要的部分。 2.機(jī)構(gòu)優(yōu)化：為了提高能量的轉(zhuǎn)換效率，在稍微增加成本的情況下，可以考慮使用齒輪傳動(dòng)。 五 評價(jià)分析 5.1小車優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： （1）小車機(jī)構(gòu)簡單，加工制作方便； （2）采用塑料材質(zhì)，質(zhì)量較輕，有利于行駛較遠(yuǎn)的距離。 缺點(diǎn)： 小車精度要求高，使得加工零件成本高，由于差速的存在影響小車的繞彎以及能量的有效利用率。 5.2改進(jìn)方向 小車主要的缺點(diǎn)是精度要求非常高和存在差速問題，相信改進(jìn)小車的精度和差速問題，，小車便能達(dá)到很好的行走效果。