畢業(yè)設(shè)計(論文)
無碳小車的設(shè)計與實現(xiàn)
教學(xué)單位：機電工程學(xué)院
專業(yè)名稱：機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號：
學(xué)生姓名:
指導(dǎo)教師:
指導(dǎo)單位：機電工程學(xué)院
完成時間：2016年3月20日
ＸＸＸＸ學(xué)院教務(wù)處制發(fā)
II
無碳小車的設(shè)計與實現(xiàn)
摘 要
本文圍繞無碳小車的設(shè)計，以全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的競賽命題為核心，系統(tǒng)地說明了符合比賽要求的無碳小車從設(shè)計構(gòu)思到參數(shù)計算以及最后的加工裝配的設(shè)計思路和步驟。主要介紹了無碳小車的機械機構(gòu)構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)、零件機械加工工藝、小車零部件的加工方式與加工裝配。
無碳小車主要由車體、驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)六個機械結(jié)構(gòu)組成，其中轉(zhuǎn)向機構(gòu)為無碳小車實現(xiàn)行駛S型軌跡的機構(gòu)，是無碳小車核心機構(gòu)。該小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)根據(jù)正弦機構(gòu)的原理，在正弦機構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化和修改而來。而微調(diào)機構(gòu)則是用于調(diào)整轉(zhuǎn)向機構(gòu)的周期，使小車的行駛軌跡能夠根據(jù)實際需要而改變。轉(zhuǎn)向機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)的設(shè)計是無碳小車設(shè)計最為重要的一部分，是實現(xiàn)競賽命題的要求的核心機構(gòu)。
在小車加工調(diào)試完成后，經(jīng)過驗證小車的設(shè)計與制造符合競賽命題的性能要求。通過這次設(shè)計，增強了我們的綜合能力，并真正能把所學(xué)知識真正用在工作和生活中。
關(guān)鍵詞:無碳小車；正弦機構(gòu)；單輪驅(qū)動；機械加工
Design and Implementation of carbon-free Vehicle
Abstract
This paper focuses on design of carbon-free vehicle, contest of the national competition for engineering training college students comprehensive ability as the core system that meets the game requirements, parameter calculation and carbon-free vehicle from design concept to final design idea and steps of processing and assembling. Introduces carbon-free vehicle for mechanical structure, technical parameters and machining of parts, car parts and processing method and processing and Assembly.
Carbon-free vehicle is mainly driven by the body, body, transmission, steering gear, trimmer bodies consists of six mechanical structure, including steering mechanism for carbon-free car bodies to achieve s-bend, that is carbon-neutral core trolley Agency. The car's steering mechanism based on the principle of sine mechanism, in sine mechanism based on optimization and modification. And fine-tuning is used to adjust the steering mechanism of the period, the car of course can change according to the actual need. Steering mechanisms and fine-tuning mechanism is designed to be carbon-free car design is the most important part of is the core institutions meet the contest requirements.
Processing in the car after debugging is complete, proven performance of car design and manufacture meet the contest requirements. Through this design enhances our overall ability and really can really use what they have learned in work and in life.
Key words: carbon-free vehicle; sine mechanism; Single-wheel driving; machining
目 錄
1 緒 論 4
1.1 無碳小車越障競賽命題要求 4
1.2 無碳小車越障競賽環(huán)境 4
1.3 設(shè)計和加工思路 5
1.4 本設(shè)計的意義 5
2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.1 車體 7
2.2 原動機構(gòu) 9
2.3 傳動機構(gòu) 9
2.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 10
3 技術(shù)設(shè)計 13
3.1小車齒輪齒數(shù)比的計算 13
3.2運動學(xué)模型 14
3.3后輪半徑與繞線輪半徑計算 15
3.4標準件及其材料件列表 15
3.5確定非標準件的零件尺寸 16
3.6小車整體裝配效果圖 17
4小車的加工裝配以及調(diào)試 18
4.1需要自行加工的零件及加工方法 18
4.1.1使用亞克力板作為加工原材料的工件 18
4.1.2使用鋁合金作為加工原材料的工件 19
4.1.2使用45號鋼作為加工原材料的工件 19
4.2 小車的裝配 19
4.3 小車的調(diào)試 20
5 結(jié)果評價分析 22
5.1 小車設(shè)計結(jié)果 22
5.2 小車設(shè)計方案的優(yōu)缺點 22
5.3 改進方向 23
參考文獻 24
附錄 1 小車數(shù)學(xué)模型方程 25
1 緒 論
當今社會人類活動對自然的污染越加嚴重，尋求清潔能源的行動勢在必行。無碳車的概念開始應(yīng)運而生。無碳車是一種十分環(huán)保的短途代步工具，具有節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保的特點。無碳車的應(yīng)用和推廣對保護環(huán)境和人類的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽響應(yīng)了綠色無碳的社會潮流，提出了無碳小車越障競賽命題要求，而我們通過設(shè)計無碳小車模型，希望可以為無碳小車越障競賽命題提供一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能的新思路。
1.1 無碳小車越障競賽命題要求
以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車作為要求，設(shè)計一種小車，由給定重力勢能作為能量來源，通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的重塊（R25×65 mm，普通碳鋼）作垂直下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下期間，必須由小車承載并與小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意簡圖。
圖1-1 無碳小車示意簡圖
設(shè)計要求：
（1）要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。
（2）要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機構(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賽場地。
（3）要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。
1.2 無碳小車越障競賽環(huán)境
競賽場地有兩個，主場地一作為車賽場地，占地2300平米，場地地面為國際室內(nèi)球類競賽用標準復(fù)合木地板；主場地二作為加工制作裝調(diào)競賽場地，配有普車、普銑、數(shù)車、數(shù)銑和快速成型等比賽用機床，配有鉗工工作臺和鉆床等設(shè)施設(shè)備。加工競賽需要的通用工卡量具由參賽隊自帶。
1.3 設(shè)計和加工思路
圖1-2 無碳小車設(shè)計流程圖
1.4 本設(shè)計的意義
本設(shè)計主要的工作有：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定、軟件仿真，加工工藝的設(shè)計，機械加工，裝配調(diào)試、實地測試。其中最為重要的是小車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計，轉(zhuǎn)向機構(gòu)是無碳小車的核心機構(gòu)，只有設(shè)計好轉(zhuǎn)向機構(gòu)，才能讓小車實現(xiàn)利用重力勢能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制并可以進行微調(diào)，并可以行使更遠的距離。
通過進行無碳的小車的設(shè)計，我們能夠在進行無碳小車的設(shè)計與實現(xiàn)的過程中加強自己的實踐能力、創(chuàng)新意識和合作精神，增加我們對本專業(yè)所學(xué)知識的理解和認識，提高我們的對機械設(shè)計方面的能力，讓自己更好鞏固和理解大學(xué)四年所學(xué)的知識，為我們在社會競爭中脫穎而出創(chuàng)造良好的條件。而設(shè)計的最終目標不僅是滿足競賽命題要求，更重要的是：結(jié)合我們所學(xué)習(xí)的知識，發(fā)揮自己想象力，設(shè)計并制作出一臺僅僅利用重力勢能作為驅(qū)動，利用正弦機構(gòu)現(xiàn)實轉(zhuǎn)向控制和微調(diào)，可以行駛S型軌跡的無碳小車。
2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
本部分主要是說明無碳小車的主要機構(gòu)，以及該機構(gòu)的設(shè)計思路和該機構(gòu)的優(yōu)缺點。無碳小車的機械結(jié)構(gòu)可以分為車體、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、和微調(diào)機構(gòu)共五個方面。其中，車體是小車全部零件的載體、原動機構(gòu)為小車提供動力、傳動機構(gòu)負責傳遞原動機構(gòu)提供的動力、轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)小車有規(guī)律的轉(zhuǎn)向、微調(diào)機構(gòu)改變小車行駛軌跡的半徑和周期。
2.1 車體
對車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括小車底盤，車輪，軸承座等為小車提供安裝固定的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。車體結(jié)構(gòu)作為為無碳小車的上的所有機構(gòu)提供安裝固定的部件，需要具有良好的硬度和較好延展性，密度低，輕便，同時還要易于加工，在加工時不容易變形等特點。在對比了各種常見的材料的屬性后，初步選定使用鋁或亞力克作為車體結(jié)構(gòu)的材料。
大多數(shù)常見的鋁合金都比較的輕便，而且加工容易，但是由于鋁合金價格比較高，所以選擇鋁合金作為小車的主體材料。而亞克力硬度較大，具有良好的耐沖擊性，而且易于加工，對加工精度要求沒有鋁高，而且價格便宜。亞克力是脆性比較大的，在較薄的情況下受到?jīng)_擊時容易折斷，所以在設(shè)計的時候需要選擇好亞克力的厚度，確保部件不會因為受力過大而折斷。經(jīng)過考慮，放棄了使用鋁合金作為車體結(jié)構(gòu)的材料，而選擇了亞克力。
小車底盤占小車整體質(zhì)量比重比較大，而且還承載著大部分的小車零件，需要具備較高的穩(wěn)定性和保持較輕的質(zhì)量，所以在設(shè)計小車底盤的時候，將底盤部分不需要的面積刪減，同時部分鏤空，為轉(zhuǎn)向機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)留下活動空間。為提高底盤的抗沖擊能力，底盤前方外圍的角采用了倒圓角處理。
圖2-1小車底盤三維圖
小車一共有三個車輪，分別為后左輪，后右輪和前輪，三者的設(shè)計均不同，前輪為導(dǎo)向輪，后右輪為從動輪，后左輪為驅(qū)動輪。小車的采用單輪驅(qū)動，后左輪是驅(qū)動輪直接與傳動軸相連安裝，且使用D字型孔與部分是D字型的軸配合，確保不會空轉(zhuǎn)。后右輪則是從動輪則是需要安裝軸承，來保證始終保持從動，來實現(xiàn)單輪差速。前輪是導(dǎo)向輪，當正弦機構(gòu)動作時，它使轉(zhuǎn)向輪按規(guī)定的角度擺動，從而保證小車在一定的周期內(nèi)行走S型軌跡。
圖2-2小車正弦機構(gòu)示意圖
為了減少小車的質(zhì)量，從動輪和驅(qū)動輪都在保證性能的前提下，盡可能的減少體積，做了大面積的鏤空。
圖2-3小車車輪平面圖
2.2 原動機構(gòu)
原動機構(gòu)實際上是將重塊豎直下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為機械能的機構(gòu)，它的作用是為無碳小車提供所有的能量來源。同時原動機構(gòu)需要滿足一些設(shè)計要求：（1）保持平衡，在重塊下落和小車轉(zhuǎn)向時，不會因為重物的慣性而失穩(wěn)或翻倒，（2）機構(gòu)設(shè)計簡便，由于小車的空間不足，無法使用過于繁雜的機構(gòu)，所以機構(gòu)需要簡便牢固，能量轉(zhuǎn)換效率高。
為了兼顧效率、簡易與經(jīng)濟，決定采用線輪結(jié)構(gòu)。重塊上系有尼龍線，重塊在下落時，拉動尼龍線，尼龍線通過定滑輪將動力傳遞到安裝在主動軸上的繞線軸上，帶動主動軸旋轉(zhuǎn)，從而為小車提供動力來源。
圖2-4原動機構(gòu)三維圖
在圖，原動機構(gòu)的頂端為以亞克力為材料的圓形定滑輪支撐架，定滑輪支撐架上安裝有定滑輪，用于傳遞有重物下落所產(chǎn)生的動力。定滑輪支撐架下連接著是三根直徑為6mm，長為60mm的碳纖維棒，三根碳纖維棒安裝在底部支撐架上，用于支撐定滑輪固定架和重物，保證重物下落時，小車的穩(wěn)定，維持車體的平衡。由于原動機構(gòu)的主要材料為亞克力和碳纖維棒，盡可以減少整個原動機構(gòu)的質(zhì)量，同時采用可線輪結(jié)構(gòu)，使得原動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)十分的簡潔，同時保證了原動機構(gòu)運行時的穩(wěn)定性。
2.3 傳動機構(gòu)
傳動機構(gòu)的作用是把動能和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上，使小車精確地行駛在設(shè)計的軌道且行走出最遠的軌跡。所以傳動機構(gòu)必需傳動效率高、傳動穩(wěn)定、機構(gòu)簡單重量輕等。
圖2-5傳動機構(gòu)三維圖
常見的簡單機械傳動方式有：摩擦傳動、鏈條傳動、齒輪傳動、皮帶傳動和蝸桿蝸輪傳動等等。由于摩擦傳動效率低噪聲較大，鏈條傳動與蝸桿蝸輪傳動效率低，所以優(yōu)先考慮齒輪傳動和皮帶傳動?？紤]到使用皮帶傳動時由于載荷過大可能會導(dǎo)致空轉(zhuǎn)的問題，以及幾何空間充分利用和節(jié)省空間的因素，所以我們選定了1模的齒輪作傳動機構(gòu)，選用碳鋼齒。
傳動機構(gòu)主要繞線軸部分、微調(diào)機構(gòu)連接軸部分和主動軸部分組成。傳動機構(gòu)工作時，在繞線軸上安裝的繞線輪纏繞連接重物尼龍線。當重物下落時，拖動尼龍線，尼龍線再帶動繞線輪，使得繞線軸轉(zhuǎn)動。通過齒輪傳動將動力傳動到主動軸和微調(diào)機構(gòu)連接軸上，使主動軸帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，為小車傳遞動力，而微調(diào)機構(gòu)連接軸則是負責將動力傳動到微調(diào)機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，讓微調(diào)機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)能夠正常工作。
2.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)
轉(zhuǎn)向機構(gòu)是整個無碳小車中最為重要的機構(gòu)，它的作用是通過將繞線軸轉(zhuǎn)角變化量通過機構(gòu)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角變化量，從而實現(xiàn)無碳小車的轉(zhuǎn)向功能，讓小車可以行走S型或8字型路線。轉(zhuǎn)向機構(gòu)需要滿足：（1）盡可能的減少能量損失；（2）易于加工；（3）能夠?qū)鲃酉到y(tǒng)的轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)化為合乎要求擺動運動，帶動前輪轉(zhuǎn)向。經(jīng)過考慮后決定選擇曲柄搖桿機構(gòu)作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的原型。
適用于轉(zhuǎn)向機構(gòu)的曲柄搖桿機構(gòu)主要有可以有兩種，其中一種是正弦機構(gòu)，而另外一種是正切機構(gòu)。
推桿與導(dǎo)路之間的間隙使推桿晃動，導(dǎo)致L改變，因此令正切機構(gòu)產(chǎn)生誤差，對正弦機構(gòu)幾乎無影響。
圖2-6正弦機構(gòu)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意簡圖
圖2-7正切機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意簡圖
而在實際使用中，由于搖桿轉(zhuǎn)角升程H與L的正切或正弦成比例，所以正弦機構(gòu)和正切機構(gòu)在工作時都會產(chǎn)生誤差，其誤差值為與。
由于正切機構(gòu)在誤差方面要大于正弦機構(gòu)，故在設(shè)計轉(zhuǎn)向機構(gòu)的時候，決定選擇正弦機構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎(chǔ)，在正弦機構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改善和優(yōu)化。
圖2-8轉(zhuǎn)向機構(gòu)三維圖
在轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計中，我們將用于提高正弦波的凸輪機構(gòu)簡化，并將機構(gòu)中的搖桿和推桿的自由度限制，使它們只能在同一個平面內(nèi)運動，這樣有利于優(yōu)化機構(gòu)的體積和復(fù)雜度，并減少誤差和計算難度。
轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由兩部分組成，一部分為負責提供正弦波的類凸輪部分，而另一部則是將正弦波轉(zhuǎn)化為小車導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向部分。如圖2-6所示，圖中紅色的零件為凸輪推桿滑塊、藍色的零件為正弦凸輪柄、橙色的工件為轉(zhuǎn)向滑塊固定架、深藍色的工件為轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、淺綠色的工件為導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊和綠色的工件為凸輪微調(diào)滑塊。類曲柄機構(gòu)部分的零件有凸輪推桿滑塊、正弦凸輪柄、用于連接凸輪推桿滑塊與正弦凸輪柄的連接桿和推桿。轉(zhuǎn)向部分的零件有：轉(zhuǎn)向滑塊固定架、轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊和導(dǎo)向輪車橋桿。
轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作時，微調(diào)機構(gòu)連接軸帶動微調(diào)機構(gòu)轉(zhuǎn)動。微調(diào)機構(gòu)通過凸輪微調(diào)滑塊與轉(zhuǎn)向機構(gòu)中凸輪推桿滑塊連接，其中凸輪微調(diào)滑塊和凸輪推桿滑塊之間通過軸連接，在凸輪微調(diào)滑塊上安裝有軸承，軸可以在凸輪微調(diào)滑塊中做出轉(zhuǎn)動運動，軸的另一端鎖死在凸輪推桿滑塊，凸輪推桿滑塊可以做出任意角度的相對于凸輪微調(diào)滑塊的相對轉(zhuǎn)動。正弦凸輪柄通過桿與凸輪推桿滑塊想連接，正弦凸輪柄可以在于凸輪推桿滑塊內(nèi)作上下滑動，故當微調(diào)機構(gòu)轉(zhuǎn)動時，由于直線軸承座的限位作用，令正弦凸輪柄始終垂直于底面，同時由于機構(gòu)的約束使其只能前后運動，使得正弦凸輪柄上的推桿只能作前后往返運動。當推桿作前后往返運動時，推動轉(zhuǎn)向滑塊固定架，由于推桿前端有螺牙，所以在推桿后退時，轉(zhuǎn)向滑塊固定架依然與推桿相連接。轉(zhuǎn)向滑塊固定架內(nèi)部安裝有轉(zhuǎn)向滑塊，兩者之間可以發(fā)生任意角度的相對轉(zhuǎn)動。導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊與轉(zhuǎn)向滑塊通過搖桿連接，搖桿前端與輪車橋轉(zhuǎn)塊固定，后端可以在轉(zhuǎn)向滑塊中作相對滑動，而輪車橋轉(zhuǎn)塊又與車橋桿通過螺絲鎖死。故當推桿帶動轉(zhuǎn)向滑塊固定架前后運動時，使搖桿的與繞線軸的夾角不斷發(fā)生變化，通過輪車橋轉(zhuǎn)塊將搖桿的與繞線軸的夾角的變化量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角變化量，從而改變小車的施行方向。
另外，在小車轉(zhuǎn)彎時，還需要解決內(nèi)輪和外輪差速問題。選擇雙輪驅(qū)動方案時，小車兩個后輪都同時作為驅(qū)動輪，兩后輪需要同軸，而且還需要設(shè)計和安裝無碳小車專用的差速器，但是由于差速器的加工精度要求太高，而且需要長時間的調(diào)試，制造成本過于昂貴。故不在小車上使用雙輪驅(qū)動而是選擇單輪驅(qū)動。單輪驅(qū)動即把其中一個后輪直接安裝在驅(qū)動軸上跟隨驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，作為驅(qū)動輪，另外一個后輪通過使用軸承與驅(qū)動軸連接或安裝在另一條軸上，不跟隨驅(qū)動軸一起轉(zhuǎn)動，作為從動輪，從動輪的轉(zhuǎn)速由小車轉(zhuǎn)彎時的角度和半徑?jīng)Q定，因此能很好的解決小車的差速問題。由于小車采用單輪驅(qū)動來解決小車轉(zhuǎn)向時從動輪和驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差問題，從結(jié)果上來看，單輪驅(qū)動的結(jié)構(gòu)會比雙輪驅(qū)動簡便許多，效率也會比使用差速器的雙輪驅(qū)動高，但是單輪驅(qū)動會導(dǎo)致小車行駛不穩(wěn)定的問題。通過對比后，決定使用單輪驅(qū)動，來解決小車轉(zhuǎn)向時內(nèi)輪和外輪差速問題。
3 技術(shù)設(shè)計
將無碳小車的機構(gòu)方案基本設(shè)計完成以后，需要根據(jù)實際需要來確定小車各個機構(gòu)的尺寸參數(shù)、建立數(shù)學(xué)模型，計算并優(yōu)化小車零件的參數(shù)。使小車可以行駛更遠的距離，更好的滿足競賽命題的要求，并為小車提供更好的性能。
3.1小車齒輪齒數(shù)比的計算
將無碳小車的機構(gòu)方案基本設(shè)計完成以后，還需要初步確定小車的部分參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，來推導(dǎo)其他參數(shù)，最后把小車的參數(shù)代入小車運動學(xué)模型中來驗算和優(yōu)化小車的參數(shù)，用于減少工作量并提高效率。
已知競賽命題中，小車繞障要求如圖3-1所示：（圖中單位為mm）
圖3-1小車繞障要求示意圖
如圖所示，小車前方每隔一米就會放一個障礙物，如果需要成功的避開障礙物小車的行駛軌跡就應(yīng)該為正弦曲線或余弦曲線。當選取正弦曲線為小車的行駛軌跡時，小車的行駛軌跡的周期不好確定，而且隨著小車行駛距離的增大，小車與每一次繞過障礙物時兩者相距的距離會越來越短，所以選擇了余弦曲線作為小車的行駛軌跡，令小車的軌跡為。
由圖3-1可得，和k的值為0，余弦曲線的周期T為2m，所以。由于小車繞過障礙物時兩者需要留有一定的安全距離，所以A一般取小車的車寬的一半與安全距離之和，故A=0.2m,所以小車的軌跡為。
通過小車的軌跡曲線公式可以求得小車在一個周期所行走的距離約為2.188m，令小車能夠在后輪轉(zhuǎn)動四圈后能夠行駛完一個周期，所以可以暫取小車后輪半徑為R=100mm，當小車行駛完一個周期后，小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)該也完成一個轉(zhuǎn)動周期。所以，小車的驅(qū)動齒輪和微調(diào)機構(gòu)轉(zhuǎn)動齒輪齒數(shù)之比為1:4，但是小車的后輪半徑越大越有利于小車的行駛，故小車后輪半徑取R=104mm，轉(zhuǎn)動3.4次后可行駛完一個周期，因此驅(qū)動齒輪和微調(diào)機構(gòu)轉(zhuǎn)動齒輪也該改為1:34。同時為了增加小車行駛的圈數(shù)，在驅(qū)動齒輪和微調(diào)機構(gòu)轉(zhuǎn)動齒輪之間并入一個齒輪用于連接繞線軸，取驅(qū)動齒輪和繞線齒輪齒數(shù)之比為1:3，故驅(qū)動齒輪、繞線齒輪齒數(shù)與微調(diào)機構(gòu)轉(zhuǎn)動齒輪三者的齒數(shù)比為1:3:3.4。將齒數(shù)帶入小車運動學(xué)模型，可驗證和優(yōu)化小車齒輪組的齒數(shù)比。
3.2運動學(xué)模型
通過以驅(qū)動輪、從動輪和轉(zhuǎn)向輪三者的軌跡方程為依據(jù)，編寫為matlab程序，進行仿真。在matlab程序中給參數(shù)賦初始值，通過不斷地對各參數(shù)進行調(diào)整，最終得出較為合理的軌跡函數(shù)圖像，再與競賽命題中要求小車所行走的軌跡兩者來對比，計算優(yōu)化得出最合理的參數(shù)，再以最合理的參數(shù)為依據(jù)確定小車的各零件的參數(shù)。下圖為圖3-2，圖中曲線為小車其中一組參數(shù)下的小車三輪的軌跡函數(shù)圖像即小車的運動軌跡圖。
圖3-2小車軌跡模擬圖
如圖3-2所示，從函數(shù)圖像中可以看出，圖曲線曲線光滑連續(xù)，并沒有較大的突變，周期和半徑都符合競賽命題要求，此時的各參數(shù)值可以為理論上的最優(yōu)值。具體值為：繞線軸齒輪為齒輪1模數(shù)齒數(shù)，微調(diào)機構(gòu)連接軸齒輪為齒輪2齒數(shù)，驅(qū)動軸齒輪為齒輪3齒數(shù)，齒輪傳動比為，帶傳動比為，繞線軸半徑r為3，驅(qū)動輪和從動輪半徑=為104mm，推桿為120mm，搖桿為74.5mm，為87mm，為87mm。
3.3后輪半徑與繞線輪半徑計算
已經(jīng)摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為:
M=Ur
（3-14）
其中U為滾動摩擦系數(shù)，其中亞克力與木地板的滾動摩擦系數(shù)為0.5mm，故滾動摩擦力：
M=0.5x90=45N （3-15）
由上式可知當小車輪子半徑越大，小車受到的滾動摩擦力越小，就能夠行駛的越遠。但是由于材料的加工問題、材料的機械性能不足問題材料、零件的安裝問題與小車零件協(xié)調(diào)性問題，故小車后輪的半徑不能取得太大，需要在合理范圍內(nèi)。
圖3-3小車齒輪組示意圖
如圖3-3所示，齒輪1為繞線軸齒輪，齒輪2為微調(diào)機構(gòu)連接軸齒輪，齒輪3為驅(qū)動軸齒輪，三者構(gòu)成了小車的齒輪組系統(tǒng)。
3.4標準件及其材料件列表
表3-1標準件及其材料件明細表
編號
材料及標準件的種類
毛坯尺寸
毛坯數(shù)量
每臺件數(shù)
1
亞克力板材
200×200×3
3
3
2
碳纖棒
Φ6×1000
3
3
3
鋁合金板材
12×20×200
1
1
4
深溝球軸承
8*14*5 (d*D*B)
18
18
5
深溝球軸承
6*14*5 (d*D*B)
4
4
6
滑輪軸承
6*20*5 (d*D*B)
1
1
7
直齒輪
m=0.8，z=14
1
1
8
直齒輪
m=0.8，z=42
1
1
9
直齒輪
m=0.8，z=46
1
1
10
墊片
M3
30
30
11
螺栓
M3
30
30
12
螺釘
M4
30
30
13
軸套
6*8*2
2
2
14
軸套
8*14*3
2
2
15
45#鋼
Φ4×500
1
1
16
45#鋼
Φ6×500
1
1
17
45#鋼
Φ8×500
1
1
3.5確定非標準件的零件尺寸
經(jīng)過理論計算和分析結(jié)構(gòu)的合理性，對機構(gòu)參數(shù)進行不斷的優(yōu)化，最終確定小車各個機構(gòu)重要零件的具體尺寸。
推桿長=120 mm搖桿長=78.5 mm
3.6小車整體裝配效果圖
圖3-4小車整體裝配效果圖1
圖3-5小車整體裝配效果圖2
4小車的加工裝配以及調(diào)試
在本章中，主要是介紹小車各個零件的具體加工方法、零件原材料的選擇、加工中遇到的問題、加工后進行的裝配過程以及在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及其改進方法。
4.1需要自行加工的零件及加工方法
小車的零件部分可以中的標準件可以根據(jù)設(shè)計要求而購買，而非標準件則需要購買毛坯料進行加工，我們所設(shè)計的無碳小車需要自行加工零件的原材料主要有亞克力、鋁合金為45鋼和碳纖維。
4.1.1使用亞克力板作為加工原材料的工件
亞力克是高分子材料，化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯。亞力克板是由亞克力粒料經(jīng)由擠板機擠出而成。優(yōu)點是具有較強的抗沖擊力性較高的表面硬度和表面光澤，以及較好的高溫性能，同時擁有在通用塑料比較優(yōu)秀的力學(xué)性能，穩(wěn)定性好，密度較低。缺點是脆性比較大，無法使用線切割工藝來確保加工精度。使用亞力克板作為小車的大部分工件的加工材料，有利于減輕小車的整體重量，同時具有較好的抗攻擊性，且可以控制成本。
需要以亞力克板為原材料加工的零件主要有小車底盤、驅(qū)動輪、從動輪、導(dǎo)向輪、軸承座、正弦凸輪柄、轉(zhuǎn)向滑塊固定架、定滑輪支架等。
由于加工精度對于無碳小車而言十分重要，為了保證零件的加工精度，上訴使用亞力克板為原材料加工的零件全部使用激光切割工藝對亞力克板進行切割，由于激光切割工藝的加工精度較高，所以大部分零件切割出來后可以直接使用。其中部分零件由于側(cè)面存在孔，無法使用激光切割工藝，故使用銑床加工剩余的部分。
：
圖4-1轉(zhuǎn)滑輪固定架
4.1.2使用鋁合金作為加工原材料的工件
鋁合金是日常生活中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，鋁合金密度低，強度比較高，塑性好。但是由于大部分鋁合金的密度比亞克力的密度高，且硬度不如亞克力，所以并選擇鋁合金作為小車的主體材料，僅作為部分連接件或滑塊的材料。由于鋁合金具有許多種型號，經(jīng)過考慮以后，決定使用6063鋁合金板材作為加工原料。
需要以6063鋁合金板材為原材料加工的零件主要有：導(dǎo)向輪車橋、導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊、轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、凸輪推桿滑塊、凸輪微調(diào)滑塊、凸輪微調(diào)滑塊固定架。
由于以6063鋁合金板材為原材料加工的零件尺寸都非常小而且數(shù)量不多，所以決定自行加工。在加工時，只能先是按照設(shè)計的要求，將6063鋁合金板材切割開粗，之后使用銑床進行精確加工，最后再用砂紙打磨去毛刺。
其中，導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊、轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、凸輪推桿滑塊和凸輪微調(diào)滑塊都比較容易加工，只需要將6063鋁合金板材開粗為余量不小于0.5毫米的毛坯，使用銑床銑精確到數(shù)，再按照圖紙的要求進行鉆孔、攻牙、打磨等加工工藝即可。至于導(dǎo)向輪車橋和凸輪微調(diào)滑塊固定架則存在一定的加工難點。
導(dǎo)向輪車橋的加工難點是在于其不是用銑床直接6063鋁合金板材，而是先使用車床加工出一個毛坯再使用銑床加工。由于M3絲攻很容易受力過大折斷，所以在使用M3絲攻攻牙的時必須非常小心。如圖4-4所示，先使用車床將6063鋁合金材料車出一個臺階圓柱，上臺階高5毫米直徑為10毫米，下臺階高50毫米直徑為20毫米。完成后使用銑床在下臺階銑出四個個端面，再按照圖紙要依次進行鉆孔和攻牙，最后銑用于安裝導(dǎo)向輪的槽。
4.1.2使用45號鋼作為加工原材料的工件
45號鋼是常用中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強度和較好的切削加工性。在小車中，用作加工各類軸。
需要以45號鋼零件主要有：驅(qū)動軸、從動軸、繞線軸、定滑輪軸、轉(zhuǎn)向機構(gòu)推桿、轉(zhuǎn)向機構(gòu)搖桿、導(dǎo)向輪車橋桿。
加工方法為：按照圖紙的要求，使用車床車出合適的直徑和長度，之后再進行攻牙和打磨。
4.2 小車的裝配
在小車的工件加工完畢后，將開始對小車進行裝配。對小車的裝配可以分為以下四個部分：
車體行駛結(jié)構(gòu)裝配 ：
將各個機構(gòu)的軸承座按照圖紙的要求安裝在小車底盤上，為了使軸承座和小車底盤連接的更加穩(wěn)固和方便調(diào)試，決定通過螺絲鎖緊將軸承座固定。然后將用于將安裝驅(qū)動軸和從動軸的軸承安裝在軸承座上，為后面對驅(qū)動軸和從動軸進行調(diào)試，先不將軸承固定。為了減少摩擦和提高穩(wěn)定性，每個軸承座上都安裝上一對軸承。之后安裝轉(zhuǎn)向輪車橋，為了減少車橋軸和小車底座的摩擦，在小車底盤正反兩面安裝一對軸承。在轉(zhuǎn)向輪車橋上安裝前輪，使用螺絲固定。將齒輪安裝在驅(qū)動軸上，暫時不固定，然后把驅(qū)動軸和從動軸穿過軸承，安裝在軸承座，把驅(qū)動輪和從動輪分別安裝在驅(qū)動軸和從動軸上，使用螺絲固定。
小車原動機構(gòu)裝配 ：
使用螺絲將原動機構(gòu)底部支撐架和小車底盤鎖緊，然后將將三根碳纖維管，放入原動機構(gòu)底部支撐架的三個孔內(nèi)，之后將定滑輪支撐架安裝在三根碳纖維管上。把定滑輪放入定滑輪軸上的合適位置，將定滑輪固定軸安裝在定滑輪支撐架上，微調(diào)原動機構(gòu)底部支撐架、碳纖維管和定滑輪支撐架至合適，安裝重物。
小車傳動機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)及轉(zhuǎn)向機構(gòu)總裝：
安裝繞線軸軸承，將齒輪放入繞線軸，之后將繞線軸穿軸承座上軸承，調(diào)試到合適的位置。安裝微調(diào)機構(gòu)連接軸，把凸輪微調(diào)滑塊安裝在凸輪微調(diào)滑塊固定架調(diào)試，等凸輪微調(diào)滑塊功能可用后，把凸輪微調(diào)滑塊固定架安裝到微調(diào)機構(gòu)連接軸，之后將凸輪推桿滑塊安裝在凸輪微調(diào)滑塊固定架上，放入正弦凸輪柄，完成微調(diào)機構(gòu)的安裝。微調(diào)機構(gòu)安裝完成后，將推桿無螺紋的一側(cè)放入正弦凸輪柄上，在推桿有螺紋一側(cè)安裝轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向滑塊固定架和凸輪推桿滑塊，再在轉(zhuǎn)向滑塊固定架安裝搖桿。將導(dǎo)向輪車橋轉(zhuǎn)塊安裝在轉(zhuǎn)向輪車橋軸上并連接搖桿。
小車各機構(gòu)微調(diào)固定：
將小車的各個機構(gòu)都安裝完畢后，微調(diào)各個機構(gòu)組件的位置，直至各個機構(gòu)可以正常并流暢的運作，完成微調(diào)后將固定每一個軸承的位置，并鎖緊全部固定螺絲，驗證小車是否能正常行駛，如果沒明顯問題，即完成對小車的裝配工作。
4.3 小車的調(diào)試
軸承裝配問題：在軸承裝配時，軸承需要過盈配合。軸承座上用于安裝軸承的孔直徑需要比軸承的直徑少0.001mm左右，但是即便是使用激光切割工藝加工，軸承座上的軸承孔仍然是會偏大甚至每個軸承孔的大小都不一，使得軸承都無法使用原本計劃中的安裝方法。發(fā)現(xiàn)這個問題后，我們可以采取半徑補償?shù)姆椒ǎ屳S承可以固定在軸承座上，但是這樣可能會導(dǎo)致軸承上的軸發(fā)生偏心，影響小車的工作。最好的方法是對軸承座重新加工，并要求在加工時，對加工材料進行加工誤差補償。
推桿自由度限制問題： 小車裝配完成后，發(fā)現(xiàn)小車的正弦機構(gòu)并沒有正常的工作。在小車測試時，轉(zhuǎn)向機構(gòu)中正弦凸輪柄和推桿會由于重力的作用在向前移動的同時會下落導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機構(gòu)不能正常工作。這個問題發(fā)生的原因是如果需要轉(zhuǎn)向機構(gòu)正常的工作需要限制推桿左右方向和豎直方向的自由度，而在轉(zhuǎn)向機構(gòu)中的設(shè)計中，轉(zhuǎn)向滑塊固定架并不能有限的限制推桿豎直方向下的自由度。解決這個問題需要設(shè)計專門用于限制推桿豎直方向的自由度的零件。
小車的穩(wěn)定性問題：在小車的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)小車的車身穩(wěn)定性并不怎么理想。由于小車的車身穩(wěn)定性與小車的整體構(gòu)造及整個車的重心有很多的關(guān)系，如果要要使小車的穩(wěn)定性得到良好的改進，需要調(diào)整小車的重心的位置，而這需要對小車上機構(gòu)的位置進行調(diào)整，把小車的重心集中在車體中間略微偏后的位置上，同時還需要令重物和尼龍線保持垂直。通過改進后，小車的穩(wěn)定性得到良好的改進。
摩擦對小車的影響問題：在小車的行駛過程中，車輪與地面的摩擦和零件之間的摩擦對車的性有很大的影響。在實際調(diào)試中，小車無法正常啟動行駛，經(jīng)過分析后是由于車輪與地面的摩擦系數(shù)過大或繞線輪半徑過少。在計算繞線輪半徑時，由于大部分可以需要進行反復(fù)運動的軸和桿都在連接處安裝有軸承來盡可能減少摩擦，因此是按照理論狀態(tài)下的情況，對小車的對繞線輪半徑進行計算，導(dǎo)致在實際中繞線輪半徑過少。后通過加大繞線輪半徑好，小車可以順利啟動并行使。
加工誤差的問題：在實際中由于存在加工誤差的影響，往往會導(dǎo)致設(shè)計性能與實際表現(xiàn)之中存在差別，令小車無法達到最優(yōu)性能。而解決這個問題的方法是利用小車的微調(diào)機構(gòu)的對小車進行微調(diào)。微調(diào)機構(gòu)不僅能用于調(diào)整小車運動軌跡的周期和半徑，善用微調(diào)機構(gòu)還能用于來改善由于加工誤差所導(dǎo)致的問題。
5 結(jié)果評價分析
分析無碳小車的設(shè)計與實現(xiàn)的成品，將小車的實際性能與理論性能作對比，并以此來尋找在小車的設(shè)計和制作過程中的由于設(shè)計或加工等問題導(dǎo)致的缺陷和問題，并通過分析小車成品的缺陷和問題，改進小車的設(shè)計和制造。
5.1 小車設(shè)計結(jié)果
在經(jīng)過對小車的設(shè)計優(yōu)化、加工裝配和微調(diào)總結(jié)后，最終設(shè)計并實現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)競賽命題并達到預(yù)期性能需求的無碳小車。該無碳小車可以能依靠所給定重力勢能，能夠自動啟動前行，并在行駛的過程中自動行駛出S型軌跡，且在實現(xiàn)平穩(wěn)行駛，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期。
5.2 小車設(shè)計方案的優(yōu)缺點
小車設(shè)計方案的優(yōu)點：
（1） 小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)與驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡便高效，零件的幾何關(guān)系簡潔明了，易于計算和仿真。
（2） 車身使用亞克力板為原理制作，使得小車車身更加輕巧，使用齒輪和帶輪傳動，能量傳遞效率高且能力損失少。
（3） 采用單輪驅(qū)動，不需要安裝差速器，減少小車整體的質(zhì)量和成本，同時具有較大的驅(qū)動輪，使小車行駛時效率比較高、能量損失小，能夠在比較粗糙地面行駛并行走更遠的距離。
（4） 微調(diào)機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)利用了正弦機構(gòu)的原理，可以減少誤差并能通過調(diào)整微調(diào)機構(gòu)參數(shù)，來實現(xiàn)糾正小車的行駛軌跡，并調(diào)節(jié)小車的行駛的周期和半徑，有利于小車適應(yīng)轉(zhuǎn)彎繞障和避開障礙物。
（5） 通過對機構(gòu)設(shè)計的調(diào)整，使小車零件對加工精度要求降低，減少小車的加工成本，并讓小車更加易于修改、加工、安裝及微調(diào)。
（6） 由于用于制作小車的原材料價格比較低且小車的加工成本不高，可以讓小車整體造價保持一個比較低的水平，可以在確保小車的性能達到要求的同時控制小車的成本。
小車設(shè)計方案的缺點：
（1） 由于在設(shè)計時，沒有考慮到理論和實際的區(qū)別，缺少設(shè)計經(jīng)驗，讓小車理論性能和實際性能有出入。
（2） 小車的加工受到成本、時間、加工技術(shù)和加工范圍的限制，導(dǎo)致小車的整體加工精度不高，出現(xiàn)了許多不該出現(xiàn)的加工誤差。
（3） 在不同的地面測試時，小車所行駛的距離波動比較大，微調(diào)機構(gòu)微調(diào)滑塊位置很難把握準確，難以根據(jù)不同類型的地面進行合適的微調(diào)，而且微調(diào)時比較繁瑣和耗時。
（4） 小車的微調(diào)機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)動平面垂直于地面，在工作時會受到重力加速度的影響，使得機構(gòu)工作時精準度收到影響。
（5） 對各種機構(gòu)認識還不夠全面和透徹，無法根據(jù)實際需要設(shè)計出性能更好且足夠簡便的機構(gòu)。
5.3 改進方向
（1） 加工精度和裝配精度是碳小車改進的一個大方向之一。如果能夠找到更加合適的加工工藝可以提高小車零件的加工精度并減少后期的調(diào)試工作，也可以讓小車現(xiàn)實得到更好的運動效果，同時控制小車的成本。
（2） 設(shè)計性能更加良好的轉(zhuǎn)向機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)，用于提高轉(zhuǎn)向機構(gòu)的效率和穩(wěn)定性，同時提高微調(diào)機構(gòu)的微調(diào)范圍，讓小車可以更大范圍的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期，提高小車在各種地面的適應(yīng)能力。
（3） 修改微調(diào)機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，使其的轉(zhuǎn)動平面平行于地面，減少重力對微調(diào)機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作時的影響。
（4） 在設(shè)計階段對小車進行更多的計算和仿真。通過更多的計算和仿真來選擇更好的設(shè)計方案和參數(shù)，令小車的理論性能得到提高。
（5） 改進機構(gòu)的配合的合理性。通過使機構(gòu)的配合更加合理，使小車更容易裝配并提高小車零件裝配時裝配精度。
參考文獻
[1] 顧曉勤，譚朝陽.理論力學(xué)[M]. 機械工業(yè)出版社,2009.
[2] 吳宗澤.機械設(shè)計禁忌1000例[M]. 機械工業(yè)出版社,20011：46-46.
[3] 黃廷祝,成孝予.線性代數(shù)[M].高等教育出版社，2008.
[4] 同濟大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].同濟大學(xué)出版社，2009.
[5] 王德倫，高媛.機械原理[M].機械工業(yè)出版社，2012.
[6] 濮良貴，陳國，吳立言.機械設(shè)計[M].高等教育出版社，2012.
[7] 王啟美，呂強.現(xiàn)代工程設(shè)計制圖[M].人民郵電出版社,2007.
[8] 潘春祥，任秀華，李香. SolidWorks 2014中文版基礎(chǔ)教程[M]. 人民郵電出版社，2013.
[9] 陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007
[10] Pohanish, Richard P. Machinery's Handbook Pocket[M]. Industrial Press,2008
附錄 1 小車數(shù)學(xué)模型方程
clear
clc
tic
n=1000;
h=linspace(0,0.4,n);
%小車齒輪齒數(shù)比
i31=21/23;
i21=3/1;
%小車繞線輪半徑
r1=0.009;
%小車前輪轉(zhuǎn)動中心到推桿中心的橫向偏距
C=0.0688;
%微調(diào)裝置滑塊中心到繞線軸圓心在水平方向上距離
L=0.020;
%導(dǎo)向輪車橋桿圓心到驅(qū)動軸圓心在水平方向上距離
I=0.180;
%小車后輪半徑
R=0.104;
%驅(qū)動輪到前輪轉(zhuǎn)動中心橫向偏距
A1=0.078;
%從動輪到前輪轉(zhuǎn)動中心橫向偏距
A2=0.078;
%算法
sd0=h/r1;
sd1=sd0*i31+0.5065*pi;
sd2=sd0*i21;
E=sin((h/r1).*i31).*L
af=atan(L*sin(sd1)/C);
format long
rou=I./(tan(af));
s=sd2*R;
ds=s(2)-s(1)
dbd=ds./(rou);
bd=cumsum(dbd);
dx=-ds.*sin(bd);
dy=ds.*cos(bd);
x=cumsum(dx);
y=cumsum(dy);
xb=x-(A1+A2).*cos(bd);
yb=y-(A1+A2).*sin(bd);
xc=x-A1*cos(bd)-I*sin(bd);
yc=y-A1*sin(bd)+I*cos(bd);
plot(x,y,'b',xb,yb,'b',xc,yc,'m');
hold on
grid on
for i=1:9
t=0:0.01:2*pi;
xy=0.01.*cos(t)-0.23;
yy=0.01.*sin(t)+i;
plot(xy,yy);
hold on
end
toc