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1第二屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書參賽者：龔雪飛 趙鵬飛 劉述亮指導(dǎo)老師：朱政強(qiáng) 戴莉莉2011-1-162摘要第二屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題主題為“無(wú)碳小車” 。在設(shè)計(jì)小車過(guò)程中特別注重設(shè)計(jì)的方法，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；作品的設(shè)計(jì)做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。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)發(fā)明理論方法；采用了 MATLAB、PROE 等軟件輔助設(shè)計(jì)。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(guò)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) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分別針對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合對(duì)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)采用了錐形軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪或沒(méi)有該機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿、行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速、微調(diào)機(jī)構(gòu)采用微調(diào)螺母螺釘。其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用了調(diào)心軸承、關(guān)節(jié)軸承。技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對(duì)方案建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，借助 MATLAB分別進(jìn)行了能耗規(guī)律分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、靈敏度分析。進(jìn)而得出了小車的具體參數(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(duì)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。小車大多是零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購(gòu)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(guò)手工加工出來(lái)。對(duì)于塑料會(huì)采用自制的‘電鋸’切割。因?yàn)樾≤囀芰Χ疾淮?，因此大量采用膠接，簡(jiǎn)化零件及零件裝配。調(diào)試過(guò)程會(huì)通過(guò)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)。3關(guān)鍵字：無(wú)碳小車 參數(shù)化設(shè)計(jì) 軟件輔助設(shè)計(jì) 微調(diào)機(jī)構(gòu) 靈敏度分析目錄摘要 2一 緒論 51.1 本屆競(jìng)賽命題主題 51.2 小車功能設(shè)計(jì)要求 51.3 小車整體設(shè)計(jì)要求 61.4 小車的設(shè)計(jì)方法 6二 方案設(shè)計(jì) 72.1 車架 102.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 102.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 112.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 112.5 行走機(jī)構(gòu) 132.6 微調(diào)機(jī)構(gòu) 14三 技術(shù)設(shè)計(jì) 153.1 建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定 163.1.1 能耗規(guī)律模型 .163.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型 .183.1.3 動(dòng)力學(xué)分析模型 .233.1.4 靈敏度分析模型 .253.1.5 參數(shù)確定 .263.2 零部件設(shè)計(jì) 2743.3 整體設(shè)計(jì) 303.3.1 整體裝配圖 .303.3.2 小車運(yùn)動(dòng)仿真分析 .31四 小車制作調(diào)試及改進(jìn) 324.1 小車制作流程 32詳見(jiàn)工藝分析方案報(bào)告 324.2 小車調(diào)試方法 324.3 小車改進(jìn)方法 32五 評(píng)價(jià)分析 335.1 小車優(yōu)缺點(diǎn) 335.2 自動(dòng)行走比賽時(shí)的前行距離估計(jì) 335.3 改進(jìn)方向 33六 參考文獻(xiàn) 33七 附錄 347.1 裝配圖 347.2 耗能分析程序 387.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序 397.4 動(dòng)力學(xué)分析程序 417.5 靈敏度分析程序 435一 緒論1.1 本屆競(jìng)賽命題主題本屆競(jìng)賽命題主題為“無(wú)碳小車” 。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(shì)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來(lái)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(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔 1 米，放置一個(gè)直徑 20mm、高 200mm 的彈性障礙圓棒） 。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開(kāi)障礙的多少來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。給定重力勢(shì)能為 5 焦耳（取 g=10m/s2） ，競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為 1Kg 的重塊（ 50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來(lái)獲得，落差 500±2mm，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(guò)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。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為 60×20 mm 的實(shí)心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于?750 克；在小車行走過(guò)程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。1.3 小車整體設(shè)計(jì)要求小車設(shè)計(jì)過(guò)程中需要完成：機(jī)械設(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、6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(duì)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(shí)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(guò)對(duì)命題的分析我們得到了比較清晰開(kāi)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(guò)程中需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。小車的設(shè)計(jì)是提高小車性能的關(guān)鍵。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)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)小車的流程（如圖一）圖一7二 方案設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(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)計(jì)（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) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)） 。為了得到令人滿意方案，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（圖二）圖二8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)。9圖三2.1 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，車架采用木材加工制作成三角底板式?？梢酝ㄟ^(guò)回收廢木材獲得，已加工。2.2 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。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)。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(guò)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(guò)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。基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)。如下圖四10如上圖我們可以通過(guò)改變繩子繞在繩輪上不同位置來(lái)改變其輸出的動(dòng)力。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(jiǎn)單重量輕等。1.不用其它額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。2.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。不適合本小車設(shè)計(jì)。3.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。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。圖四112.4 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)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(jiǎn)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(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、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，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)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設(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）因此不采用曲柄連桿+ 搖桿優(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(rùn)滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；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12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。在本小車設(shè)計(jì)中由于小車轉(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)并不復(fù)雜，利用 MATLAB 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)并不困難，加上個(gè)鏈接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。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)。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。小車通過(guò)差速實(shí)現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(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）綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。132.5 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。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為???NM對(duì)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RNRMf???越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問(wèn)題材料問(wèn)題安裝問(wèn)題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。由于小車是沿著曲線前進(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。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動(dòng)精度比利用單向軸承高。14綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，可以如果有條件可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動(dòng)。2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿+搖桿方案，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。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等） ，使小車走一條最優(yōu)的軌跡。微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用下面兩種方式微調(diào)螺母式、滑塊式如圖五15圖五由于理論分析與實(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，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。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)綜合考慮材料加工成本等各因素。163.1 建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定通過(guò)對(duì)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。3.1.1 能耗規(guī)律模型為了簡(jiǎn)化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機(jī)理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為 ，即小車能量的傳遞效率為 。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為 ，理想??1??情況下認(rèn)為重塊的重力勢(shì)能都用在小車克服阻力前進(jìn)上。則有 ?????????3131*iii iRNgmghsii 總??為第 i 個(gè)輪子對(duì)地面的壓力。iN為第 i 個(gè)輪子的半徑。iR為第 i 個(gè)輪子行走的距離iS為小車總質(zhì)量總m為了更全面的理解小車的各個(gè)參數(shù)變化對(duì)小車前進(jìn)距離的變化下面分別從 1.輪子與地面的滾動(dòng)摩阻系數(shù)、2.輪子的半徑、3.小車的重量、4.小車能量轉(zhuǎn)換效率。四方面考慮。17通過(guò)查閱資料知道一般材料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)為 0.1-0.8 間。下圖為當(dāng)車輪半徑分別為（222mm，70mm）摩阻系數(shù)分別為 0.3，0.4，0.5.mm 時(shí)小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖（圖六）有上圖六可知滾動(dòng)摩阻系數(shù)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)影響非常顯著，因此在設(shè)計(jì)小車時(shí)也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。同時(shí)可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進(jìn)的距離也提高一倍。因此應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，充分潤(rùn)滑。圖七為當(dāng)摩阻系數(shù)為 0.5mm，車輪半徑依次增加 10mm 時(shí)的小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖圖六18圖七由圖可知當(dāng)小車的半徑每增加 1cm 小車便可多前進(jìn) 1m 到 2m。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮盡可能增大輪子的半徑。3.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型符號(hào)說(shuō)明：19驅(qū)動(dòng)輪半徑 R齒輪傳動(dòng)比 i驅(qū)動(dòng)輪 A 與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 1a驅(qū)動(dòng)輪 B 與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 2驅(qū)動(dòng)軸（軸 2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 d曲柄軸（軸 1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 b曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑 r搖桿長(zhǎng) c連桿長(zhǎng) l軸的繩輪半徑 2r20a、驅(qū)動(dòng)：當(dāng)重物下降 時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸（軸 2）轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 ，則有dh 2?d2rd??則曲柄軸（軸 1）轉(zhuǎn)過(guò)的角度id21??小車移動(dòng)的距離為（以 A 輪為參考）2?dRds??b、轉(zhuǎn)向：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?1?則 與 滿足以下關(guān)：?1?????12211122 cossinsincos ??????????? rrcbl解上述方程可得 與 的函數(shù)關(guān)系式1????1?f?c、小車行走軌跡只有 A 輪為驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)角度 時(shí)，如圖：?則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為211tanb????小車行走 過(guò)程中，小車整體轉(zhuǎn)過(guò)的角度ds???當(dāng)小車轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 時(shí)，有?????????cosindyxd、小車其他輪的軌跡以輪 A 為參考，則在小車的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，B 的坐標(biāo)??0,21a??C 的坐標(biāo) ??d,?在地面坐標(biāo)系中，有????????sin)(co21ayxAB????sincos11adydxAC整理上述表達(dá)式有：22?????????????????????? ??????????????? ????cossinicos)(cosintan cos)sinsin()cos1(1211 1212112222 dayxadyxdsb rrcblidrhACAB為求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過(guò)設(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運(yùn)動(dòng)軌跡如（圖六）圖六233.1.3 動(dòng)力學(xué)分析模型a、驅(qū)動(dòng)如圖：重物以加速度向下加速運(yùn)動(dòng)，繩子拉力為 ，有T)(agmT??產(chǎn)生的扭矩 ， （其中 是考慮到摩擦產(chǎn)122???rTM1生的影響而設(shè)置的系數(shù)。 ）驅(qū)動(dòng)輪受到的力矩 ，曲柄輪受到的扭矩 ， 為驅(qū)A 1MAN動(dòng)輪 A 受到的壓力， 為驅(qū)動(dòng)輪 A 提供的動(dòng)力，有F（其中 是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響21????MiA 2而設(shè)置的系數(shù)） RFNMAA?????b、轉(zhuǎn)向假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為 ，其大小CM可由赫茲公式求得，)1(22ERBNcc ???????bBNcc2???由于 b 比較小，故24241bBMcc???對(duì)于連桿的拉力 ，有cFlrc11sin2sin????21 cos)(arsic l???????12inccccFM???)si(21 cc ???c、小車行走受力分析設(shè)小車慣量為 I，質(zhì)心在則此時(shí)對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心 O?的慣量為 I?])[(2321amIA??????（平行軸定理） )()( 2121 aRNdrNF ABAcA ??????? ????小車的加速度為： AAa???2raRA?整理上述表達(dá)式得：253.1.4 靈敏度分析模型小車一旦設(shè)計(jì)出來(lái)在不改變其參數(shù)的條件下小車的軌跡就已經(jīng)確定，但由于加工誤差和裝配誤差的存在，裝配好小車后可能會(huì)出現(xiàn)其軌跡與預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡有偏離，需要糾正。其次開(kāi)始設(shè)計(jì)的軌跡也許并不是最優(yōu)的，需要通過(guò)調(diào)試試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)路徑，著同樣需要改變小車的某些參數(shù)。為了得到改變不同參數(shù)對(duì)小車運(yùn)行軌跡的影響，和指導(dǎo)如何調(diào)試這里對(duì)小車各個(gè)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。通過(guò) MATLAB 編程得到幅值 周期 方向26i -0.0117 -0.09158 528.135b 176.5727 -35.3795 578.82R -0.3163 16.39132 528.1437a1 1.465469 -0.27592 528.5547曲柄半徑r1 23.71445 -18.9437 535.3565d 0.040819 -117.738 528.1465轉(zhuǎn)向桿的長(zhǎng) -1.63769 3.525236 527.5711連桿長(zhǎng)度 -176.955 -196.268 477.35613.1.5 參數(shù)確定單位：m轉(zhuǎn)向輪與曲柄軸軸心距 b=0.15;搖桿長(zhǎng) c=0.06;驅(qū)動(dòng)輪直徑 D=0.355;驅(qū)動(dòng)輪 A 與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 a1=0.08驅(qū)動(dòng)輪 B 與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 a2=0.08;驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪的距離 d=0.18;曲柄長(zhǎng) r1=0.01347;繩輪半徑 r2=0.006273.2 零部件設(shè)計(jì)需加工的零件：a．驅(qū)動(dòng)軸6061 空心鋁合金管。外徑 6mm 內(nèi)徑 3mmb．車輪聚甲醛板（POM 板材） 。厚度：8mm，規(guī)格尺寸：600*1200mm2.2 可購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)件：a．單向離合器軸承 2 個(gè)型號(hào)Bearing Number外型尺寸(mm)FC 系列 d DFC-6K(2) 6 10b．RBL 關(guān)節(jié)軸承 1 個(gè)：SQ 5-RS28c．調(diào)心球軸承 1 個(gè)軸承代號(hào)d D B135 5 19 6d．深溝球軸承 1 個(gè)型號(hào) 內(nèi)徑(d) 外徑(D)29R85zz 5 8d．圓柱直齒輪 1 對(duì)小齒輪：模數(shù)=1 ，齒數(shù)=15 ，外徑=17mm ，內(nèi)孔 =3mm，厚度：6.5mm大齒輪：模數(shù)=1 ，齒數(shù)=45 ，外徑=47mm ，內(nèi)徑 =10mm，厚度=10mm材質(zhì)：夾布塑料3.3 整體設(shè)計(jì)3.3.1 整體裝配圖303.3.2 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 proe 和 MATLAB 進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，詳見(jiàn)視頻。