8字无碳小车的设计与制作 毕业设计说明书.doc

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1、摘要 此次毕业设计的课题是“8 字无碳小车” 。在设计小车过程中特别注重设计的 方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统 性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。 我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法；采 用了 MATLAB、PROE 等软件辅助设计。 我把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一 阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。 方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、 执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架 、原

2、动机构 、传动机构 、 转向机构 、行走机构 、微调机构等六个模块，进行模块化设计。分别针对每一 个模块进行多种方案设计，通过综合对比选择出其中的最优的方案组合。我们的 方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没 有该机构、转向机构采用曲柄连杆+槽轮机构、行走机构采用单轮驱动实现差速、 微调机构选用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。 技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，利用 MATLAB 分别 进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析以及灵敏度分析。从而得到了小 车的具体参数和运动规律。然后应用 PROE 软件进行了小车实体建模和小

3、车部分 运动仿真。在实体建模的基础之上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零 件材料性能、加工工艺、成本等各种因素。 小车使用的零件大多是是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的 部分需要特殊的加工外，大多数零件都可以通过手工加工出来。对塑料可采用切 割。且因为小车受到的力都不大，因此大量采用胶接，这样可简化零件及零件装 配。调试过程会通过微调等方式改变小车参数进行试验，在试验的基础上验证小 车运动规律，同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构 灵敏度分析 ABSTRACT The graduation design topic is “eight

4、 words carbon-free car“. In the process of design of the car with a special focus on design methods, strive to based on the analysis of the proposition have clear and open design ideas; Work design do have systemic standardization and innovation; Considered in the design process to factors such as m

5、aterial, processing, manufacturing cost. We draw lessons from the parametric design, optimized design, system design and other modern design theory of invention method; Used the software such as MATLAB, PROE, cad. I put the car design can be divided into three stages: project design, technical desig

6、n and production of debugging. Through every stage of the in- depth analysis, cengcengbaguan, as far as possible to the optimal design is our design. Scheme design stage according to the car function requires us based on the composition of the machine (prime mover structure, transmission mechanism,

7、actuator and control section, auxiliary part) put the car into the frame, engine structure, transmission mechanism, steering mechanism, travel mechanism, adjustment mechanism and so on six modules, carries on the modular design. Separately for each module for a variety of scheme design, through the

8、comprehensive comparison choose the combination of optimal solution. Our solution is: the frame USES triangle plate type, engine structure adopted the conical shaft, transmission mechanism adopts gear or not the institutions, steering mechanism adopts the crank connecting rod + tank with one wheel d

9、rive wheel mechanism, travel mechanism to achieve differential, selects the adjustment nut screw fine-tuning mechanism. The steering mechanism takes advantage of the self-aligning bearings, joint bearings. Technical design phase we to plan through theoretical analysis, the mathematical model is esta

10、blished using MATLAB, respectively, the rule of energy consumption analysis, kinematics analysis, dynamics analysis and sensitivity analysis. To get the specific parameters of the car and the motion law. Then using PROE software on the car movement simulation entity modeling and car parts. Based on

11、solid modeling for each part has carried on the detailed design, considering the parts material performance, processing technology, cost and other factors. Used car parts are mostly is standard parts, can buy, at the same time, in addition to the part machining precision demanding part need special

12、processing, most of the parts can be covered by the manual processing. The plastic can be used. And because the car by the force is not large, so large with glue, which can simplify the parts and components assembly. Debugging process will test by fine-tuning ways such as changing the parameters of

13、the car, on the basis of the experiment verify the car motion law, determine the car at the same time the optimal parameters. Key words: carbon-free car parametric design sensitivity analysis software aided design fine tuning mechanism 目录 摘要 .2 一论述 .4 1.1 设计布置方案 4 1.2 功能设计要求 5 1.3 整体方案设计 6 1.4 小车的设计

14、方法 6 二 方案设计 7 2.1 车架 .10 2.2 原动机构 .10 2.3 传动机构 .10 2.4 转向机构 .11 2.5 行走机构 .16 2.6 微调机构 .18 三 技术设计 .20 3.1 建立数学模型及参数确定 .20 3.1.2 运动学分析模型 .23 3.1.3 动力学分析模型 .27 3.2 整体设计 .29 3.3.1 整体装配图 .29 3.3.2 设计过程 .30 3.3.3 小车的零件设计 .38 四 小车调试及改进 .39 4.1 小车调试方法 .39 4.2 小车改进方法 .40 五 评价分析 .40 5.1 小车优缺点 .40 5.2 自动行走比赛时的

15、前行距离估计 .41 5.3 改进方向 .41 结论 41 参考文献 41 附录 A.41 致 谢 .41 一论述 小车功能设计要求 无碳小车走“8”字形越障的设计 1.1 设计布置方案 图 1 无碳小车示意图 1.2 功能设计要求 以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能，根 据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走 的装置。小车在半张标准乒乓球台（长 1525mm、宽 1370mm）上，绕相距 300mm 距离的两个障碍沿 8 字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。 障碍物为直径 20mm、长 200mm 的 2 个圆棒，相距

16、 500mm 距离放置在半张标准乒乓 球台的中线上，以小车完成 8 字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见下图二： 图二小车绕行所用乒乓球台及障碍设置图 给定重力势能为 4 焦耳（取 g=10m/s2） ，用质量为 1Kg 的重块（ 5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 4002mm，重块落下后，重物须被小车承 载，并同小车一起运动，不允许掉落。 要求小车在前行过程中完成的一切动作所需的能量均由重力势能转换获得， 不可用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构（1 个转向轮，1 个驱动轮， 一个从动轮） ，具体结构以及材料选用均由学生自主设计完成。要求满足：小 车上面要装载一件外尺寸为

17、6020 mm 的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其 质量应不小于 400 克；在小车行走过程中，载荷不可掉落。转向轮最大外径应 不小于 30mm。 1.3 整体方案设计 通过对小车的功能分析小车需要成功的将重力势能的转换为动能、驱动 小车自身行走、同时还要能自动避开障碍物。为了方便设计根据小车所要完成的 任务将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架 、原动机构 、传动机构 、 转向机构 、行走机构 、微调机构） 。为了得到最优的设计方案，现在采用扩展 性思维设计每一个模块，对每个模块分块设计，在每个模块中寻求多种可行的方 案和构思，并在这些设计方案和构思中选择最优方案。对此我参考各许多资料，

18、如高等教育出版社出版的机械原理及机械设计 。并在网上收集了相关资 料。 小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析以及工 程管理方案设计。设计能力项要求对作对产品的设计具有创新性和规范性。工程 管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程 规划达到最优方案。课题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工及制造工艺知 识的能力为主。 1.4 小车的设计方法 小车在设计过程中应有清晰地思路，明确的目的，并充分考虑加工的难易程 度以及是否经济可行，充分考虑材料成本、加工工艺是否可行以及制造的难易程 度。并且要有开阔的思路，创新的精神，勇于创新，在创新中发展。 在

19、设计方法上我借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等各种现代设计发发 明理论方法。不断改进设计。采用了 MATLAB、PROE 等计算机软件辅助设计。下面 是我们设计小车的流程 图三 通过在每个模块的反复推敲思考，通过否定一些加工难度大或者经济性，实 用性等原因，选取最佳的设计思路。 二 方案设计 通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动 避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分 进行模块化设计（五部分分别为：车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、 行走机构 、微调机构） 。为了得到较为令人满意方案，采用扩展性思维设计所有 的模块

20、，寻求多种可行的方案以及构思。下面为我设计过程中的设计图框（图四） 图四 在选择方案时应综合考虑小车需要实现的功能、材料、加工、制造的难易程 度、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，从客观的事实出发，减少 主观能动性，一切以原理和实际情况为依据，减少决策时的主观因素，使得选择 的方案能够综合最优。如下图五： 图五 2.1 车架 车架由于不需要承受太大的重力势能，所以其对强度要求不高。在考虑到制 作成本和加工的难易程度后，由于铝板密度小，强度对于制作小车也足够，同时 易于加工，所以车架采用铝条焊接铝板加工制作成底板，即方便也经济。 2.2 原动机构 原动机构的作用是将重块的重力势能转化为

21、小车的驱动力。我们设想使用飞 轮作为储能机构，小车对原动机构应有这些要求。1.驱动力适中，不会使小车拐 弯时因速度过大而是离心力增大导致小车倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.小 车在到达终点前重物竖直方向上的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲量。同 时使重物的动能尽可能的转化为驱动小车前进的驱动力，假如重块竖直方向的速 度较大，重物本身还有较多动能未释放出来，能量利用率不高，将减小小车的行 程。3.由于小车在不同的场地时，场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的 场地小车是需要的驱动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力刚好合适。 因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单

22、，能量损耗越 小，能量利用率越高，则效率高。所以我选用了锥形的绕线轮原动机构，这样就 可以调整驱动力。通过调节绕线轮两端半径，绕线位置的粗细就可以调整驱动力 的大小。 2.3 传动机构 传动机构的功能是传递运动，就是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。 要使小车行驶的更远并且按设计的轨道精确地行驶，传动机构应提高传递效率高、 保证传动稳定、并且使其结构简单重量轻等同时还要考虑经济性和加工难易程度。 最后综合各方面的因素，设计出最优的传动机构。 常见的传动机构如下： 1.不用额外的传动装置，直接由动力轴驱动驱动轮子和转向机构，此种方式 效率最高、结构最简单可减少小车的质量。在不考虑其它条件时这

23、是最优的方式。 但是在此处不适合作小车的传动。 2.带轮是一种绕性传动。带轮的结构简单，具有传动平稳、价格低廉、缓冲 吸震等特点但是带轮的传递效率效率及传动精度并不高。小车的传动精度要求很 高，所以带轮不适合作本小车的传动机构。 3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定但价格较高， 制造与安装精度要求高，价格昂贵，且不能用于传动距离较大的场合，分为开式 齿轮、半开式齿轮以及闭式齿轮。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优 先考虑使用齿轮传动。 综上的分析，小车的传动机构选用齿轮传动为最优，可保证传递的平稳性， 同时也能保证传递精度，是这几种传动方式中最好的。 2.4 转向机

24、构 转向机构是本无碳小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能能否实现， 是小车设计中的核心。转向机构同样需要尽可能的减少摩擦耗能，这样才能减少 能量损耗，增加能量的利用率，同时要保证尽量使结构简单机构越复杂，在机构 中所损失的能量就越多，零部件已获得等基本条件，同时小车还需要有特殊的运 动特性。能够把旋转运动转化为满足要求的来回周期性的摆动，带动转向轮向左 右转动从而实现拐弯避物障的功能。能实现此种功能的机构有：凸轮机构+摇杆+ 曲柄、曲柄连杆+摇杆、不完全齿轮+曲柄+摇杆，差速转弯等等，棘形轮机构。 凸轮 凸轮是一个具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮通常为主动件作等速 转动，但也可作往复摆动

25、或者移动，它与推杆配合是想转向。它运动时，通过高 副接触可以使从动件获得连续或不连续的预期往复运动，这取决于凸轮的形状。 凸轮机构的最大优点：只要适当的设计适当的凸轮轮廓线，就可使推杆得到 各种预期的运动规律，而且响应快，机构简单紧凑、设计方便； 缺点：凸轮轮廓线与推杆之间为点接触、线接触，易磨损，同时凸轮加工比 较困难。 在无碳小车设计中由于：凸轮轮廓加工相当困难，尺寸不能够实现可逆的改 变，精度要求高，因此很难保证，重量较大，增加了小车的重量，效率低能量损 失大（滑动摩擦） ，因此不采用。 曲柄摇杆 曲柄摇杆结构较为简单，但和凸轮一样有个滑动的摩擦副，因此其效率低。 其急回特性导致难以设计

26、出比较好的机构。 差速转弯 差速转弯是利用两个偏心轮作为驱动轮，因为两轮子的角速度一样但转动半 径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯 避障。 差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加 工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。 （由于加工和 装配的误差是不可避免的） 棘形轮机构 图七：棘形轮机构 优点：通过棘形轮的间歇性运动，使得小车运动到在描红部分时，棘轮的带 齿部分未与齿轮啮合，前轮的转动角度不改变，当小车运动到黑线轨迹部分时， 棘轮的带齿部分与齿轮相啮合，此时小车前轮转向发生变化，小车进入下一个圆 中运动，以此类

27、推，小车不断地作重复“8”字进行运动。轨迹可以最大程度优 化，是理想的转向机构。 缺点是装配精度高，造价高，不太适合低速运动。 槽轮机构 图八：槽轮机构 槽轮机构由外槽轮机构和内槽轮机构之分，都可以用作平行轴之间的间歇传 动，但前者槽轮与拨盘转向相反，而后者则于转向方向相同。槽轮机构一般应用 在转速不高、要求间歇地转过一定角度的分度装置中。 槽轮机构优点：槽轮机构结构简单，外形尺寸小，机械效率高，并能较平稳 的、间歇地进行转位。 缺点：转动时尚存在柔性冲击，故常常用于速度不太高的场合。 综合分析后选择槽轮机构+摇杆机构作为小车的转向机构。 2.5 行走机构 行走机构为一个驱动轮，一个从动轮和一

28、个转向轮，轮子的厚薄，材料和大 小有不同，应充分考虑。 有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 NM 对于相同的材料 为一定值。 而滚动摩擦阻力 ，因此轮子越大小车受到的阻力越R NRMf 小，小车能够走的更远。但由于加工问题、材料问题、安装问题等等，具体尺寸 需要进一步分析确定。 因小车是沿着曲线前进的，所以后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双 轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。 双轮同步驱动一定要有有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦系数远比滚动摩 擦的大，会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，将无法确定其轨迹， 不能够有效避免障碍物。 双轮差速驱动能避免双轮同步驱动出现的问题，可以

29、通过差速器或者单向轴 承来实现差速驱动。差速器涉及到了最小能耗原理，能较好的减少摩擦，同时能 够实现需要的运动。单向轴承实现差速的原理是其中一个轮子速度较大的便成为 从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着做主动轮。但由于单向轴 承间存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中会出现误差导致运动不准确，是否会 对小车的功能产生影响还需进一步分析。 单轮驱动即只利用其中一个轮子作为驱动轮，一个作为导向轮，另一个则为 从动轮。从动轮与驱动轮间的差速是依靠与地面的运动约束来确定的。其效率比 利用差速器要高，但前进速度却不如差速器稳定，传动精度也比利用单向轴承高。 综上所述，行走机构的轮子应具有恰当的尺

30、寸，如果有条件。可通过实验来 确定选用哪种差速的机构方案，如果规则允许可采用单轮驱动。 2.6 微调机构 一台完整的机器包括：原动机构、传动机构、执行部件、控制部分、辅助 设备。微调机构是小车的控制部分。本小车的转向机构确定为采用槽轮机+构曲 柄连杆+摇杆方案，但是由于由于加工误差和装配误差的原因，而曲柄连杆机构 对于装配误差以及加工误差都很敏感，因此就一定要加上微调机构，进行调整从 而对误差进行修正改进，对小车行走路线进行矫正。这是使用微调机构的一个最 重要的原因。另一方面：通过可使用微调机构来矫正小车的轨迹，如幅值、周期、 方向等因素，使小车走一条最佳的运动轨迹。所以微调机构的使用是必不可

31、少的 的，微调机构使用得当可对小车轨迹进行修正，微调机构一般可以采用下面两种 方式微调螺母式、滑块式。如下图所示： 图九：微调机构 三 技术设计 技术设计阶段时完成小车的详细设计并确定零部件的尺寸，将小车的各个部 分都设计出来。在设计阶段应对小车的运动轨迹、转向等进行分析，在技术设计 阶段设计时应充分考虑加工过程的成本和难易程度等各种因素。 3.1 建立数学模型及参数确定 通过对小车建立数学模型能够实现小车的参数化设计以及优化设计，提高设 计的效率并且得到较优秀的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。 3.1.1 能耗规律模型 为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系

32、数为 ，即小车能量的传递效率为 。小车轮与地面之间的摩阻系数为 ，理想情1 况下可认为重块的重力势能都用在小车克服摩擦力做功上。则有 3131*iii iRNgmghsii 总 是个第 i 个轮子对地面的压力。iN 是第 i 个轮子的半径。iR 是第 i 个轮子行走的距离iS 为小车的总质量总m 为了更全面的了解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化，分别从 a.轮 子与地面的滚动摩阻系数、b.轮子的半径、c.小车的重量、d.小车能量转换效率。 四方面考虑。 查阅相关资料知道一般材料的滚动摩阻系数为 0.1-0.8 间。下图为当车轮 半径分别为（75mm，31mm）摩阻系数分别为 0.3，0.

33、4，0.5.mm 时小车的行 走的距离与小车的内部转换效率的坐标图如下 图十 由上图可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常明显，因此在设计小车时也 特别注意考虑轮子使用何种的材料，轮子的应当刚度尽可能大，与地面的摩阻系 数应尽可能小。 同时，可看到车为轮提供能量的效率提高一倍，小车前进的距离也会提高一 倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦力，从而减小损耗。因此应简化机构，并 充分润滑。 图十一所表示的是当摩阻系数为 0.5，车轮半径每增加 10mm 时的小车行走的 距离与小车内部能量转换效率的坐标图 图十一 可知当小车的半径每增加 1cm 小车便能够可多前进 1m 到 2m。因此在设计时应当 尽可

34、能增大轮子的半径。 3.1.2 运动学分析模型 符号说明： 驱动轮半径： R 齿轮传动比： i 驱动轮 A 与转向轮横向偏距： 1a 驱动轮 B 与转向轮横向偏距： 2 驱动轴（轴 2）与转向轮中心距离： d 曲柄轴（轴 1）与转向轮中心距离： b 曲柄的旋转半径： 1r 摇杆长： c 连杆长： l 轴绳轮半径： 2r a、驱动： 当重物下降 时，驱动轴转过的角度为 ，则有dh2d2r 则曲柄轴转过的角度 id21 小车移动的距离为 2dRds b、转向： 当转向杆和驱动轴间的夹角 为时，曲柄转过的角度为1 则 与 满足以下关：112211122 cossinsincos rrcbl 解上述方

35、程可得 与 的函数关系式11f c、小车行走轨迹 只有 A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度 时 则小车转弯的曲率半径为 1tanb 小车行走 过程中，小车整体所转过的角度ds 当小车转过角度为 时，有cosindyx d、小车其他轮的轨迹 以轮主动轮为参考，则在小车的运动坐标系中，B 的坐标 0,21aB C 的坐标 da, 在地面坐标系中，有sin)(co21ayxABsincos11adydxAC 整理上述表达式有： cossinicos)(cosintan cos)sinsin()cos1(1211 1212112222 dayxadyxdsb rrcblidr h ACAB 为求解方程，

36、把上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参 数的到了小车运动轨迹如（图十四） 图十四 3.1.3 动力学分析模型 a、驱动 如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为 ，有T)(agmT 产生的扭矩 ， （其中 是考虑到摩擦产生的影响122rTM1 而设置的系数。 ） 驱动轮受到的力矩 ，曲柄轮受到的扭矩 ， 为驱动轮 A 受到的A1MAN 压力， 为驱动轮 A 提供的动力，有AF （其中 是考虑到摩擦产生的影响而设置的系2 1MiA 2 数） RFNMAA b、转向 假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为 ，其大小可由赫兹公式CM 求得， )1(22ERBNcc bBNcc2 由于

37、 b 比较小，故 241bMcc 对于连杆的拉力 ，有cFlrc11sin2sin21 cos)(arsic l 12inccccFM)si(21 cc c、小车行走受力分析 设小车惯量为 ，质心在则此时对于旋转中心 的惯量为I OI （平行轴定理）)( 2321amIA )()( 2121 aRNdrNF ABAcA 小车的加速度为： AAa 2raRA 整理上述表达式得： 3.2 整体设计 3.3.1 整体装配图 3.3.2 设计过程 1.设计要求 根据设计要求，小车驱动部分采用一质量为 1kg 的重块作为小车的驱动源。 重块距离小车底板部分的高度为 500mm,总体具有的重力势能为 5J

38、。以此来驱动下 车形式，并在行驶过程中规避中心距为 300-500mm 的两个弹性障碍，小车的行驶路 线为 8 字行。 2.设计计算部分 按 8 字桩最小距离 300mm 计算，由于小车在走 8 字时，其精确轨迹无法估算， 先在暂时认为小车在走八字是近似为扫描圆形轨迹，如下图所示： 图 1-1 小车扫描轨迹 根据图 1-1 和圆的周长公式，我们可以大致确定出小车所要走过的路径， 根据公式： Dl . 将数据代入公式中可得： 942lm 由于小车要走过的距离为两个圆的周长，所以小车要走过的距离为 2184lm 而绳子所下降的距离为 500mm. 根据摩擦理论可知：摩擦力矩和正压力的关系为： .MN . 而滚动摩擦所受的阻力为： .fR . 根据上述公式我们可以初步判定我们无碳小车的设计原则，即小车质量要轻， 轮体直径应尽可能的大。初步计算时，为了方便计算，我们初步取得轮子直径为 100mm,但是在绘图的过程中发现无法安装转向机构，所以后初步设计直径为