下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目： 一種行駛特定軌跡 的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985目錄中文摘要及關(guān)鍵詞 .Ⅰ英文摘要及關(guān)鍵詞 .II第 1 章 前言 11.1 研究背景及意義 11.2 研究狀況 31.3 技術(shù)要求 3第 2 章 系統(tǒng)分析 52.1 能耗規(guī)律分析 52.2 受力系統(tǒng)分析 72.3 穩(wěn)定性分析 82.4 軌跡分析 9第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .113.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu) .113.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) .123.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) .133.3.1 轉(zhuǎn)向部分 .133.3.2 間歇部分 .143.3.3 調(diào)節(jié)部分 .143.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) .153.5 底板和支撐架 .163.6 整車設(shè)計(jì) .18第 4 章 軌跡模擬 .194.1 基于 SimMechanics 的軌跡模擬 194.1.1 SimMechanics 模塊和功能 194.1.2 仿真機(jī)構(gòu)分析 .214.1.3 建立仿真模型 .224.1.4 仿真參數(shù)設(shè)置 .23下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709854.1.5 仿真結(jié)果輸出 .264.2 偏差分析 .27第 5 章 三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真 .285.1 三維建模 .285.1.1 機(jī)構(gòu)尺寸確定 .285.1.2 基于 Proe 的三維建模 295.2 運(yùn)動(dòng)仿真 .305.2.1 齒輪連接的定義 .305.2.2 電機(jī)的定義 .315.2.3 測(cè)量分析 .31結(jié)論 .33參考文獻(xiàn) .34致謝 .36下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985中文摘要及關(guān)鍵詞摘 要：本文主要針對(duì)第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中的項(xiàng)目Ⅱ：以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有“8” 字型繞障功能的無(wú)碳小車，進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的探討和總結(jié)。并對(duì)其進(jìn)行能耗規(guī)律和穩(wěn)定性的分析，使其在前進(jìn)的過(guò)程中，能量消耗得更少，走得更加久遠(yuǎn)。通過(guò)小車主要組成模塊的分析和設(shè)計(jì)，建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并使用 MATLAB 進(jìn)行軌跡模擬，分析偏差，設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。通過(guò) PROE 三維建模，實(shí)現(xiàn)局部運(yùn)動(dòng)仿真，確保結(jié)構(gòu)的可行性，減少加工的成本。關(guān)鍵詞： 無(wú)碳小車 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 軌跡模擬 運(yùn)動(dòng)仿真下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985英文摘要及關(guān)鍵詞Abstract：In this paper, for the Fourth National University engineering training comprehensive ability of competition in the project Ⅱ: gravitational potential energy to drive with the “8“ carbon-free car-shaped around the barrier function of the car body designs were discussed and summarized. Performed on the car model and stability analysis of energy law, to ensure that the car during walking, consume less energy, are more stable walk farther. Through the analysis and design of the main building blocks of the car, the establishment of the steering mechanism of the mathematical model and use MATLAB to optimize the structure, determine the structure parameters, trajectory simulation. PROE three-dimensional modeling, to achieve local motion simulation, to ensure the feasibility of the structure, reducing the cost of processing.Key words： carbon car; body design; trajectory simulation; motion simulation.下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709850第 1 章 前言1.1 研究背景及意義如今，環(huán)境污染和能源問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重,人類逐漸的思考著自己長(zhǎng)期的發(fā)展方式,節(jié)能減排的觀念慢慢的被人們所認(rèn)可,以節(jié)能減排為主題的活動(dòng)也在全球范圍內(nèi)展開(kāi)。在這種國(guó)際大背景下,各個(gè)國(guó)家也努力的采取措施,全面的推動(dòng)節(jié)能減排工作的進(jìn)行,在一定程度上是取得了一些不錯(cuò)的效果和有用的經(jīng)驗(yàn)。自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，美國(guó)出臺(tái)了一系列有關(guān)環(huán)境保護(hù)的法律法規(guī)，如：《清潔空氣法》 、 《清潔水法》 、 《瀕危動(dòng)物保護(hù)法》等，這些法律法規(guī)很全很細(xì)，涉及到各個(gè)領(lǐng)域和各個(gè)環(huán)節(jié)，凡構(gòu)成對(duì)環(huán)境造成污染的污染源都列為法律規(guī)定的范圍，而這些法律法規(guī)的宗旨就是“一切為了健康” ，而每一項(xiàng)立法與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定都是圍繞保護(hù)人的健康這個(gè)主題。其次，美國(guó)環(huán)境立法，均以科學(xué)數(shù)據(jù)作支撐，每一項(xiàng)法律背后，都有科研人員付出的巨大勞動(dòng)，他們經(jīng)過(guò)多年實(shí)驗(yàn)，得出精確的數(shù)據(jù)，依靠這些科學(xué)數(shù)據(jù)立法，可以說(shuō)美國(guó)的環(huán)境法律法規(guī)與實(shí)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一體化。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)雖然取得了很大的發(fā)展，但也承受著資源緊缺、能源匱乏、環(huán)境污染等的巨大壓力 [1]，為此，國(guó)家采取了很多相關(guān)治理和解救的措施，也制定了許多相關(guān)的政策。我國(guó)早在 2006 年 3 月 16 日就下達(dá)了單位 GDP 能耗必須下降 20%的目標(biāo)。并于在 2009 年在哥本哈根氣候大會(huì)上，設(shè)置了到 2020 年單位 GDP 的 CO2 排放量比 2005 年的減少百分之四十左右的目標(biāo)。據(jù)調(diào)查，在 2013 年 30.49 十億噸全球碳排放量，中國(guó)排名第一，占 22.3％，人均碳排放量已超過(guò)世界平均水平。同時(shí)，去年 4 月在京召開(kāi)了 2015 第七屆國(guó)際節(jié)能減排展覽會(huì)，本次節(jié)能減排展覽了近 300 多個(gè)品牌。我國(guó)最近在研究無(wú)碳技術(shù)，已經(jīng)有了一定的成果，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域也有了相關(guān)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，例如節(jié)能（包括節(jié)電、節(jié)油、節(jié)煤、節(jié)水等）產(chǎn)品的銷售等，這些新技術(shù)的發(fā)明給人類信心在于改善環(huán)境方面。最近,國(guó)際原油價(jià)格浮動(dòng)比較大、汽車尾氣排放繼續(xù)增多、全球變暖等問(wèn)題日益嚴(yán)峻,這些情況都讓汽車生產(chǎn)商重新規(guī)劃自己的發(fā)展。太陽(yáng)能、氫燃料電池、下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709851電混合電力汽車等順勢(shì)而來(lái)，但是這些都成本太高、性能不是很好，因此，新型能源的開(kāi)發(fā)研究和使用變得尤為重要。環(huán)境的污染、能源的緊缺等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展的道路勢(shì)在必行，也將變成當(dāng)今時(shí)代的最新潮流。很多國(guó)家把無(wú)碳技術(shù)用到工農(nóng)業(yè)和日常生活的每個(gè)地方， “低碳生活 ”已成為全球發(fā)展趨向。就在國(guó)內(nèi)外大興節(jié)能減排時(shí)，這種純機(jī)械的機(jī)構(gòu)理所應(yīng)當(dāng)?shù)拇嬖诤艽蟮氖袌?chǎng)和發(fā)展前景 [2]，該課題也就具有了比較大的研究?jī)r(jià)值。同時(shí)，該命題對(duì)科學(xué)技術(shù)和工程有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和理論意義。當(dāng)然對(duì)我們當(dāng)代大學(xué)生有待提升的創(chuàng)造性思維和動(dòng)手能力有很大的幫助。本小車是對(duì)“ 無(wú)碳” 理念的探索與開(kāi)發(fā)，對(duì)未來(lái) “無(wú)碳” 的憧憬。小車構(gòu)思巧妙，在完成設(shè)計(jì)的要求下充分考慮了外觀、成本、加工的可行性等問(wèn)題，方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。在小車的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，能滿足大部分初高中及大學(xué)學(xué)生對(duì)機(jī)械知識(shí)實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)與了解，同時(shí)對(duì)于繪圖軟件的使用、零件加工工藝的過(guò)程有了更深入的了解，對(duì)激發(fā)青少年對(duì)機(jī)械構(gòu)造的熱情有深遠(yuǎn)的影響。下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098521.2 研究狀況自 2010 年第二屆大學(xué)生工程訓(xùn)練競(jìng)賽主題定為“無(wú)碳小車” ，以后的第三、四屆也繼續(xù)沿用此主題。該命題與高校教學(xué)中的工程訓(xùn)練密切相關(guān)，意在鍛煉學(xué)生的“創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制造工藝、實(shí)際操作和工程管理” 四個(gè)方面的綜合能力，比較系統(tǒng)和完整地考察學(xué)生的綜合素質(zhì)和學(xué)習(xí)能力。剛開(kāi)始，沒(méi)有對(duì)小車的軌跡要求，只是要求能繞障。后來(lái)，2012 年第三屆開(kāi)始要求小車的軌跡，分為 S 形和 8 字型。每屆競(jìng)賽也都呈現(xiàn)出了很多優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和實(shí)物的展現(xiàn)，各種機(jī)構(gòu)層出不窮，各有所長(zhǎng)。并以競(jìng)賽項(xiàng)目相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理四大部分來(lái)評(píng)比，其中，現(xiàn)場(chǎng)演示的成績(jī)相當(dāng)重要，再加上 8 字型軌跡的特征，需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、間歇和調(diào)節(jié)功能，這就對(duì)小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要求較高 [3]。據(jù)調(diào)查，無(wú)碳小車相關(guān)的圖書和期刊等，有對(duì) 8 字型小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軌跡分析等，相關(guān)的專利已查閱到 28 篇，其中與 8 字型直接相關(guān)的有 4 篇。但仍未形成相關(guān)的學(xué)位和會(huì)議論文，也未出現(xiàn)使用 MATLAB 模擬軌跡的相關(guān)分析成果。 大多是對(duì)軌跡分析、能耗分析、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等得討論和分析居多。也可能因?yàn)樾≤囆阅軟Q定的原因，轉(zhuǎn)向部分相當(dāng)重要，所以分析得較多的是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。有采用過(guò)共軛凸輪滾子直動(dòng)推桿、凹槽凸輪推桿、不完全齒輪和曲柄滑塊組合、曲柄搖桿、萬(wàn)向節(jié)連桿、空間曲柄搖桿和不完全齒輪的組合、曲柄連桿等機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)上的設(shè)計(jì)也有所不同，有選用帶輪、齒輪、皮帶和鏈傳動(dòng)等，驅(qū)動(dòng)上主要因?yàn)槭侨喗Y(jié)構(gòu)，所以也就單輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)較多。1.3 技術(shù)要求本論文主要以第四屆工程能力競(jìng)賽的要求為主，設(shè)計(jì)具有“8”字型軌跡的繞障功能小車。障礙物是設(shè)在半大的兵乓球臺(tái)中線上，距離在 300mm～500mm之內(nèi)可調(diào)，小車必須繞過(guò)兩障礙物且不碰倒，并按八字型運(yùn)行，走的距離越長(zhǎng)越好，完成的 8 字繞行圈數(shù)越多越好。對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的要求：三輪結(jié)構(gòu)，且轉(zhuǎn)向部分需要可控可調(diào)， 只有重塊提供源能量（其中，m a=1kg,φ50×65 mm，普通碳鋼，懸高 400±2mm） 。行走過(guò)程中，小車不能碰倒障礙，不能掉下球臺(tái)，下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709853重塊不能脫離小車 [4]。如圖 1-1 為小車示意圖，圖 1-2 無(wú)碳小車示意圖下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709854第 2 章 系統(tǒng)分析為了使小車能夠更穩(wěn)更遠(yuǎn)地行走，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理外，還需對(duì)小車系統(tǒng)的建模分析，以確定更加合適的結(jié)構(gòu)尺寸。然而，影響小車行走軌跡的因素有很多，本章就最主要的能耗、受力、穩(wěn)定性三個(gè)方面做系統(tǒng)的分析。2.1 能耗規(guī)律分析假設(shè)，重塊下降的勢(shì)能全用于小車前進(jìn)（即在理想條件下） ，由系統(tǒng)能量守恒，可得：（2-3i1iiNSmghR?????1）（2-3i1ig?總2）注：N i—第 i 個(gè)輪子對(duì)地面的壓力；Ri—第 i 個(gè)輪子的半徑；Si—第 i 個(gè)輪子行走的距離；—輪子與地面的摩擦系數(shù)；—能量的傳遞效率；m 總 —小車總質(zhì)量。由此，可以看出小車行走的距離 S 與能量的傳遞效率 、摩擦系數(shù) 、輪子半徑 R 都有很大的聯(lián)系。小車在盡可能消耗少的能量走得更遠(yuǎn)，即是小車能耗少，性能好的體現(xiàn)，下面就主要以 、 、R 分析 [5]。日常一般材料的 是在 0.1 到 0.8，通過(guò)調(diào)查，隨著 的遞增，車子所走距離與能量轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系，如圖 2-1 所示。由圖分析可見(jiàn)，隨著 的增大，距離在減小，即小車可能更早的停下。由于，地面材料的不確定性，只有在選擇下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709855小車輪子時(shí)考慮與地面的摩擦和內(nèi)部能耗的因素，慎重選擇材料。圖 2-1 行走距離—摩阻系數(shù)圖圖 2-2 是當(dāng)摩擦系數(shù) ＝0.5m m 時(shí)，小車行走距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖。由圖 2-2 可知，當(dāng)小車的半徑遞增 lcm 時(shí)距離則相應(yīng)的增多 1～2m 。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在能保證完成八字型繞行和結(jié)構(gòu)安裝的同時(shí)，可以適量地增大輪子半徑，從而使小車行走得更遠(yuǎn)。圖 2-2 距離—輪子半徑圖（σ＝0.5mm ）圖 2-3 是當(dāng)小車后輪直徑與摩擦系數(shù) 都定下來(lái)之后，隨著小車重量的遞增，下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709856小車的前進(jìn)距離與內(nèi)部轉(zhuǎn)換的效率的關(guān)系圖。由圖 2-3 可知，小車質(zhì)量越重，行走的距離相應(yīng)也就越近，能量消耗地也就更多，更容易較早地停車。因此在設(shè)計(jì)小車時(shí)應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)，材質(zhì)的密度也要盡可能小，以減輕小車質(zhì)量。圖 2-3 距離—重量圖2.2 受力系統(tǒng)分析以小車為整體研究，系統(tǒng)的受力如圖 2-4 分析所示，其中 Pl、P 2、P 3 是重塊下降的重力的等效作用力，即主動(dòng)力；F A、F B、F C 為地面對(duì)小車的支撐力，即約束力，這六個(gè)力相互作用構(gòu)成空間三維上的一個(gè)平衡力系。圖 2-4 小車受力系統(tǒng)分析示意圖下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709857如上圖所示，在 Oxyz 中，由力的平衡，可以得到方程：（2-z=0F?1230ABCFP???3）（2-()XM? 065.85321 ????? mpmpC4）（2-()0YF 7.70.223 ?????? FFBA5）∵P l=P2=P3=8N，∴F A=6.8N，F(xiàn) B=6.8N，F(xiàn) c=10.4N，又∵木質(zhì)地板與鋁合金之間的摩擦系數(shù)大概在 0.18～0.22，這里暫時(shí)以 u=0.20為例計(jì)算，由 ， ， ，Afu??BfuCfu??所以，可解得三個(gè)輪子與地面的滾動(dòng)摩擦分別為：， .1.36ABfN?208Cf這里對(duì)小車穩(wěn)定時(shí)的系統(tǒng)的動(dòng)力分析，可得出輪子與地面間的滾動(dòng)摩擦力的大小，但由于場(chǎng)地的不確定性，因此，摩擦力也不確定 [6]。但通過(guò)此分析，可以得出摩擦力的大小與小車的質(zhì)量有很大關(guān)系，因此，后期設(shè)計(jì)和選材方面，應(yīng)該盡量減重。2.3 穩(wěn)定性分析根據(jù) 8 字型軌跡的走法，一定存在轉(zhuǎn)向。有轉(zhuǎn)彎就有可能側(cè)翻，所以有必要找到不翻倒的條件，這里就以小車右傾倒為例做系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，圖 2-5是右倒的受力分析圖，下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709858圖 2-5 小車側(cè)翻時(shí)的受力示意圖以小車為研究對(duì)象，F(xiàn) max 為小車轉(zhuǎn)彎時(shí)重塊所受的離心力，其余力與圖 2-4相同，由受力分析可得,, （2-z=0?6）, （2-()XMF?7）, （2-()0Y8）（2-1230ABCFP???9）（2-12385650Cmpmp??????10）（2-3 2max2.70.740????????ABFF11）若小車出現(xiàn)右側(cè)翻，則 FB=0，可得FA=13.6N，F(xiàn) B=0N，F(xiàn) c=10.4N，F(xiàn) max=2.72N,下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 119709859其中, ,Rmin 為小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的最小半徑,則 。minaxmaxRvF?? mRFvinaxmax??由上述的分析可知，小車在行走時(shí)的最大速度可以通過(guò)改變繩子繞錐形輪的位置改變，最大速度時(shí)不超過(guò)錐形輪的最大端，隨后慢慢減小，以此達(dá)到控制轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過(guò)大而側(cè)翻 [7]。2.4 軌跡分析小車實(shí)現(xiàn)繞“8”字型運(yùn)行，有兩種軌跡走法：其一，不規(guī)則的軌跡，可近似地看作是由圓形和非圓組成，如圖 2-6 所示；其二，接近于兩個(gè)相切的圓組成，如圖 2-7 所示。為使小車轉(zhuǎn)彎過(guò)程平穩(wěn)，所設(shè)計(jì)的小車運(yùn)行的軌跡曲率半徑不能突變，并且應(yīng)當(dāng)在滿足加工的可制造性和繞障距離的同時(shí)，整個(gè)軌跡長(zhǎng)度應(yīng)盡可能的短。這樣才能充分地利用重塊的重力勢(shì)能，減少行走過(guò)程中的能耗，以至于讓小車在規(guī)的能量下多走幾個(gè)循環(huán)周期 [8]。圖 2-6 軌跡一 圖 2-7 軌跡二軌跡一，為計(jì)算簡(jiǎn)便，假設(shè)為兩段半圓和兩段正弦曲線組成。在這里設(shè)定相同的障礙物距離為 400mm，經(jīng)計(jì)算，軌跡總長(zhǎng)度為 L1≈2042.59mm[3]。相同情況下，軌跡二的總長(zhǎng)度大概為 L=2×2πR=2009.6m m，固選擇軌跡二。但由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中很難走到圓形并且相切的情況，因此在后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，也只能盡可能使 8 字軌跡更加豐滿，不要太瘦長(zhǎng)。下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098510第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)小車的技術(shù)和功能要求，可大致將小車分為五個(gè)模塊設(shè)計(jì)，包括：原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、轉(zhuǎn)向部分、驅(qū)動(dòng)部分及車架部分。本章就小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面討論和分析，并得出較為完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。3.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為到小車前進(jìn)的動(dòng)力上。于是，小車原動(dòng)部分的設(shè)計(jì)須考慮以下條件：①適當(dāng)大的起動(dòng)力矩，適當(dāng)?shù)臓恳?，才能使小車足以起?dòng)、行駛平穩(wěn)，拐彎的時(shí)候不會(huì)因?yàn)樗俣忍蠖霈F(xiàn)晃動(dòng)或者側(cè)翻；②重塊在即將落到底板時(shí)，豎直方向上的速度應(yīng)該盡可能地小，以免較大地沖擊小車，以至于停車；③由于每種材料的摩擦力不同，場(chǎng)地的不確定性，小車轉(zhuǎn)化的動(dòng)力也不同，因此需要考慮牽引力可調(diào)；④小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)化，減輕小車整體的質(zhì)量，減少消耗；綜合以上方面的考慮，選擇采用以前設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的輸出動(dòng)力可調(diào)的繩輪機(jī)構(gòu)，材料選用鋁合金。為減少能量損失，采用高強(qiáng)度的尼龍線。開(kāi)始時(shí)，起動(dòng)力矩克服車輪的阻力矩向前滾動(dòng)，起動(dòng)小車，重物下降的過(guò)程就是重力勢(shì)能向小車動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。由于重塊下降過(guò)程中不是勻速運(yùn)動(dòng)，實(shí)際下落的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是：由靜止開(kāi)始加速，然后勻速下落，最后進(jìn)入減速階段，以接近速度為零落至底板。因此，開(kāi)始時(shí)需要較大的起動(dòng)力矩，才足以將小車牽動(dòng)。所以需要對(duì)滾筒的直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里通過(guò)資料的查閱，決定采用錐形圓柱體和滑輪組合結(jié)構(gòu)，能夠更好地滿足以上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使小車能夠比較平穩(wěn)地起動(dòng)和行走得更長(zhǎng)。這樣既減小了能量的損失，也充分地運(yùn)用了重塊下降所做的功。此外，需要注意的是變徑線輪和驅(qū)動(dòng)輪軸之間為過(guò)盈配合 [9]。小車原動(dòng)部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的組合方案，如圖 3-1 所示，下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985111-錐形圓柱體（繞線） ，2-滑輪機(jī)構(gòu)（懸掛重塊）圖 3-1 小車原動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是將轉(zhuǎn)化來(lái)的動(dòng)力傳到小車的驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車按照理想的軌跡行走，并且收到比較滿意的結(jié)果，傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)須要保證傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn) [10]。常見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及分析如下：①帶輪傳動(dòng)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、抗震性能較好、成本低等，但其效率和傳動(dòng)精度不高，不適合本小車設(shè)計(jì)，固舍棄。②齒輪傳動(dòng)：結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定、傳動(dòng)效率高，可達(dá)到95%。③同步帶傳動(dòng)：雖然傳動(dòng)效率很高，但是無(wú)碳小車中兩傳動(dòng)軸的中心距小，不容易保證包角，所以舍棄。④皮帶傳動(dòng)：易打滑，不夠平穩(wěn)，傳動(dòng)性不好，摩擦較大，能耗損失太大。⑤鏈條傳動(dòng)：傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，且質(zhì)量輕，但瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)傳動(dòng)比無(wú)法固定，傳動(dòng)的平穩(wěn)性較差。綜上分析，可以采用線切割鋁合金制造齒輪，以保證傳動(dòng)的精確性與質(zhì)量較輕，固選齒輪傳動(dòng)。由于小車的動(dòng)力源全部由重塊提供，則驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)都是通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)運(yùn)作的。驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞線筒在重塊的牽引力下產(chǎn)生扭矩使得驅(qū)動(dòng)輪軸下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098512轉(zhuǎn)動(dòng)。 此外，還以一定的傳動(dòng)比將驅(qū)動(dòng)輪上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給搖桿，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。為了行走到接近重合的 8 字，傳動(dòng)部分的作用很大，則齒輪的傳動(dòng)比 i 的取值就顯得非常重要。它不僅傳遞轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入，同時(shí)保證了在驅(qū)動(dòng)輪完成一個(gè)周期的路程時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成一個(gè)周期的動(dòng)作。這里通過(guò)計(jì)算，以 300mm 直徑的軌跡為例，后輪直徑為 160mm，則周長(zhǎng)為 160πmm。一個(gè)八字，軌跡長(zhǎng)度相當(dāng)于直徑為 300mm 的兩個(gè)圓，即600πmm。則小車每走完一個(gè)八字，后輪就轉(zhuǎn)動(dòng)三圈，轉(zhuǎn)向兩次，如此循環(huán)。由于不完全齒輪與小齒輪是同軸輸出的，則暫選傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪傳動(dòng)比 1:5 最為合適，所以初步確定小齒輪 z=19，大齒輪 z=99，不完全齒輪與轉(zhuǎn)向小齒輪的齒數(shù)比為 1:2。須注意的是，齒輪的設(shè)計(jì)和材料的選擇，以及加工精度的保證。以盡量減少受載時(shí)軸彎曲變形，因此各傳動(dòng)軸應(yīng)有較高的剛度，位置上也有考慮軸的兩端支承跨距盡可能小，軸伸尺寸盡可能短，齒輪盡可能靠近支承處以提高運(yùn)動(dòng)的精度 [11]。3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn) 8 字型軌跡周期性的繞行，必須滿足軌跡封閉且曲率不能突變，這就要求轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)必須具有轉(zhuǎn)向和間歇的功能，又因?yàn)檎系K物的距離是可調(diào)動(dòng)的，則要求轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)間距做一定的調(diào)整，所以還必須設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，在同樣能滿足基本功能的時(shí)候，要考慮怎樣才能使小車更精確地轉(zhuǎn)向、更遠(yuǎn)更穩(wěn)地行駛。3.3.1 轉(zhuǎn)向部分通過(guò)查閱大量書籍和文獻(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)將豎直平面的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平面運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向功能機(jī)構(gòu)的主要有以下幾種：錐齒輪、凸輪搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等。考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和安裝精度等當(dāng)面，不考慮前兩者，后面兩者的比較分析如下：差速轉(zhuǎn)彎：通過(guò)運(yùn)用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的角速度不同，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑不同，從而使產(chǎn)生不同的速度，形成差速。但是加工精度要求高，較難實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng) [12]。下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098513曲柄搖桿：曲柄做圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。最終選擇，決定使用曲柄搖桿。但是，由于曲柄搖桿無(wú)間歇的運(yùn)動(dòng)特性，單純地采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)的 8 字軌跡非?！笆蓍L(zhǎng)” ，這樣小車軌跡的重復(fù)性不是很好，而且因其所需要的前輪最大擺角非常大，容易使小車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生傾覆，所以在這里還應(yīng)添加補(bǔ)充設(shè)計(jì)間歇機(jī)構(gòu)。此外，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是將豎直平面內(nèi)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為周期性的往返運(yùn)動(dòng)，卻無(wú)法將豎直平面的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向?yàn)樗矫娴倪\(yùn)動(dòng)，也無(wú)法控制前輪的轉(zhuǎn)向，所以添加球頭，將豎直平面的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平面的運(yùn)動(dòng)，已達(dá)到小車轉(zhuǎn)向的目的。3.3.2 間歇部分間歇機(jī)構(gòu)的主要功能是將主動(dòng)件中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為從動(dòng)件有停歇的周期或非周期性的運(yùn)動(dòng)。使用比較多的機(jī)構(gòu)有：凸輪、不完全齒輪、棘輪和槽輪機(jī)構(gòu)，下面就這幾種比較和分析。凸輪：擺角設(shè)計(jì)上有其優(yōu)勢(shì)，通過(guò)調(diào)整凸輪輪廓便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軌跡樣式。不完全齒輪：配合完全齒輪使用。當(dāng)不完全齒輪上的輪齒與從動(dòng)齒輪的相嚙合時(shí)，從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)；當(dāng)嚙合分開(kāi)時(shí)，從動(dòng)輪靜止，停歇比可控性較高，設(shè)計(jì)較靈活。但在嚙合時(shí)，隨著從動(dòng)輪角速度的變化，機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生剛性沖擊，且脫離嚙合時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊 [13]。棘輪：具有單向間歇特性，多用于進(jìn)給、制動(dòng)、超越和轉(zhuǎn)位分度等機(jī)構(gòu)、且摩擦大，不適用于周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。槽輪：轉(zhuǎn)位較快，效率較高。但不能保證轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性，且槽輪的轉(zhuǎn)角大小不能調(diào)節(jié)，制造和裝配的精度要求較高，難以保證?？紤]到小車實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢、輕載和重復(fù)性要求高的特點(diǎn)，不完全齒輪有著更為明顯的優(yōu)勢(shì)，所以，選擇不完全齒輪機(jī)構(gòu)能夠更好地實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向過(guò)程中的間歇運(yùn)動(dòng)。3.3.3 調(diào)節(jié)部分由于障礙物的間距不確定、隨機(jī)的，所以小車的最大轉(zhuǎn)向角需可調(diào)，而小下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098514車的轉(zhuǎn)角又與曲柄、連桿、搖桿的長(zhǎng)度有關(guān)。曲柄和搖桿的長(zhǎng)度對(duì)小車精確地完成重復(fù)軌跡至關(guān)重要，考慮到加工和裝配精度的限制，必須增設(shè)微調(diào)機(jī)構(gòu)。針對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可采用兩種微調(diào)方式，一種是螺母式，另一種是滑塊式。為了更方便的調(diào)節(jié)搖桿連桿的長(zhǎng)度，選用螺母式 [14]。連桿的長(zhǎng)短主要通過(guò)粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在連桿的一端設(shè)置不同位置的定位孔與曲柄連接實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，而在連桿的另一端通過(guò)螺紋與搖桿連接實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，通過(guò)螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)改變連桿、搖桿的長(zhǎng)度。此外，兩端的螺紋需要反向，當(dāng)向某一側(cè)旋轉(zhuǎn)旋套，兩側(cè)的螺桿同時(shí)旋入或旋出，從而減小或增大連桿的長(zhǎng)度。這里采用的是M5 公制細(xì)牙螺紋，牙距為 0.5mm。微調(diào)時(shí)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)旋套 10°，連桿長(zhǎng)度變化值Δ為： Δ＝0.5× ×2＝0.0278mm?？梢?jiàn)，微調(diào)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小距離的調(diào)整，3601在一定范圍內(nèi)滿足調(diào)整要求。結(jié)構(gòu)如圖 3-4 所示，1 和 3—球頭，2 和 4—微調(diào)螺桿圖 3-4 雙球頭—螺桿下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985153.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)小車的運(yùn)動(dòng)原理和技術(shù)要求，初步確定可行的驅(qū)動(dòng)方案有雙輪驅(qū)動(dòng)、差速驅(qū)動(dòng)、單輪驅(qū)動(dòng)，三種方案的對(duì)比和分析如下：雙輪同步驅(qū)動(dòng)：小車前進(jìn)中會(huì)有輪子與地面打滑從而產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，能量利用率因此而降低，行走時(shí)也會(huì)受到更多的約束，導(dǎo)致行走的軌跡誤差變大；雙輪差速驅(qū)動(dòng)：雖然可以通過(guò)差速器能相應(yīng)的減少摩擦，但單向軸承存在間隙，在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的切換過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡有偏差，精確度較低 [16]。最終，考慮到加工過(guò)程中的可操作性和加工成本等一些列問(wèn)題，選擇單輪驅(qū)動(dòng)作為小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在確定單輪驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)方案后，就直接把驅(qū)動(dòng)輪作簡(jiǎn)化為參考點(diǎn)，并進(jìn)行軌跡分析。通過(guò)前面一章軌跡的分析可以得到理想的軌跡路線應(yīng)該是一個(gè)對(duì)稱的且圓滑的八字形?？紤]到單輪驅(qū)動(dòng)向左轉(zhuǎn)彎和向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，在主動(dòng)輪在內(nèi)側(cè)和外側(cè)，會(huì)產(chǎn)生不同的回轉(zhuǎn)半徑 R。假設(shè)右邊的后輪為主動(dòng)輪，向右轉(zhuǎn)時(shí) R= － ，向左轉(zhuǎn)時(shí) R= ＋ （其中，a 為障礙物?tan2b?tn2b間距，b 為小車的車寬，θ 為前輪擺角） ，因此，最終形成的軌跡是一個(gè)葫蘆型的八字。3.5 底板和支撐架為了防止重塊下降過(guò)程中擺動(dòng)，影響小車行走，設(shè)計(jì)了三根立柱的約束導(dǎo)軌，提高了小車的穩(wěn)定性。車架要盡可能的輕便、牢固，剛度要適當(dāng)，彈性小，在重物的壓力下要求變形盡可能小。綜合質(zhì)量、成本、加工難易、裝配等因素的考慮，車架選擇鋁合金制作成支撐架。如圖 3-5 所示，下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098516圖 3-5 三導(dǎo)軌支撐架底板是小車最主要的承載體，連接重要機(jī)構(gòu)，固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要合理?？紤]到小車載重不是很大，將底板設(shè)計(jì)成框式結(jié)構(gòu)。為了避免底板因發(fā)生振動(dòng)而造成大量能量損失，將支撐架橫截面設(shè)計(jì)成 T 字型，邊框的寬度為 10mm，厚度為 5mm，這樣就可以保證了小車的剛度，在不變形的情況下又能承受住載荷，理想的底板結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示。 圖 3-6 底板理想結(jié)構(gòu)示意圖然而，底板的寬度決定了兩個(gè)后輪之間的軸距，由于小車連續(xù)不斷地作曲線運(yùn)動(dòng)，因此兩個(gè)后輪行走時(shí)存在著速差。軸距會(huì)影響小車的平穩(wěn)性，并且對(duì)后輪的差速性能也有很大的影響。軸距太小則會(huì)降低小車行走過(guò)程中的平穩(wěn)性，軸距太大又會(huì)加大小車的轉(zhuǎn)向難度 [17]。在把每個(gè)零件裝配上去后，取底板能夠達(dá)到的最小值，將底板的寬度設(shè)計(jì)為 130mm，長(zhǎng)度根據(jù)齒輪嚙合的長(zhǎng)度以及轉(zhuǎn)向部分和行走部分所占長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 261.5mm，厚度為 3mm，既可以保證形變量下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098517很小，也可以最大化的減輕重量，最終小車底板實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖 3-7 所示，圖 3-7 底板實(shí)際俯視圖3.6 整車設(shè)計(jì)整車的軸承統(tǒng)一選擇：內(nèi)徑確定為 6 毫米，外徑確定為 10 毫米，寬度確定3 毫米的微型深溝球軸承。根據(jù)往屆工程能力競(jìng)賽的要求設(shè)計(jì)前輪直徑為30mm，厚度為 10mm,以便于放下兩個(gè)軸承。轉(zhuǎn)向部分的球頭為網(wǎng)上購(gòu)買，設(shè)計(jì)尺寸為內(nèi)徑 3mm，外徑 5mm；微調(diào)螺母為雙向螺紋，為了適應(yīng)球頭設(shè)計(jì)外徑為 3 毫米，長(zhǎng)度為 55 毫米；轉(zhuǎn)向支撐架根據(jù)已確定的零件尺寸來(lái)設(shè)計(jì)；與前輪支撐架連接到螺桿為全螺紋，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為 86mm，便于大幅度的調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，改變前輪的最大轉(zhuǎn)角。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不完全齒輪設(shè)計(jì)為 68 個(gè)齒，模數(shù)為 1，隔 90°把齒切掉，與不完全齒輪連接的小齒輪設(shè)計(jì)為 33 個(gè)齒，模數(shù)為 1，傳動(dòng)比約為 1:2；而有前面的說(shuō)明可知原動(dòng)軸上的齒輪與傳動(dòng)軸上的齒輪齒數(shù)分別為 19 和 99，模數(shù)為 1；繞線輪設(shè)計(jì)為錐形，最大直徑和最小直徑分別為 18mm 和 15mm。根據(jù)前面章節(jié)的設(shè)計(jì)，后輪的直徑 160 毫米，厚度為 5 毫米，小車底板寬下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098518130 毫米，長(zhǎng)度為 150 毫米，厚度為 3 毫米，各個(gè)支架依據(jù)安放位置自行調(diào)整設(shè)計(jì)，再把車架多余的地方掏空。依據(jù)以往比賽經(jīng)驗(yàn)，支撐長(zhǎng)桿要保持重心的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)桿長(zhǎng) 500mm，且三根桿起穩(wěn)定砝碼的作用；滑輪直徑根據(jù)繞線軸一側(cè)到砝碼中心線的距離設(shè)計(jì)為25mm，厚度 8mm。下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098519第 4 章 軌跡模擬在前面第二章里已經(jīng)設(shè)計(jì)好轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，但為了確保機(jī)構(gòu)的可行性以及更遠(yuǎn)更穩(wěn)地行駛，需要事先對(duì)軌跡模擬，本章主要是利用 MATLAB 中SimMechanics 模塊對(duì) 8 字型軌跡的模擬的分析和探討。4.1 基于 SimMechanics 的軌跡模擬SimMechanics 是將 Simulink 和 Matlab 結(jié)合起來(lái)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真的一個(gè)模塊。主要運(yùn)用牛頓定律的原理，結(jié)合模塊圖的建模將各種運(yùn)動(dòng)件和運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)進(jìn)行建模和仿真，以完成對(duì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) [18]。4.1.1 SimMechanics 模塊和功能SimMechanics 是一個(gè)模塊庫(kù)，使用的環(huán)境為 Simulink，具有特殊仿真性質(zhì)。SimMechanics 中的模塊都是建立機(jī)構(gòu)系統(tǒng)所必須的，剛度、聯(lián)接和自由度都能有組織的聯(lián)接表示成實(shí)際系統(tǒng) [19]。SimMechanics 模塊集由七個(gè)模塊組成，如圖 4-1 所示， 圖 4-1 SimMechanics 模塊組包含剛體子模塊組（Bodies） 、 運(yùn)動(dòng)副模塊組（ Joints） 、 約束和驅(qū)動(dòng)模塊組（Constraints & Drives ） 、 傳感器和作動(dòng)器模塊組（ Sensors & Actuators） 、力單元模塊組(Force Elements)、 輔助工具模塊組（ Utilities） 、演示模塊組（Interface Elements） 。各模塊組的組成和功能：（1）剛體子模塊組（Bodies）：包含機(jī)械環(huán)境(Machine Environment) 、機(jī)架（Ground）和剛體（Body）三個(gè)模塊。機(jī)械環(huán)境是仿真定義一個(gè)環(huán)境，它包括維數(shù)、重力、約束求解器、分析模式、誤差、可視化和線性化。機(jī)架只有一個(gè)連接端，另外一端固定。剛體有兩個(gè)連接端，即主動(dòng)端（輸入端）和從動(dòng)端下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098520（輸出端） ，且具有幾何和慣量的屬性，可以定義質(zhì)量、坐標(biāo)原點(diǎn)、初始位置、角度和慣性矩等 [20]。（2）運(yùn)動(dòng)副模塊組（ Joints）：包含 Disassembled Joints 和 Massless Connectors 兩個(gè)模塊。其中對(duì)應(yīng)的鉸如下圖 4-2 和 4-3 所示，圖 4-2 Disassembled Joints 模塊組 圖 4-3 Massless Connectors 模塊組運(yùn)用此模塊組中的運(yùn)動(dòng)鏈可以將不同的剛體構(gòu)件連接起來(lái)。（3）約束和驅(qū)動(dòng)模塊組（Constraints & Drives ）：如圖 4-4 所示，? Distance Driver: 設(shè)定兩剛體坐標(biāo)原點(diǎn)之間的距離? Angle Driver: 設(shè)定兩剛體坐標(biāo)間的角度? Linear Driver: 確定兩剛體坐標(biāo)間的向量差? Velocity Driver: 確定兩剛體坐標(biāo)間的相對(duì)線速度和角速度? Point-Curve Constraint:曲線約束? Parallel Constraint:平行約束? Gear Constrain:齒輪約束圖 4-4 約束和驅(qū)動(dòng)模塊組（4） 傳感器和作動(dòng)器模塊組（Sensors & Actuators）：主要用于與Simulink 模塊進(jìn)行交換。包含模塊如圖 4-5 所示，下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098521圖 4-5 傳感器和作動(dòng)器模塊組（5）力單元模塊組(Force Elements) ：模塊和功能如下，? Body Spring & Damper:兩剛體間施加線性阻尼振子? Joint Spring & Damper:在兩剛體在單自由度鉸或轉(zhuǎn)動(dòng)鉸處施加線性阻尼振蕩力或力矩。（6）輔助工具模塊組（Utilities）：包含 Connection Port、Convert from Rotation Matrix to Virtual Reality Toolbox、Continuous Angle、Mechanical Branching Bar 四個(gè)模塊。(7) 演示模塊組（ Interface Elements）:包含 Prismatic-Translationl Interface和 Revolute-Rotational Interface 兩個(gè)模塊。4.1.2 仿真機(jī)構(gòu)分析這里以機(jī)械系統(tǒng)中比較典型的機(jī)構(gòu) ——平面四桿為研究對(duì)象，探討如何用SimMechanics 模塊集進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。如圖 4-6 所示平面四桿機(jī)構(gòu)（曲柄擺桿）的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，圖中各構(gòu)件均為等截面圓鋼（直徑 d=20m)，圖示中的位置表示此機(jī)構(gòu)最開(kāi)始的位置和結(jié)構(gòu)尺寸。下載后文件包含有 CAD 圖紙和說(shuō)明書,咨詢 Q 197216396 或 1197098522圖 4-6 四桿機(jī)構(gòu)尺寸圖因?yàn)槊總€(gè)桿都是受到約束的，且二維平面內(nèi)，每個(gè)桿的運(yùn)動(dòng)都是唯一的，即自由度為 1。運(yùn)用 SimMechanics 建立模型大概可按以下三個(gè)步驟去實(shí)施：①由系統(tǒng)構(gòu)件的相對(duì)位置，建立仿真模型；②由每個(gè)構(gòu)件的幾何性質(zhì)和物理特性，求出仿真所需的具體參數(shù)，并設(shè)置模型仿真參數(shù)；③在 Simulink 環(huán)境中運(yùn)行模型，動(dòng)態(tài)地顯示機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果。4.1.3 建立仿真模型操作步驟包括：（1）新建模型，并保存。（2）從 SimMechanics 庫(kù)中拖放需要的模塊，并按一定的順序連接，在 Ground模塊中設(shè)置機(jī)械環(huán)境。（3）搭建模塊框圖，建立如圖 4-7 所示的模型圖。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告書題 目 一種行駛特定軌跡 的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)老師 年 3 月 25 日設(shè)計(jì)題目 一種行駛特定軌跡的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)課題目的、意義及相關(guān)研究動(dòng)態(tài)：1、課題目的、意義：開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源是能源可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)有之義。我國(guó)的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)里，煤炭、石油與天然氣等不可再生能源占絕大部分，新能源和可再生能源開(kāi)發(fā)不足，這不僅造成環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，也嚴(yán)重制約能源發(fā)展，必須下大力氣加快發(fā)展新能源和可再生能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)能源供給能力，緩解壓力，故無(wú)碳小車可能開(kāi)啟我們的智慧之門，創(chuàng)造出新型小車 [1]。2、相關(guān)研究動(dòng)態(tài)：在前幾屆工程綜合能力訓(xùn)練競(jìng)賽中“S”型的小車全國(guó)前二十名中，各個(gè)小組他們的車大致由車架 、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)模塊組成 [2]。從六個(gè)部件分別對(duì)他們的小車進(jìn)行了分析得出如下結(jié)論：（1）車架材料都是選用密度比較小的硬質(zhì)材料（有機(jī)玻璃、硬鋁等） 。 （2）原動(dòng)機(jī)構(gòu)都是通過(guò)滑輪懸掛，不過(guò)有些小車的帶輪很大而且掛重物的線繩還在帶輪上繞有一定的圈數(shù)（我猜想可能是用于控制重物下降的速度） 。 （3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都是選用小模數(shù)的高傳動(dòng)比一級(jí)齒輪組來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。 （4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有的車用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)用球頭連桿連接、凸輪機(jī)構(gòu)兩種。（5）行走機(jī)構(gòu)分單輪驅(qū)動(dòng)、雙輪驅(qū)動(dòng)。 （6）微調(diào)機(jī)構(gòu)有可調(diào)曲柄、曲柄盤，主要目的是為了改變曲柄的長(zhǎng)度來(lái)改變小車轉(zhuǎn)向的角度從而達(dá)到適應(yīng)不同場(chǎng)地不同障礙物的而要求。 由于小車是純機(jī)械機(jī)構(gòu)控制所以對(duì)零件的加工精度和裝配精度要求非常高，而這些學(xué)校能夠跑出如此好的成績(jī)很大程度上要?dú)w功于精密的加工 [3]。另外，機(jī)構(gòu)的正確選用和長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試也和他們的成功息息相關(guān)。課題的主要內(nèi)容、創(chuàng)新之處：1、課題的主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。給定重力勢(shì)能為 4 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 400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落 [4]。要求：（1）小車行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來(lái)源。 （2）小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)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(jìng)賽場(chǎng)地。 （3）小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)、材料選用及加工制作均由學(xué)生自主完成。2、創(chuàng)新之處：（1）無(wú)碳小車是以 4 焦耳重力勢(shì)能為唯一能量的、具有連續(xù)避障功能的三輪小車，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)碳。（2）小車采用的擺桿機(jī)構(gòu)由傳統(tǒng)的剛性桿改為柔性繩索，小車控制轉(zhuǎn)彎更省力，躲避障礙物的周期更容易實(shí)現(xiàn)與控制，同時(shí)降低了整車重量。（3）利用有機(jī)玻璃作為輪子，易于實(shí)現(xiàn)差速，且降低了輪子與地面之間的摩擦系數(shù)（4）整體構(gòu)造簡(jiǎn)單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。（5）主副輪驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有將兩個(gè)后輪均與驅(qū)動(dòng)軸固定，而是將驅(qū)動(dòng)軸的一側(cè)通過(guò)鍵與一后輪聯(lián)接，另一側(cè)通過(guò)軸承與另一后輪聯(lián)接 [5]，此結(jié)構(gòu)解決了小車在行駛過(guò)程中兩后輪轉(zhuǎn)彎半徑不相同的缺點(diǎn)，使其轉(zhuǎn)向更靈活，也同時(shí)減小了小車啟動(dòng)的力矩。研究方法、設(shè)計(jì)方案：1、研究方法： 技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對(duì)方案進(jìn)行了分析，綜合運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量學(xué)以及機(jī)械設(shè)計(jì)等分析。首先把小車分為車架 、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)、緩沖機(jī)構(gòu)七個(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。2、設(shè)計(jì)方案：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 [6]。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，我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上搜素和參考了大量的資料和文獻(xiàn)。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)。（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，車架采用鋁條焊接加工制作成三角底板式。（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。我們?cè)O(shè)想使用飛輪作為儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)有這些要求：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 [7]，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。 所以我們選用了錐形的繞線輪原動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)力。繞線輪兩端半徑不同，繞線位置的粗細(xì)可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)力的大小。（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)。（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)⑿D(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)+滑塊連桿、曲柄連桿+ 搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。①凸輪機(jī)構(gòu)+滑塊連桿機(jī)構(gòu)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。 ②曲柄連桿+搖桿機(jī)構(gòu)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 [8]；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。 ③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)。 ④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。 （5）行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)：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 [9]。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。 綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽纾梢匀绻袟l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)。 （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)向采用凸輪機(jī)構(gòu)+滑塊連桿機(jī)構(gòu)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 [10]。微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用微調(diào)螺母式、滑塊式，通過(guò)比較微調(diào)螺母更為理想。（7）緩沖機(jī)構(gòu)在車底盤上設(shè)置了一個(gè)彈簧裝置，可以讓重物下降到底部的時(shí)候有緩沖，這樣可以減少對(duì)車體的沖擊。重物下落至小車上與彈簧相碰，避免碰撞時(shí)速度變化大，避免損失更多能量。完成期限和預(yù)期進(jìn)度：畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書下達(dá)：2016 年 3 月 1 日前?！?1畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題：2016 年 3 月 27 日前?！?2畢業(yè)分散實(shí)習(xí)、調(diào)研（2016 年 3 月 1 日至 3 月 13 日）：進(jìn)行畢業(yè)實(shí)○ 3習(xí)與調(diào)研，并結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題寫出調(diào)研報(bào)告。中期檢查：2016 年 4 月 12 日前?！?4完成具體詳細(xì)設(shè)計(jì)，并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書等文件資料。其中 4 月上旬進(jìn)行設(shè)計(jì)的中期檢查。畢業(yè)設(shè)計(jì)完成：2016 年 5 月 15 日○ 5⑥ 畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)題、資格審查：2016 年 5 月 18 至 20 日。⑦ 答辯時(shí)間： 2016 年 5 月 21 日。主要參考資料：[1]Gregory B.Daniel,Katia L.Cavalca.Analysis of the dynamics of a slider -crank mechanism with hydrodynamic lubrication in the connecting rod-slider joint clearance[J]．Journal of Mechanical Design，2012，113(1)：30 一 44.[2] 王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制綜述[J].基礎(chǔ)自動(dòng)化,2006(6). 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