全套設(shè)計（圖紙）加扣扣194535455.2研究狀況自2010年第二屆大學(xué)生工程訓(xùn)練競賽主題定為“無碳小車”，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、制造工藝、實際操作和工程管理”四個方面的綜合能力，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。剛開始，沒有對小車的軌跡要求，只是要求能繞障。后來，2012年第三屆開始要求小車的軌跡，分為S形和8字型。每屆競賽也都呈現(xiàn)出了很多優(yōu)秀的設(shè)計和實物的展現(xiàn)，各種機構(gòu)層出不窮，各有所長。并以競賽項目相關(guān)的設(shè)計、工藝、成本分析和工程管理四大部分來評比，其中，現(xiàn)場演示的成績相當(dāng)重要，再加上8字型軌跡的特征，需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、間歇和調(diào)節(jié)功能，這就對小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)要求較高。據(jù)調(diào)查，無碳小車相關(guān)的圖書和期刊等，有對8字型小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、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。大多是對軌跡分析、能耗分析、機構(gòu)的設(shè)計等得討論和分析居多。也可能因為小車性能決定的原因，轉(zhuǎn)向部分相當(dāng)重要，所以分析得較多的是轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計。有采用過共軛凸輪滾子直動推桿、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、曲柄連桿等機構(gòu)。傳動上的設(shè)計也有所不同，有選用帶輪、齒輪、皮帶和鏈傳動等，驅(qū)動上主要因為是三輪結(jié)構(gòu)，所以也就單輪驅(qū)動的設(shè)計較多。1.3技術(shù)要求本論文主要以第四屆工程能力競賽的要求為主，設(shè)計具有“8”字型軌跡的繞障功能小車。障礙物是設(shè)在半大的兵乓球臺中線上，距離在300mm～500mm之內(nèi)可調(diào)，小車必須繞過兩障礙物且不碰倒，并按八字型運行，走的距離越長越好，完成的8字繞行圈數(shù)越多越好。對機構(gòu)設(shè)計方面的要求：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，ma=1kg,φ50×65mm，普通碳鋼，懸高400±2mm）。行走過程中，小車不能碰倒障礙，不能掉下球臺，重塊不能脫離小車。如圖1-1為小車示意圖，圖1-2無碳小車示意圖

第2章系統(tǒng)分析為了使小車能夠更穩(wěn)更遠地行走，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計合理外，還需對小車系統(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)，重塊下降的勢能全用于小車前進（即在理想條件下），由系統(tǒng)能量守恒，可得：（2-1）（2-2）注：Ni—第i個輪子對地面的壓力；Ri—第i個輪子的半徑；Si—第i個輪子行走的距離；δ—輪子與地面的摩擦系數(shù)；ξ—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ξ、摩擦系數(shù)δ、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，即是小車能耗少，性能好的體現(xiàn)，下面就主要以ξ、δ、R分析。日常一般材料的δ是在0.1到0.8，通過調(diào)查，隨著δ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，隨著δ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，只有在選擇小車輪子時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)δ＝0.5mm時，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時距離則相應(yīng)的增多1～2m。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，在能保證完成八字型繞行和結(jié)構(gòu)安裝的同時，可以適量地增大輪子半徑，從而使小車行走得更遠。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)δ都定下來之后，隨著小車重量的遞增，小車的前進距離與內(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)計小車時應(yīng)盡量減少機構(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、P2、P3是重塊下降的重力的等效作用力，即主動力；FA、FB、FC為地面對小車的支撐力，即約束力，這六個力相互作用構(gòu)成空間三維上的一個平衡力系。圖2-4小車受力系統(tǒng)分析示意圖如上圖所示，在Oxyz中，由力的平衡，可以得到方程：（2-3）（2-4）（2-5）∵Pl=P2=P3=8N，∴FA=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，這里暫時以u=0.20為例計算，由，，，所以，可解得三個輪子與地面的滾動摩擦分別為：QUOTEfA=1.5NfB=1.5NfC=2.6N這里對小車穩(wěn)定時的系統(tǒng)的動力分析，可得出輪子與地面間的滾動摩擦力的大小，但由于場地的不確定性，因此，摩擦力也不確定。但通過此分析，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，圖2-5小車側(cè)翻時的受力示意圖以小車為研究對象，F(xiàn)max為小車轉(zhuǎn)彎時重塊所受的離心力，其余力與圖2-4相同，由受力分析可得,,（2-6）,（2-7）,（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）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,其中,,Rmin為小車轉(zhuǎn)彎時的最小半徑,則。由上述的分析可知，小車在行走時的最大速度可以通過改變繩子繞錐形輪的位置改變，最大速度時不超過錐形輪的最大端，隨后慢慢減小，以此達到控制轉(zhuǎn)彎時速度過大而側(cè)翻。2.4軌跡分析小車實現(xiàn)繞“8”字型運行，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，接近于兩個相切的圓組成，如圖2-7所示。為使小車轉(zhuǎn)彎過程平穩(wěn)，所設(shè)計的小車運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，整個軌跡長度應(yīng)盡可能的短。這樣才能充分地利用重塊的重力勢能，減少行走過程中的能耗，以至于讓小車在規(guī)的能量下多走幾個循環(huán)周期。圖2-6軌跡一圖2-7軌跡二軌跡一，為計算簡便，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)計算，軌跡總長度為L1≈2042.59mm[3]。相同情況下，軌跡二的總長度大概為L=2×2πR=2009.6mm，固選擇軌跡二。但由于實際實驗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)計中，也只能盡可能使8字軌跡更加豐滿，不要太瘦長。

第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)小車的技術(shù)和功能要求，可大致將小車分為五個模塊設(shè)計，包括：原動部分、傳動部分、轉(zhuǎn)向部分、驅(qū)動部分及車架部分。本章就小車結(jié)構(gòu)設(shè)計方面討論和分析，并得出較為完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。3.1原動機構(gòu)原動機構(gòu)的功能是把重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為到小車前進的動力上。于是，小車原動部分的設(shè)計須考慮以下條件：=1\*GB3①適當(dāng)大的起動力矩，適當(dāng)?shù)臓恳Γ拍苁剐≤囎阋云饎?、行駛平穩(wěn)，拐彎的時候不會因為速度太大而出現(xiàn)晃動或者側(cè)翻；=2\*GB3②重塊在即將落到底板時，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\*GB3③由于每種材料的摩擦力不同，場地的不確定性，小車轉(zhuǎn)化的動力也不同，因此需要考慮牽引力可調(diào)；=4\*GB3④小車的機構(gòu)設(shè)計應(yīng)該盡量簡化，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)計中出現(xiàn)的輸出動力可調(diào)的繩輪機構(gòu)，材料選用鋁合金。為減少能量損失，采用高強度的尼龍線。開始時，起動力矩克服車輪的阻力矩向前滾動，起動小車，重物下降的過程就是重力勢能向小車動能的轉(zhuǎn)換。由于重塊下降過程中不是勻速運動，實際下落的運動規(guī)律是：由靜止開始加速，然后勻速下落，最后進入減速階段，以接近速度為零落至底板。因此，開始時需要較大的起動力矩，才足以將小車牽動。所以需要對滾筒的直徑進行設(shè)計，這里通過資料的查閱，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動規(guī)律，使小車能夠比較平穩(wěn)地起動和行走得更長。這樣既減小了能量的損失，也充分地運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)動輪軸之間為過盈配合。小車原動部分機構(gòu)設(shè)計的組合方案，如圖3-1所示，1-錐形圓柱體（繞線），2-滑輪機構(gòu)（懸掛重塊）圖3-1小車原動機構(gòu)圖3.2傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)主要是將轉(zhuǎn)化來的動力傳到小車的驅(qū)動輪上。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，傳動部分的設(shè)計須要保證傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕等優(yōu)點。常見的傳動機構(gòu)及分析如下：=1\*GB3①帶輪傳動：結(jié)構(gòu)相對簡單、傳動平穩(wěn)、抗震性能較好、成本低等，但其效率和傳動精度不高，不適合本小車設(shè)計，固舍棄。=2\*GB3②齒輪傳動：結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定、傳動效率高，可達到95%。=3\*GB3③同步帶傳動：雖然傳動效率很高，但是無碳小車中兩傳動軸的中心距小，不容易保證包角，所以舍棄。=4\*GB3④皮帶傳動：易打滑，不夠平穩(wěn)，傳動性不好，摩擦較大，能耗損失太大。=5\*GB3⑤鏈條傳動：傳動比較準(zhǔn)確，且質(zhì)量輕，但瞬時轉(zhuǎn)速和瞬時傳動比無法固定，傳動的平穩(wěn)性較差。綜上分析，可以采用線切割鋁合金制造齒輪，以保證傳動的精確性與質(zhì)量較輕，固選齒輪傳動。由于小車的動力源全部由重塊提供，則驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)都是通過傳動機構(gòu)來運作的。驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)時，繞線筒在重塊的牽引力下產(chǎn)生扭矩使得驅(qū)動輪軸轉(zhuǎn)動。此外，還以一定的傳動比將驅(qū)動輪上的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給搖桿，帶動轉(zhuǎn)向機構(gòu)旋轉(zhuǎn)。為了行走到接近重合的8字，傳動部分的作用很大，則齒輪的傳動比i的取值就顯得非常重要。它不僅傳遞轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動力輸入，同時保證了在驅(qū)動輪完成一個周期的路程時，轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成一個周期的動作。這里通過計算，以300mm直徑的軌跡為例，后輪直徑為200mm，則周長為200πmm。一個八字，軌跡長度相當(dāng)于直徑為300mm的兩個圓，即600πmm。則小車每走完一個八字，后輪就轉(zhuǎn)動三圈，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，則暫選傳動機構(gòu)中的齒輪傳動比1:3最為合適，所以初步確定小齒輪z=29，大齒輪z=89，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)計和材料的選擇，以及加工精度的保證。以盡量減少受載時軸彎曲變形，因此各傳動軸應(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動的精度。3.3轉(zhuǎn)向機構(gòu)要實現(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)向機構(gòu)必須具有轉(zhuǎn)向和間歇的功能，又因為障礙物的距離是可調(diào)動的，則要求轉(zhuǎn)向機構(gòu)根據(jù)間距做一定的調(diào)整，所以還必須設(shè)計調(diào)節(jié)機構(gòu)。當(dāng)然，在同樣能滿足基本功能的時候，要考慮怎樣才能使小車更精確地轉(zhuǎn)向、更遠更穩(wěn)地行駛。3.3.1轉(zhuǎn)向部分通過查閱大量書籍和文獻，能夠?qū)崿F(xiàn)將豎直平面的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為水平面運動的轉(zhuǎn)向功能機構(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?？紤]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：通過運用兩個驅(qū)動輪的角速度不同，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動的半徑不同，從而使產(chǎn)生不同的速度，形成差速。但是加工精度要求高，較難實現(xiàn)預(yù)期的運動[17]。曲柄搖桿：曲柄做圓周運動轉(zhuǎn)化為平面的往復(fù)運動，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便[17]。最終選擇，決定使用曲柄搖桿。但是，由于曲柄搖桿無間歇的運動特性，單純地采用曲柄搖桿機構(gòu)可以實現(xiàn)的8字軌跡非?！笆蓍L”，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)彎時發(fā)生傾覆，所以在這里還應(yīng)添加補充設(shè)計間歇機構(gòu)。此外，曲柄搖桿機構(gòu)是將豎直平面內(nèi)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為周期性的往返運動，卻無法將豎直平面的運動轉(zhuǎn)向為水平面的運動，也無法控制前輪的轉(zhuǎn)向，所以添加球頭，將豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面的運動，已達到小車轉(zhuǎn)向的目的。3.3.2間歇部分間歇機構(gòu)的主要功能是將主動件中的連續(xù)運動轉(zhuǎn)化為從動件有停歇的周期或非周期性的運動。使用比較多的機構(gòu)有：凸輪、不完全齒輪、棘輪和槽輪機構(gòu)，下面就這幾種比較和分析。凸輪：擺角設(shè)計上有其優(yōu)勢，通過調(diào)整凸輪輪廓便于實現(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齒輪的相嚙合時，從動輪運動；當(dāng)嚙合分開時，從動輪靜止，停歇比可控性較高，設(shè)計較靈活。但在嚙合時，隨著從動輪角速度的變化，機構(gòu)將產(chǎn)生剛性沖擊，且脫離嚙合時，也會產(chǎn)生剛性沖擊。棘輪：具有單向間歇特性，多用于進給、制動、超越和轉(zhuǎn)位分度等機構(gòu)、且摩擦大，不適用于周期性的往復(fù)運動。槽輪：轉(zhuǎn)位較快，效率較高。但不能保證轉(zhuǎn)彎時的穩(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]到小車實際運轉(zhuǎn)速度慢、輕載和重復(fù)性要求高的特點，不完全齒輪有著更為明顯的優(yōu)勢，所以，選擇不完全齒輪機構(gòu)能夠更好地實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向過程中的間歇運動。3.3.3調(diào)節(jié)部分由于障礙物的間距不確定、隨機的，所以小車的最大轉(zhuǎn)向角需可調(diào)，而小車的轉(zhuǎn)角又與曲柄、連桿、搖桿的長度有關(guān)。曲柄和搖桿的長度對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)機構(gòu)。針對曲柄搖桿機構(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)搖桿連桿的長度，選用螺母式。連桿的長短主要通過粗調(diào)和細調(diào)兩種方式來實現(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現(xiàn)粗調(diào)，而在連桿的另一端通過螺紋與搖桿連接實現(xiàn)細調(diào)，通過螺紋轉(zhuǎn)動的角度來改變連桿、搖桿的長度。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)的螺桿同時旋入或旋出，從而減小或增大連桿的長度。這里采用的是M5公制細牙螺紋，牙距為0.5mm。微調(diào)時，當(dāng)旋轉(zhuǎn)旋套10°，連桿長度變化值Δ為：Δ＝0.5××2＝0.0278mm?？梢?，微調(diào)機構(gòu)可以實現(xiàn)小距離的調(diào)整，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3.4驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)小車的運動原理和技術(shù)要求，初步確定可行的驅(qū)動方案有雙輪驅(qū)動、差速驅(qū)動、單輪驅(qū)動，三種方案的對比和分析如下：雙輪同步驅(qū)動：小車前進中會有輪子與地面打滑從而產(chǎn)生滑動摩擦，能量利用率因此而降低，行走時也會受到更多的約束，導(dǎo)致行走的軌跡誤差變大；雙輪差速驅(qū)動：雖然可以通過差速器能相應(yīng)的減少摩擦，但單向軸承存在間隙，在主動輪和從動輪的切換過程中會出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運動軌跡有偏差，精確度較低。最終，考慮到加工過程中的可操作性和加工成本等一些列問題，選擇單輪驅(qū)動作為小車的驅(qū)動機構(gòu)。在確定單輪驅(qū)動作為驅(qū)動方案后，就直接把驅(qū)動輪作簡化為參考點，并進行軌跡分析。通過前面一章軌跡的分析可以得到理想的軌跡路線應(yīng)該是一個對稱的且圓滑的八字形。考慮到單輪驅(qū)動向左轉(zhuǎn)彎和向右轉(zhuǎn)彎時，在主動輪在內(nèi)側(cè)和外側(cè)，會產(chǎn)生不同的回轉(zhuǎn)半徑R。假設(shè)右邊的后輪為主動輪，向右轉(zhuǎn)時R=－，向左轉(zhuǎn)時R=＋（其中，a為障礙物間距，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葫蘆型的八字。3.5底板和支撐架為了防止重塊下降過程中擺動，影響小車行走，設(shè)計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，圖3-5三導(dǎo)軌支撐架底板是小車最主要的承載體，連接重要機構(gòu)，固結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要合理?？紤]到小車載重不是很大，將底板設(shè)計成框式結(jié)構(gòu)。為了避免底板因發(fā)生振動而造成大量能量損失，將邊框橫截面設(shè)計成T字型，邊框的寬度為10mm，厚度為4mm，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后輪之間的軸距，由于小車連續(xù)不斷地作曲線運動，因此兩個后輪行走時存在著速差。軸距會影響小車的平穩(wěn)性，并且對后輪的差速性能也有很大的影響。軸距太小則會降低小車行走過程中的平穩(wěn)性，軸距太大又會加大小車的轉(zhuǎn)向難度。在把每個零件裝配上去后，取底板能夠達到的最小值，將底板的寬度設(shè)計為105mm，長度根據(jù)齒輪嚙合的長度以及轉(zhuǎn)向部分和行走部分所占長度設(shè)計為220mm，厚度為3mm，既可以保證形變量很小，也可以最大化的減輕重量，最終小車底板實際結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，圖3-7底板實際俯視圖3.6整車設(shè)計整車的軸承統(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)往屆工程能力競賽的要求設(shè)計前輪直徑為30mm，厚度為10mm,以便于放下兩個軸承。轉(zhuǎn)向部分的球頭為網(wǎng)上購買，設(shè)計尺寸為內(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)計外徑為3毫米，長度為55毫米；轉(zhuǎn)向支撐架根據(jù)已確定的零件尺寸來設(shè)計；與前輪支撐架連接到螺桿為全螺紋，設(shè)計長度為56mm，便于大幅度的調(diào)節(jié)長度，改變前輪的最大轉(zhuǎn)角。傳動機構(gòu)的不完全齒輪設(shè)計為68個齒，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)計為33個齒，模數(shù)為1，傳動比約為1:2；而有前面的說明可知原動軸上的齒輪與傳動軸上的齒輪齒數(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，后輪的直徑200毫米，厚度為5毫米，小車底板寬105毫米，長度為220毫米，厚度為3毫米，各個支架依據(jù)安放位置自行調(diào)整設(shè)計，再把車架多余的地方掏空。依據(jù)以往比賽經(jīng)驗，支撐長桿要保持重心的穩(wěn)定，設(shè)計桿長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)計為25mm，厚度8mm。

第4章軌跡模擬在前面第二章里已經(jīng)設(shè)計好轉(zhuǎn)向機構(gòu)，但為了確保機構(gòu)的可行性以及更遠更穩(wěn)地行駛，需要事先對軌跡模擬，本章主要是利用MATLAB中SimMechanics模塊對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)合起來對機械系統(tǒng)進行建模仿真的一個模塊。主要運用牛頓定律的原理，結(jié)合模塊圖的建模將各種運動件和運動副連接起來進行建模和仿真，以完成對機構(gòu)系統(tǒng)的分析和設(shè)計。4.1.1SimMechanics模塊和功能SimMechanics是一個模塊庫，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)接表示成實際系統(tǒng)。SimMechanics模塊集由七個模塊組成，如圖4-1所示，圖4-1SimMechanics模塊組包含剛體子模塊組（Bodies）、運動副模塊組（Joints）、約束和驅(qū)動模塊組（Constraints&Drives）、傳感器和作動器模塊組（Sensors&Actuators）、力單元模塊組(ForceElements)、輔助工具模塊組（Utilities）、演示模塊組（InterfaceElements）。各模塊組的組成和功能：（1）剛體子模塊組（Bodies）：包含機械環(huán)境(MachineEnvironment)、機架（Ground）和剛體（Body）三個模塊。機械環(huán)境是仿真定義一個環(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。機架只有一個連接端，另外一端固定。剛體有兩個連接端，即主動端（輸入端）和從動端（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、初始位置、角度和慣性矩等。（2）運動副模塊組（Joints）：包含DisassembledJoints和MasslessConnectors兩個模塊。其中對應(yīng)的鉸如下圖4-2和4-3所示，圖4-2DisassembledJoints模塊組圖4-3MasslessConnectors模塊組運用此模塊組中的運動鏈可以將不同的剛體構(gòu)件連接起來。（3）約束和驅(qū)動模塊組（Constraints&Drives）：如圖4-4所示，DistanceDriver:設(shè)定兩剛體坐標(biāo)原點之間的距離AngleDriver:設(shè)定兩剛體坐標(biāo)間的角度LinearDriver:確定兩剛體坐標(biāo)間的向量差VelocityDriver:確定兩剛體坐標(biāo)間的相對線速度和角速度Point-CurveConstraint:曲線約束ParallelConstraint:平行約束GearConstrain:齒輪約束圖4-4約束和驅(qū)動模塊組（4）傳感器和作動器模塊組（Sensors&Actuators）：主要用于與Simulink模塊進行交換。包含模塊如圖4-5所示，圖4-5傳感器和作動器模塊組（5）力單元模塊組(ForceElements)：模塊和功能如下，BodySpring&Damper:兩剛體間施加線性阻尼振子JointSpring&Damper:在兩剛體在單自由度鉸或轉(zhuǎn)動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ConnectionPort、ConvertfromRotationMatrixtoVirtualRealityToolbox、ContinuousAngle、MechanicalBranchingBar四個模塊。(7)演示模塊組（InterfaceElements）:包含Prismatic-TranslationlInterface和Revolute-RotationalInterface兩個模塊。4.1.2仿真機構(gòu)分析這里以機械系統(tǒng)中比較典型的機構(gòu)——平面四桿為研究對象，探討如何用SimMechanics模塊集進行機構(gòu)運動分析。如圖4-6所示平面四桿機構(gòu)（曲柄擺桿）的運動簡圖，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構(gòu)最開始的位置和結(jié)構(gòu)尺寸。圖4-6四桿機構(gòu)尺寸圖因為每個桿都是受到約束的，且二維平面內(nèi)，每個桿的運動都是唯一的，即自由度為1。運用SimMechanics建立模型大概可按以下三個步驟去實施：=1\*GB3①由系統(tǒng)構(gòu)件的相對位置，建立仿真模型；=2\*GB3②由每個構(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\*GB3③在Simulink環(huán)境中運行模型，動態(tài)地顯示機構(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)置機械環(huán)境。（3）搭建模塊框圖，建立如圖4-7所示的模型圖。圖4-7模型圖4.1.4仿真參數(shù)設(shè)置（1）配置Ground模塊，設(shè)置不同的參數(shù)，具體設(shè)置如下圖4-8所示。（2）配置Jiont模塊，并分別設(shè)置參數(shù)，如圖4-9。按順序打開Revolute參數(shù)對話框，Axisofrotation[x,y,z]都是[001]，Referencecsys均為WORLD，保留此參數(shù)，觀察到每個均順序連接，并設(shè)置參數(shù)Numberofsenor。圖4-8Ground1和Ground2模塊參數(shù)對話框4-9Revolute1-4的模塊參數(shù)對話框（3）配置Body模塊，并分別設(shè)置參數(shù)(主要包括質(zhì)量、長度、方向、重心位置和剛體的坐標(biāo)系統(tǒng))，如圖4-10-1,4-10-2，4-10-3所示。圖4-10-1Body1質(zhì)量和坐標(biāo)數(shù)據(jù)圖4-10-2Body2質(zhì)量和坐標(biāo)數(shù)據(jù)圖4-10-3Body3質(zhì)量和坐標(biāo)數(shù)據(jù)4.1.5仿真結(jié)果輸出（1）添加JointSensor模塊檢測運動，建立模型連接，如下圖4-11所示。（2）添加Scop模塊，設(shè)置仿真參數(shù)，運行仿真，結(jié)果如圖4-12所示。圖4-11完整的模型圖圖4-12添加Scop模塊后運行仿真圖4.2偏差分析上述仿真實例是分析的平面四桿機構(gòu)，而本文小車的曲柄搖桿機構(gòu)添加了球鉸鏈，實際結(jié)構(gòu)為空間曲柄搖桿，故不完全適用于本設(shè)計。但其實原理相似，從中可以知道無論是空間還是平面四桿機構(gòu)的仿真，均是由最初的位置確定的。位置應(yīng)該包括連接處的坐標(biāo)、連桿相對機架的角度等。然后對機構(gòu)中的每個構(gòu)件進行分析，最后確定機構(gòu)的自由度（這里一般都是1），并在SimMechanics庫中選擇需要的模塊，按一定的順序?qū)⑵溥B接成完整的系統(tǒng)模型圖。當(dāng)然，同時也要對相應(yīng)的模塊設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，最后是添加傳感器和SCOP模塊將其運動仿真的結(jié)果以圖形的形式顯出來。

第5章三維建模及運動仿真通過前面幾章的設(shè)計和分析，機構(gòu)和參數(shù)已經(jīng)大致明確，然而工程中，當(dāng)需要加工出實物時，為了節(jié)省時間、降低加工成本，往往需要利用三維軟件繪制實體零件圖和整體裝配圖，以確保機構(gòu)的可行性和裝配中可能遇到的問題得以更好地解決，也能確保實物加工的進度和精度。如果涉及到運動的機構(gòu)，還須做部分機構(gòu)的運動仿真，保證機構(gòu)的運動特性。5.1三維建模本設(shè)計時采用的三維軟件是Proe,要對實物或設(shè)計進行三維建模時，同樣也需要零件的基本尺寸，所以實體建模之前還得確定每個零件的尺寸（這里不考慮材料的區(qū)分）。5.1.1機構(gòu)尺寸確定通過前面的機構(gòu)設(shè)計和軌跡模擬，整個小車的主要的結(jié)構(gòu)和尺寸基本確定，詳見表5-1所示，表5-1小車結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)構(gòu)名稱基本尺寸材料、制造方式不完全齒輪小齒輪模數(shù)m=1，壓力角=20°，寬度=5mm齒數(shù)z=33,鋁合金線切割大齒輪齒數(shù)z=68傳動機構(gòu)小齒輪齒數(shù)z=29大齒輪齒數(shù)z=89后輪軸直徑=6mm,長度=160mm鋁合金車削驅(qū)動軸直徑=6mm,長度=128mm后輪直徑=160mm,厚度=5mm支撐桿直徑=5mm,長度=500mm連桿直徑=3mm,長度=55mm前輪直徑=30mm,長度=10mm塑料、銑削5.1.2基于Proe的三維建模Proe建模的一般步驟：(1)建立并選取基準(zhǔn)（基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等）作為參照；(2)建立基礎(chǔ)實體特征：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等；(3)建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等；(4)特征的修改：特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作；(5)添加材質(zhì)和渲染處理。根據(jù)前面小車結(jié)構(gòu)和尺寸的確定，運用Proe繪制小車各零件實體圖（詳見后面附圖），通過裝配每個零件，形成一個完整的實物建模，如圖5-1所示小車裝配圖，1-底板，2-右后輪，3-傳動（大）齒輪，4-導(dǎo)軌，5-滑輪，6-不完全齒輪，7-前輪圖5-1小車裝配圖5.2運動仿真在工程實驗中，凡是要求做實物、機構(gòu)存在運動，為了降低時間和加工的成本，一般都會事先使用軟件做部分運動仿真，主要是檢驗機構(gòu)間的傳動和配合，驗證機構(gòu)的可行性，準(zhǔn)確裝配保證正常的運動特征?；赑ROE的運動仿真，主要是在三維建模之后的裝配圖中，實現(xiàn)運動部分的運動仿真。參數(shù)的設(shè)置尤為重要，需要根據(jù)運動的狀態(tài)和特性，添加電機和運動的時間，其中電機的位置和時間的長短等都是需要著重考慮的因素。下面就齒輪和電機的定義和測量分析做詳細的介紹。5.2.1齒輪連接的定義在裝配正確的情況下，需要定義齒輪的連接，如圖5-2和5-3，需要確定每個齒輪的直徑即可完成定義。圖5-2不完全齒輪連接副的定義圖圖5-3齒輪連接副的定義圖5.2.2電機的定義在動力方面，并沒有給定砝碼的自由落體提供能量，而是簡化成在原動軸上添加電機，如圖5-4，設(shè)定為伺服電機，速度為常數(shù)20度每秒。圖5-4伺服電機定義圖5.2.3測量分析設(shè)定初始時間0，結(jié)束時間50秒，幀數(shù)25幀每秒，最小間隔0.04，點擊確定和運行，即可觀察到電機運行機構(gòu)的運動情況，如圖5-5所示。并觀察發(fā)現(xiàn)，通過傳遞電機的動力帶動右后輪的轉(zhuǎn)動，并通過傳動驅(qū)使前輪間歇地轉(zhuǎn)向運動，即證明機構(gòu)的可行性。圖5-5測量分析圖

結(jié)論本文經(jīng)過前期充分的調(diào)查，翻閱大量的書籍和資料，分析了命題相關(guān)的研究狀況，再結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢和背景，確定了命題具有一定的研究意義和研究價值。根據(jù)小車的運動原理和技術(shù)要求設(shè)計了比較合理的結(jié)構(gòu)，再使用MATLAB軟件中的Simulink-SimMechanics模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的軌跡仿真，模擬出比較接近的8字型軌跡，通過參數(shù)的設(shè)置，分析和比較，確定最為合適的參數(shù)，最后明確各機構(gòu)尺寸的大小和材料。再使用PROE實體建模，裝配機構(gòu)零件圖，實現(xiàn)部分運動仿真，驗證前期機構(gòu)設(shè)計的合理性，以保障實物的加工，降低成本。本文最大的難度在于空間四桿機構(gòu)的軌跡仿真和不完全齒輪的機構(gòu)運動仿真。MATLAB中的SimMechanics模塊的學(xué)習(xí)和熟悉度還不夠，未形成定量的計算，只是定性的分析了仿真的方法，從而更加明晰了小車的轉(zhuǎn)向原理。同時，本文的不足之處包括，機構(gòu)的設(shè)計分析還不夠明細和到位。由于時間的緊迫和知識的淺薄，大多都是定性的分析，沒有定量的計算，可能存在設(shè)計結(jié)構(gòu)的選擇不是很好，一些細微的結(jié)構(gòu)設(shè)計沒過多的闡釋理由。軸類沒有通過嚴格的剛度校核，軌跡模擬也存在很大的偏差，只能選擇更為接近的理想軌跡確定參數(shù)，機構(gòu)大多通過實現(xiàn)的功能借鑒歷屆的效果而選擇的，也未考慮太多實物加工的難度和精度，導(dǎo)致加工的實物與理想的存在很大的偏差，這可能也是導(dǎo)致軌跡沒法實現(xiàn)預(yù)期效果的原因之一。但是，通過本次設(shè)計和論文的撰寫、圖紙的繪制和軟件的學(xué)習(xí)，比較系統(tǒng)的熟悉了無碳小車的結(jié)構(gòu)和運動系統(tǒng)，并且更加熟練了二維軟件CAD的使用，也基本學(xué)習(xí)了三維PROE和MATLAB的常用功能，重新溫習(xí)了以前學(xué)習(xí)的一些機械知識。整個過程中，也提高了自我思考、發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的能力。

致謝首先由衷地感謝胡波老師精心為我擬定本次論文設(shè)計命題。主要是在胡波老師的耐心指導(dǎo)和專業(yè)同學(xué)的幫助下完成的。論文進行中，胡老師定期給我們小組安排任務(wù)，并分批查收和指正。給與我們適當(dāng)?shù)闹敢旨ぐl(fā)我們的主動性，很好的把控了每個階段的學(xué)習(xí)和任務(wù)，而我們依照他的指示認真的完成作業(yè)，整個過程也相對比較輕松，得以順利而圓滿地完成畢業(yè)論文。感謝胡老師為我們的精心設(shè)計和付出，他嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、追求創(chuàng)新的進取精神是我學(xué)習(xí)的榜樣。此外，也衷心地感謝我們專業(yè)的老師，是您們教予我專業(yè)的知識，授予我專業(yè)的技能，讓我在大學(xué)期間，學(xué)到了一技之長，才有基本的資格參與社會去工作。也感謝所有敬業(yè)在教師職位上的老師，是您們教育我們學(xué)生做人做事，成長成才，您們辛苦了，老師！當(dāng)然，在這其中，也必須感謝一直陪伴我左右的同學(xué)，無論是在這次的畢業(yè)設(shè)計還是平日的學(xué)習(xí)中，我們互相探討、互相學(xué)習(xí)的樂趣無處不在，不懂的相互詢問，一起解答疑難，沒解決一個問題都是我們共同努力的成果，我們在學(xué)習(xí)中成長，在成長中快樂。同時，也感謝我的舍友們，在生活上和學(xué)習(xí)上給予的幫助，我們朝夕相處，無話不說，失落或高興都有你們相伴，從此不再孤單，因為分享而更加快樂，因為分擔(dān)而更加釋懷。感謝你們的陪伴，讓我的大學(xué)生活更加豐富多彩。最后，衷心地感謝為本次畢業(yè)設(shè)計而付出辛勤勞動的各位老師，您們的意見和批評都是我需要改正的地方，我將虛心接受并校正，謝謝！

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