无碳小车 设计说明.docx
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无碳小车设计说明
作品设计说明书
摘要
我们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、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构五个模块，进行模块化设计。
分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。
我们的方案为：
车架采用三角底板式、原动机构采用了带轮轴、传动机构采用带轮、转向机构采用凸轮机构、行走机构采用双轮驱动。
技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能运动学分析和动力学分析，进而得出了小车的具体参数，和运动规律y以及确定凸轮的轮廓曲线；接着应用Solidworks软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。
在实体建模的基础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。
小车大多零件是标准件，可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。
调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的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
一绪论
命题主题
根据第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。
命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。
命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。
小车功能设计要求
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。
该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（间隔范围在700-1300mm，放置一个直径20mm、长200mm的弹性障碍圆棒）。
以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。
给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（
50×65mm，普通碳钢制作）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。
要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使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，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。
小车整体设计要求
小车设计过程中需要完成：
结构方案设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。
命题中的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。
设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。
命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。
小车的设计方法
小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。
作品的设计需要有系统性规范性和创新性。
设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。
明确小车任务要求
小车功能分析
可行性方案
确定方案
分析评价
建模分析
初定参数
参数优化
零部件设计
选择材料
确定尺寸
分析评价
总体设计
加工制作
调试
改进
分析评价
结束
二方案设计
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（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构）。
在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。
车架
车架不用承受很大的力，精度要求低。
考虑到重量加工成本等，车架采用塑料加工制作成三角式底板。
原动机构
原动机构的作用是将重物的重力势能转化为小车的驱动动能。
能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。
小车对原动机构还有其它的具体要求。
驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重物晃动厉害影响行走。
到达终点前重物竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。
同时使重物的势能尽可能的转化到驱动小车前进的动能，如果重物竖直方向的速度较大，重物本身还有较多势能未释放，能量利用率不高。
3.机构简单，效率高，便于加工制作。
传动机构
传动机构的功能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及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
1.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率不是很高。
2.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高，不易加工制作。
因此在第一种方式不能够满足要求的情况下可优先考虑使用齿轮传动。
转向机构
转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。
转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。
能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。
能实现该功能的机构有：
凸轮摇杆、曲柄连杆等等。
凸轮摇杆：
优点：
只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；
缺点：
凸轮轮廓加工比较困难。
曲柄连杆：
优点：
运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来保持接触。
缺点：
一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，发生自锁的可能性增加。
综合上面分析我们选择凸轮摇杆作为小车转向机构的方案。
行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。
由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为：
对于相同的材料
为一定值。
而滚动摩擦阻力：
所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。
由于小车是沿着曲线前进的，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。
双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，使小车运动产生偏差，但由于小车速度较小时，可以大大减小差速带来的影响。
双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。
但差速器的构造较为复杂，且由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确。
综上所述行走机构的轮子应有恰当可调的尺寸，经过加工和成本的综合考虑我们选用双轮同步驱动。
三技术设计
技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。
设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。
建立数学模型
通过对小车建立数学模型，可以实现小车的参数化设计和优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案，充分发挥计算机在辅助设计中的作用。
因此，我们采用了Matlab软件辅助设计。
小车后轮直径计算：
function[D2]=fD2（LC,n）
%D2小车后轮直径
%LC小车行驶一个周期的路程
%n小车行驶一个周期，后轮转的圈数.
%（确定n之后，也就确定了后轮轴与凸轮轴的转速比为n:
1）
D2=LC/pi/n;
End
推杆伸长量计算：
function[Delta]=fDelta（theta,yT）
%yT导向杆长
%Delta凸轮的推杆伸长量（假定伸长为正，缩短为负）
%theta小车前轮转角（假定左转为正）
Delta=yT*sin（theta）;
end
小车路径上某点的曲率半径计算：
function[r]=fr（x0,r0,l）
%fr求小车路径上某点的曲率半径
%r0零点处曲线的纵坐标，r0-y/2>10,y为两后轮间距
%l两个障碍物间距，700~1300
%fx01,fx02分别为fx0的一阶导，二阶导
fx01=r0*pi*sin（pi*x0/l）/l;
fx02=r0*（pi^2）*cos（pi*x0/l）/（l^2）;
r=（1+（fx01^2））^（3/2）/fx02;
end
小车前轮转角计算:
function[theta]=ftheta（r,x）
%theta小车前轮转角（假定左转为正）
%r小车路径上某点的曲率半径
%x前轮轴与后轮轴间距
theta=atan（x/r）;
end
小车行驶一个周期的路程计算：
function[LC]=fLC（r0,l）
%运用第一类曲线积分，当被积函数为1时，即求曲线长度
%r0零点处曲线的纵坐标，r0-y/2>10,y为两后轮间距
%l两个障碍物间距，700~1300
%LC小车行驶一个周期的路程
x0=sym（'x0'）;
%r0=sym（'r0'）;l=sym（'l'）;%使结果带有r0和l这两符号
f=sqrt（1+r0^2*pi^2*（sin（pi/l*x0））^2/（l^2））;
LC=int（f,0,2*l）;
LC=double（LC）;%将结果转化为数值。
结果带有符号时不能使用
end
凸轮轮廓曲线绘图:
l=800;%两个障碍物间距，700~1300
r0=150;%零点处曲线的纵坐标，r0-y/2>10,y为两后轮间距
x=200;%前轮轴与后轮轴间距
yT=30;%yT导向杆长
rj=10;%凸轮基圆半径
x1=72;%凸轮轴（轴1）与前轮轴水平间距
x2=72;%轴1与轴2间距
x3=48;%轴2与轴3间距
x0=0;
r=fr（x0,r0,l）;
theta=ftheta（r,x）;
maxDelta=fDelta（theta,yT）;%maxDelta推杆最大伸长（或缩短）的量
maxDelta
xT=x1-rj-maxDelta;%xT凸轮的推杆长度
xTi=1;
foralpha=0:
:
2*pi
x0=alpha*l/pi;
r=fr（x0,r0,l）;
theta=ftheta（r,x）;
Delta=fDelta（theta,yT）;
TL=rj+maxDelta+Delta;
n（i）=alpha;
m（i）=TL;
i=i+1;
%holdon;
%polar（alpha,TL）;%描点法画出凸轮轮廓
%plot（x0,Delta）;%查看Delta（推杆伸长缩短量）随x0变化而变化的情况%plot（x0,theta）;%查看theta（前轮转角）随x0变化而变化的情况
%holdoff;
end
polar（n,m）;
%axisequal;%描点时，使横纵坐标单位间距相等
参数确定
单位：
mm
前轮轴与后轮轴间距x=200
导向杆长x=30
凸轮基圆半径R=10
凸轮轴（轴1）与前轮轴水平间距x=80
轴1与轴2间距x=72
轴2与轴3间距x=48
零部件设计
1.需加工的零件：
a．驱动轴、传动轴
b．车轮
c.轴承座
d.底板
e.凸轮
2.可购买的标准件：
内圈Φ10的深沟球轴承、7个不同弹性模量弹簧、M8方形内六角螺栓
部分加工零件二维图
小车运动仿真分析
为了进一步分析本方案的可行性，我们利用了Solidworks进行了动态仿真。
四小车制作调试及改进
小车制作流程
小车调试方法
小车的调试是个很重要的过程，有了大量的理论依据支撑，还必须用大量的实践去验证。
小车的调试涉及到很多的内容，如车速的快慢，绕过障碍物，小车整体的协调性等。
（1）小车的速度的调试：
通过小车在指定的赛道上行走，测量通过指定点的时间，得到多组数据，从而得出小车行驶的速度，通过试验，发现小车后半程速度较快，整体协调性能不是太好，于是车小了绕绳驱动轴，减小过大的驱动力同时也增大了小车前进的距离。
（2）小车避障的调试：
虽然本组小车各个机构相对来说较简单，但损耗能量稍多，同时避障也不是很好，可以通过改变摇杆与凸轮的接触实现微量调节。
小车改进方法
1.结构优化：
为了提高能量的利用效率，在不影响使用条件的情况下，可以削减不必要的部分。
2.机构优化：
为了提高能量的转换效率，在稍微增加成本的情况下，可以考虑使用齿轮传动。
五评价分析
小车优缺点
优点：
（1）小车机构简单，加工制作方便；
（2）采用塑料材质，质量较轻，有利于行驶较远的距离。
缺点：
小车精度要求高，使得加工零件成本高，由于差速的存在影响小车的绕弯以及能量的有效利用率。
改进方向
小车主要的缺点是精度要求非常高和存在差速问题，相信改进小车的精度和差速问题，，小车便能达到很好的行走效果。
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