无人驾驶试验车的侧轮支撑机构设计

1、本科学生毕业论文论文题目：无人驾驶试验车的侧轮支撑机构设计学 院：机电工程学院年 级：专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：学 号：指导教师： 2012年 4 月 25 日摘要本课题设计无人驾驶试验车的侧轮支撑机构。无人驾驶试验车是路面材料加速加载装置，整车自重45吨，要在环形跑道内长期连续运行一个月左右，以实验路面材料。无人驾驶试验车的侧轮支撑机构不仅有辅助转向，防止试验车侧翻，提供不足转向离心力的作用，还能减小试验车差速转向时车轮侧向力、减小轮胎磨损。要求在试验车正常运行时提供较小的支撑预紧力，使试验车平稳行驶；在轮胎爆胎、控制系统紊乱、停电等突发情况时提供足够的支撑和缓冲作用了，以保护试

2、验车。为了满足以上要求，保证试验车的可靠性，采用了连杆机构和组合弹簧的设计。连杆机构是支撑架，组合弹簧提供预紧力以及缓冲保护作用。本课题设计在满足要求的前提下，还有结构简单，易于实现，制造成本低等优点。关键词试验车；侧轮；支撑；缓冲Abstract The project is to design the side wheel support structure of unmanned test vehicle. Unmanned test vehicle is pavement material accelerated loading device, which weighing 45 to

3、ns, need to run continuously within loop runway in long-term for about a month to test pavement materials.Unmanned test vehicles side has not only assisted steering wheel support structure, preventing experimental vehicle rollover, providing enough steering effect of the centrifugal force, while sti

4、ll can help the experimental car reducing the differential steering wheel lateral forces ,and avoiding tire wear. When test vehicle running in normal situation, the side wheel provide supporting and preload force of small, and support structure protect test car smooth driving; in the situation of ti

5、re puncturing, control system disordering, power cut and other emergencies, the side wheel support structure provide enough support and buffering to protect the test vehicle. In order to meet the above requirements, ensure the reliability of test vehicle, I use a combination of linkage and spring de

6、signs. Linkage is supporting frames. Protective effects of combination spring provides preload as well as buffering. This designed not only meet the basic requirements, but also have other advantages such as simple structure, easy to implement, low manufacturing costs.Key wordsTest vehicle; Side whe

7、el; Support; Buffer目录摘要IAbstractII前言1第一章 绪论11.1 课题提出的背景和意义11.2 无人驾驶试验车侧轮支撑机构研究现状11.2.1 侧轮支撑机构的研究现状11.2.2 侧轮支撑机构对比分析31.3侧轮支撑机构相关理论概述31.3.1支撑机构原理41.3.2 缓冲保护机构原理41.4本课题的主要研究内容4第二章 总体方案设计62.1支撑机构方案设计62.2缓冲机构方案设计72.3 总体设计思路82.4 本章小结9第三章 支撑机构设计103.1 支撑机构103.1.1 方案选择103.1.2 零部件设计113.1.3 拉伸弹簧设计133.2 本章小结14第

8、四章 缓冲机构设计154.1 缓冲结构的设计154.1.1撞击力的计算154.1.2 零件设计164.2 本章小结21第五章 运动分析225.1 运动分析225.1.1 离心力的计算235.2本章小结23结论24参考文献25第一章 绪论1.1 课题提出的背景和意义我国地域辽阔，为了促进经济发展，需要开发四通八达的交通道路。近几十年，我国经济发展迅速，并实施了西部大开发战略，因此不仅需要修护原有的高等级公路，而且需要新建大量高等级公路。根据节约型社会科学发展需求，降低公路施工与维护成本是首要的。无人驾驶试验车是一种路面材料加速加载设备，可以在模拟实际交通环境下对不同路面材料快速测出路面的破坏情况

9、。通过观察分析路面的破坏情况，检测路面状况和试验参数，进一步分析道路使用寿命、破坏机理，为道路性能指标提供依据 郝培文.足尺加速加载试验设备简介J.公路,1993(1):47-482 潘永强,杨军.国内外足尺加速道路试验研究概况J.公路,2005,25 (6):137-1403 陶毅,李凯.我国公路发展现状和前景分析J.交通期刊,2007，5(8):13-184 张鹏,国兴玉,王旭光,吴清珍,冯晋祥.足尺路面加速加载试验设备技术研究D.山东交通学院学报,2011:41-435 管志光,王旭光,张吉卫.路面加速加载数据采集系统的设计J.筑路机械与施工机械,2011:78-796 李鹏飞.路面材料

10、加速加载自动实验车的研究D.哈尔滨工业大学,2011:247 机械工程手册电机工程手册编辑委员会.机械工程手册(机械设计基础卷) .北京:机械工业出版社,1997:87-898 成大先.机械设计手册(第五版 第四卷).北京:机械工业出版社,2002:52-539 濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,2005:370-37310 成大先.机械设计手册(第五版 第五卷).北京:机械工业出版社,2002:19-2311 成大先.机械设计手册(第五版 第十一卷).北京:机械工业出版社,2002:37-3912 张国兵,杜晓雷.跨越高速公路桥墩受汽车撞击作用力分析J.公共交通科技,2010

11、,8(12):29313 龚微寒.汽车现代设计制造M.北京:人民交通出版社,1995:2314 崔士斌.基于差速转向技术的电动车造型的研究D.河北工业大学,2006:9-1815Yi F Lan. New Creation Method of Class-A Surface Model of AutobodyJ .SAE Technical PaperJ .2003-01-27(35).16 陈家瑞，马天飞. 汽车构造M. 北京：人民交通出版社，2006：182-183.17 黄天泽，黄金陵. 汽车车身结构与设计M. 北京：机械工业出版社，2008：86-88.18 郭竹亭. 汽车车身设计M.

12、 长春：吉林科学技术出版社，2004：45-49.-2。在的封闭跑道内，无人驾驶试验车在模拟实际交通环境下连续不断行驶一个月，因此侧轮支撑机构是无人驾驶试验车的重要组成部分，它能保证无人驾驶试验车的正常行驶，并且防止各种突发情况下试验车撞坏3。本课题旨在研究无人驾驶试验车侧轮支撑机构。侧轮支撑机构主要实现两个功能：预紧和缓冲保护，从而保证试验正常进行。1.2 无人驾驶试验车侧轮支撑机构研究现状国外的路面材料加速加载试验最早可追溯到1909年在底特律的试验路，发展到目前，一些国家拥有少数的加速加载设备。例如：美国MnRoad 试验路、法国环道LCPC、澳大利亚的ALF、南非重车模拟器（HVS）、

13、BASt脉冲加载设备，以上加速加载设备都是在自然环境下进行实际实验，并且试验数据准确性并不高。目前国内并没有这些设备，完全依靠进口，所以加速加载试验尚处于开始阶段，只在交通部重庆公路科研所、东南大学、交通部公路科研所、长沙理工大学等有研究。综上所述，在国内，路面材料加速加载试验有很大的研究发展空间，并且需要不断改进完善4。1.2.1 侧轮支撑机构研究现状在研究无人驾驶试验车的过程中，试验车辅助支撑机构出现了一些不同的设计，以下是一些主要的设计方案。方案1：采用传感器和识别装置做探测装置。在试验道路中间做标记，通过传感器探测，使其沿着正确的轨道行驶。当试验车偏离轨道时，传感器会有所感应，传送到识

14、别装置，改变试验车行进方向，是试验车重新回到正确轨道。在道路两边的墙上也做相同标记，当试验车离墙面非近时，传感器感应传送给刹车系统，使试验车停止行驶5。案2：该辅助支撑机构由辅助支撑安装板、两根油气式液压减振器和侧向车轮组成，机构通过辅助支撑安装版与试验车车体连接，另一面通过铰链在同一水平线上分别连接两根油气式液压减振器，再由两根油气式液压减振器的另一端通过同一个铰链与侧轮连接如Error! Reference source not found.所示6。 侧向车轮辅助支撑安装板油气式液压减振器 图1-1 辅助支撑机构最后将整个辅助支撑机构分别在试验车车体两侧同一水平线上各安装两个如Error!

15、 Reference source not found.所示。图1-2辅助支撑机构装配图1.2.2 侧轮支撑机构对比分析以上两种侧轮支撑机构都能一定程度上实现辅助试验车正常行驶，保障试验正常进行，但是仍然有问题存在。方案1对传感器的选用比较严格，要求传感器灵敏度高，质量好，尽管如此，从传感器感应到试验车做出反应仍然需要一段时间。当发生断电情况时，小车在高速行驶过程中会因为惯性继续高速行驶。由于从感应到试验车反应间隙，小车就可能以很大的冲击力撞向墙面从而损坏。所以方案1能实现试验车在正常情况下安全行驶，但不足以保证试验车在突发情况下不会撞坏。另外由于试验环境完全模拟正常交通情况，不同的环境变换可

16、能会对传感器精度有所影响。在方案2中，油气式液压减振器可以在突发情况下对试验车起缓冲保护作用。但是假如试验车偏向一侧行驶时，可能保持一侧行驶状态继续行驶，不能快速让试验车回归正常行驶轨迹。在试验中经常发生此种情况的话，对试验结果会有一定程度影响。终上所述，在理想状态下，方案2比方案1更可行。1.3 侧轮支撑机构相关理论概述总结前人的工作成果，发现无人驾驶试验车的侧轮支撑机构不尽相同，有些仍须待改进。主要存在的问题需要认真研究，才能设计出确实可行的方案。在路面材料加速加载试验中，侧轮支撑结构需兼顾辅助试验车沿预定轨道行驶与缓冲保护试验车。1.3.1 支撑机构原理支撑机构辅助无人驾驶试验车正常行驶

17、，在试验车的两侧同一水平线上各安装两个。当试验车行驶时，两侧的支撑机构固定侧轮。在大多数情况下，采用拉伸弹簧作为预紧装置。在支撑架上使用拉伸弹簧并与侧轮相连，侧轮在道路两边的墙面上行驶，因为预紧力的作用，会对墙面产生压力。同时墙面会给侧轮一个反作用力。该反作用力会使试验车偏向另一边，但是另一侧的侧轮所受的反作用力可与之相互抵消，所以试验车能沿着预计轨道行驶，不会偏差太大。在设计支撑机构要考虑的因素有：1) 支撑机构结构要求在突发情况下，试验车高速撞向墙面，支撑机构受到很大的反撞击力。2) 拉伸弹簧的选定弹簧钢丝有常用的直径尺寸系列，一般要先估取合适的值。再进一步计算拉伸弹簧的其他相关参数。最后

18、，校核拉伸弹簧的强度。1.3.2 缓冲保护机构原理缓冲机构安装在支撑架上，介于支撑杆与侧轮之间，所以尽量合理安排安装位置。缓冲保护装置会采用组合弹簧，因为在发生碰撞时撞击力很大，所以考虑采用刚度较大的弹簧。1. 组合弹簧的选定组合弹簧选用刚度大的弹簧，可以选用板弹簧、碟形弹簧。根据两者的刚度，确定碟形弹簧缓冲的撞击力较小，板弹簧缓冲的撞击力较大，所以合理分配碟形弹簧和板弹簧所受载荷。根据碟形弹簧所受载荷，选择合适系列，确定其他有关参数，最后进行碟形弹簧的刚度校核。根据板弹簧所受载荷以及有关原始数据，确定各个相关参数，最后校验板弹簧的刚度。1.4 本课题的主要研究内容本课题主要研究一种辅助无人驾

19、驶试验车行驶，并且能对无人驾驶试验车起缓冲保护作用的侧轮支撑机构，因此需要从侧轮支撑机构所要实现的功能出发，结合无人驾驶试验车的整体结构，设计出一套较完整方案。本课题主要研究内容具体如下：1. 总体结构方案设计1) 辅助行驶、预紧、缓冲保护的工作原理：如何实现辅助行驶、预紧、缓冲保护三个主要功能，在实现过程中需要考虑的影响因数。2) 工作安排因为侧轮支撑机构主要分两大部分：支撑部分和缓冲部分。支撑部分是无人驾驶试验车侧轮支撑机构的框架，所以先设计支撑架，结合支撑架与缓冲机构之间联系，再对缓冲部分的进行设计。2. 总体方案的建立主要包括：1) 结构的设计2) 零件的设计3) 整体的装配3. 辅助

20、行驶原理研究及方案设计1) 辅助行驶原理在无人驾驶试验车两侧安装支撑架和侧轮，并且用拉伸弹簧将侧轮连接一支撑件上。侧轮在墙面行驶，由于预紧力和支撑机构的限制作用，无人驾驶试验车按预定轨道行驶。2) 方案设计根据辅助行驶原理设计一套合理可行方案。选用合适的拉伸弹簧，保证拉伸弹簧提供较小预紧力。4. 缓冲保护方案建立主要包括：1) 结构设计2) 碟形弹簧的选择3) 板弹簧的选择4) 整体的装配第二章 总体方案设计根据无人驾驶试验车的总体设计方案和试验要求完成无人驾驶试验车的侧轮支撑机构的总体设计，研究辅助无人机使试验车行驶时需要解决的问题，以及突发情况下的撞击问题，设计辅助行驶的支撑机构和缓冲保护

21、机构。支撑机构是无人驾驶试验车侧轮支撑机构的支撑件，辅助无人驾驶试验车正常行驶。侧轮和缓冲保护机构安装在支撑架上，所以要合理安排结构，保证结构稳定、功能实现。缓冲保护机构尽量安装在支架上，在不影响无人驾驶试验车正常行驶的情况下，能实现突发情况下对无人驾驶试验车的缓冲保护作用。2.1 支撑机构方案设计辅助无人驾驶试验车正常行驶是通过支撑机构和侧轮实现的。在正常行驶过程中，无人驾驶试验车侧轮通过侧轮支撑机构与道路两边的墙面接触定位。另外还在侧轮与侧向支撑板之间加一根拉伸弹簧。如果无人机使试验车行驶轨迹偏转，拉伸弹簧提供的预紧力作用，会使其回到预定轨迹。整个支撑机构主要是由连杆机构和侧轮组成。连杆机

22、构作为支撑架，由支撑轴和斜拉杆组成，并且设计两组相同的连杆机构，由紧固件将其连接紧固在一起。侧轮安装在支撑轴之间由支撑组件定位，架在侧向支撑轮转轴上，在两侧的墙面上行驶。在设计支撑机构时，还需考虑缓冲保护机构的安装位置。另外，为了保证结构的稳固性，还需要加设一些固定杆。所以最后要求结构尽可能简单且稳定牢固。考虑综合因数，设计合理结构。连杆机构通过销轴固定在连接座上，连接座则固定在试验车的侧面。支撑轴通过销轴与连杆相连，另一侧与支撑板连接，支撑板固定在支撑板座和支撑轴之间。支撑机构支架如Error! Reference source not found.所示。支撑轮连接头连接座销轴支撑轴紧固件斜

23、拉杆图3-4 支撑机构机架2.2 缓冲机构方案设计在路面材料加速加载试验中所使用的加速加载试验车一般重要，制造成本高，因此需设立缓冲保护机构。缓冲机构是此次课题设计中需要重点考虑的结构。结合以往试验研究成果，发现要保证路面材料加速加载试验的顺利进行对加速加载试验车的保护是研究的一个重点。在机械缓冲方式中，油气式液压减振器是相对较好的减振缓冲装置。但秉着设计者的思想，我们需要不断思考进取、研究创新，设计更多的可行方案，不断改进完善。在其他一些设备和试验中，经常采用弹簧作为缓冲装置。经过仔细研究思考，发现采用刚度较大的组合弹簧作为缓冲机构是一种可行的方法。因为弹簧的弹性特性，而且刚度越大的弹簧弹性

24、力越大，所以大刚度的组合弹簧可以缓冲巨大的撞击力。只需要在常用弹簧中选用大刚度弹簧。因为撞击力较大，单种弹簧不能完全缓冲全部撞击力，所以考虑两种刚度较大的弹簧组合。根据已经设计好的支撑机构，可以在支架上合理安排组合弹簧的安装位置，尽可能使整个无人驾驶试验车侧轮支撑机构结构简单。在轮胎爆胎、断电等突发情况下，无人驾驶试验车因为惯性继续高速向前行驶撞向两侧墙面，先由一种弹簧缓冲一部分撞击力，再有另一种弹簧缓冲剩余撞击力，从而保护无人驾驶试验车。2.3 总体设计思路无人机使试验车侧轮支撑机构的设计主要是由两大部分组成：辅助试验车行驶的侧轮支撑机构和缓冲保护机构。要实现辅助试验车行驶和缓冲保护两个重要

25、功能的方法比较多，但实用的不多。在设计时，关键是要能同时实现上述两个功能且方案简单可行，制造费用低，经济实用。而在本课题设计中，采用的是连杆机构和组合弹簧，两者都是常用的简单结构，易于生产制造且性价比高。在研究设计时，根据三角形稳定性原理，将支撑架设计成三角形。采用简单的连接座连接试验车侧面和连接杆。通过铰链连接连接杆和支撑轴，改变支撑轴的长度就可以改变整个无人驾驶试验车侧轮支撑机构的长度。支撑轴则固定在与连接座在同一水平线上的支撑板座上。为了使结构更加稳定牢固，能承受巨大的撞击力，使用了双连杆机构，只需用紧固件将两根连杆紧紧连在一起7。在两支撑轴上铬套一个连接头，侧轮的中心转轴固定在两连接头

26、中间，再将转轴套筒套在中心转轴上。侧轮由轮毂和橡胶轮缘组成，套在转轴套上，再用密封端盖将两者固定。在支撑轴的另一端固定一支撑板，在支撑板上连一根弹簧拉杆。弹簧拉杆螺纹一端用螺母固定，拉伸弹簧挂在另一端。拉伸弹簧的另一头与连接板连接。用固定板将拉伸弹簧连接板固定在连接头与固定板之间。合理安排各个零件的位置后，设计出的侧轮和支撑机构如Error! Reference source not found.所示。侧向支撑轮连接头板弹簧组件碟形弹簧限位套图5-6 侧轮和支撑机构在侧轮和支撑机构框架完成之后，在此基础上再设计缓冲保护机构。在仔细查阅相关资料后，确定选用碟形弹簧和板弹簧作为缓冲装置。经过分析，

27、决定碟形弹簧采用组合碟形弹簧，组合形式为对合组合。将碟形弹簧对合组合后，用弹性碟簧限位套将碟簧限定在碟簧支撑轴和板弹簧组件之间。这样合理利用了支撑轴上的位置，避免了结构复杂化。根据板弹簧的类型和用途，选择半椭圆形板弹簧，板弹簧的钢板为矩形截面。根据撞击力的大小和板弹簧的受力，设计计算板弹簧的各个参数，校验符合刚度要求后，绘制板弹簧组装图。板弹簧安装在低刚度的板弹簧组件之间，在保证不予侧轮发生干涉的前提下，定位于碟形弹簧限位轴套和侧向支撑轮连接头之间。在总体方案设计的整个过程中，辅助无人驾驶试验车行驶的支撑机构的设计是先行的。在完成支撑机构的框架设计后，设计缓冲机构。缓冲机构设计完成后，选择合适

28、的位置安装碟形弹簧和板弹簧。最后对整个侧轮支撑机构进行修改和调整，使结构最简化且不发生干涉，这样才完成无人驾驶试验车侧轮支撑机构的整个设计。2.4 本章小结本章的主要任务是就无人机使试验车侧轮支撑的辅助试验车行驶的侧轮支撑机构和缓冲保护机构的设计思路做简单的介绍，再配上侧轮和支撑机构的设计图，使大家对设计有个整体的认识。第三章 支撑机构设计在上一章已经确定采用连杆机构作为无人驾驶试验车侧轮的支撑件，但是在自由度为零的前提下，能作为支撑件的结构形式有多种。因此，选择最简单、容易实现的连杆机构做支撑件。3.1 支撑机构3.1.1 方案选择支撑机构安装在无人驾驶试验车的侧面，有效利用试验车的侧面，可

29、以帮助简化支撑机构。在本次课题设计中研究了两种侧轮支撑机构的总体结构方案设计，都有各自的优缺点。下面就将两种方案进行对比，确定可行的最终方案。Error! Reference source not found.直接利用无人驾驶试验车的测面，在上面固定长形支撑板，侧轮直接安装在支撑板的两端。在试验车侧面和支撑板之间有一定的空间，用来安装缓冲机构，整体结构如Error! Reference source not found.所示。优点：结构简单，装配简单，安装方便。因为直接选用长形支撑板作为主要的支架，所以制造加工很简单，很容易满足强度要求，成本较低。缺点：长形支撑板的两端安装侧轮，在中间部分固定

30、。路面材料加速加载试验的道路是环形的，在直道上试验车能稳定行驶，在弯道上行驶时，容易发生碰撞或行驶不畅。因为使用了大块的钢板做支撑板，浪费材料。Error! Reference source not found.采用连杆机构作支架，为了满足强度要求，用两组相同连杆机构作支撑，最后在固定在试验车侧面。侧轮安装在短轴之间，合理利用轴支架的空间安装缓冲机构。支撑机构如Error! Reference source not found.所示。优点：可以改变短轴长度改变整个侧轮支撑机构的在侧向的长度，在整个环形道路中都能顺畅行驶，不受弯道影响。缺点：对连杆结构和各零件接的紧固件的强度要求较大，装配比较麻

31、烦，零件较多，比较费精力。 总结，根据两种方案的比较分析，方案2比方案1更可行，但仍然存在一些问题需要改进。支撑机构图3-1 方案一3.1.2 零部件设计在无人驾驶试验车的侧面安装连接座，斜拉杆通过轴销固定在连接座上，斜拉杆可以转动。在斜拉杆上过盈配合一根紧固件，两根斜拉杆上的紧固杆用紧固螺纹套固定。两连接座之间的距离由侧轮宽度和侧向支撑轮轮连接头决定。所以先选定大小合适的侧轮，再固定在两个侧轮连接头之间，最终确定两支承座之间的距离8。斜杆上不安装其他零件，直接采用直轴，在两端设连接头，材料为20号钢。由图中可直接看出斜杆主要部分为回转体，因此其加工可在车床上完成，杆端的U形槽是为了与另一根支

32、撑轴连接，其尺寸有支撑轴的连接头决定。考虑到在撞击时产生的巨大撞击力，选择斜拉杆轴直径为80mm9。侧轮支撑机构在侧向的长度由支撑轴的长度决定，根据路面材料加速加载试验所用的道路宽度4.5m，试验车车体长度、宽度，预留支撑座的长度，大致确定支撑杆的长度。支撑杆轴做成阶梯形便于在轴上安装其他零件，材料为20号钢，具体尺寸如Error! Reference source not found.所示10。图3-2 支撑轴尺寸图侧轮连接头是连接支撑轴与侧轮的主要件，强度要求不高，材料为45号钢，属于配合件，所以其尺寸由侧轮的中心转轴和支撑轴的尺寸决定。侧轮连接头套在支撑住的长轴上，用挡板和螺钉定位。考虑

33、其连接两个零件，所以采用T字筒型，为使结构稳定，加设了筋板。具体结构如Error! Reference source not found.所示。图3-3 侧轮连接头将设计好的侧轮组件安装好后，在支撑轴另一端连接支撑板板，支撑板上连接的弹簧拉杆。调整弹簧拉杆，可以改变弹簧的长度，也就可以确定弹力。最后设计提供200kN预紧力的拉伸弹簧。3.1.3 拉伸弹簧设计设计要求弹簧提供200N的预紧力，螺旋弹簧的刚度比较小，可以满足要求。根据螺旋弹簧的类型和适用场合，确定采用圆柱螺旋拉伸弹簧。根据给定条件，以下是圆柱螺旋拉伸弹簧的设计计算过程11。1. 根据工作条件选择材料并确定其许用应力因为拉伸弹簧在一

34、般载荷条件下工作，但是工作环境多变，所以弹簧选用不锈钢丝。估取弹簧钢丝直径为8 mm，在弹簧中径常用值表中选弹簧中径值为80 mm。拉伸弹簧的极限强度b=1275 MPa，可知p=0.32b=0.321275 MPa=408 MPa。2. 根据强度条件计算弹簧钢丝直径系数K=1.145，现选取旋绕比于是有材料的计算直径MPa选用弹簧钢丝直径需满足d3.8 mm。估取值d=8 mm3.8，满足要求。根据刚度条件计算弹簧圈数3. 弹簧圈数的计算公式式中，切变模量G=71000 MPa，工作行程h=10 mm,计算得n=9.1，取n=10圈。此时弹簧的刚度Nmm修正后取Kp=7.1 Nmm4. 验算

35、弹簧初拉力N初应力值 MPa当C=10时，0的推荐值为2498 MPa，故此初应力值合适。极限工作初应力lim=1.12p=1.12408=456.96 MPa极限工作载荷 N弹簧的工作载荷200 NPlim，处在安全工作状态。确定螺旋拉伸弹簧的基本参数和相关尺寸后，即可绘制零件图如Error! Reference source not found.所示。拉伸弹簧安装的弹簧拉杆和弹簧拉板之间，调整弹簧拉杆来调整弹簧的拉伸长度，使预紧力在200 N左右即可。图3-4 拉伸弹簧零件图3.2 本章小结本章主要介绍了支撑机构的零部件的组成，并且对主要零件进行了系统的讲解，经过分析确定了零部件的最终选择

36、的材料和尺寸。最后将已设计好的零件经过合理装配成最终的支撑机构整体装配图。 第四章 缓冲机构设计缓冲机构是无人驾驶试验车的保护装置，在无人驾驶试验车失控撞到两侧墙面时，要缓冲巨大的撞击力，保护试验车其他机构、零部件不受损伤。根据第2章的设计方案，设计缓冲的零件、固定件，解决缓冲装置与支撑机构的安装配合问题，确定最终的缓冲机构零件图和整体装配图4.1 缓冲机构的设计缓冲机构的设计主要是设计用作缓冲的零件和装置，另外还需要在已经完成的支撑机构设计的基础上，考虑缓冲器的安装和所有剩余零部件的整体布局。最主要的是在不干涉试验车侧轮支撑机构的稳定性和强度的前提下，使整体结构简化，整体布局更加合理，同时还

37、要考虑到整个侧轮支撑机构安装拆卸方便的问题。4.1.1 撞击力的计算无人驾驶试验车在试验过程中极有可能碰上一些突发情况，例如：突然断电，、车轮爆胎、系统控制发生紊乱等，便会与试验道路两边的墙体发生碰撞。由碰撞时产生的撞击力确定墙体的材料、厚度等，保证墙面不会被撞倒，还可以根据撞击力的大小对无人驾驶试验车做相应的保护措施。所以碰撞时产生的撞击力是一个非常重要的参数，也是缓冲机构设计的重要依据。确定无人驾驶试验车对墙体的撞击力，可以保证整个试验系统的安全性。碰撞时产生的撞击力分为横向撞击力和轴向撞击力，在这里主要考虑横向的最大撞击力是通过公路交通安全设施设计规范中的碰撞力计算公式导出的。但是参数和

38、条件不够，所以还需要参考美国碰撞实验实测大型车与预测的横向撞击力关系。综合两者分析，最终预测得到横向最大撞击力F1的计算公式为12：在式中 F1是最大碰撞力,kN； M是试验车质量,kg； V是试验车碰撞速度,m/s； 是试验车碰撞角度,；c是试验车质心距前保险杠的距离,m；b是试验车宽度的一半,m；z是横向变形量,m。在式中，取c=2m；b= 1.4m，z=0，根据预测的横向最大撞击力F1的计算公式和离心力与无人驾驶试验车车速的关系式：通过计算得到当斜坡角度=5时，最大F1=109kN；当斜坡=10时，计算出最大值F1=225kN。根据上面的计算结果，因为安全因素的存在，综合考虑，确定了横向

39、的最大撞击力。在环形道路的弯道路段横向的最大撞击力F=300kN；在直道路段和过渡路段的横向最大撞击力F=200kN，并且侧向辅助支撑车轮的高度不能低于2.2m。4.1.2 零件设计根据上面撞击力的计算，确定撞击力在200kN左右，破坏力很大，所以对缓冲吸振装置要求很高。尽管弹簧中有作缓冲实用的，但能够单独承受巨大的撞击力的很少，且结构复杂。考虑综合因素，决定选用两种弹簧组合使用。两种弹簧的刚度不同，所能够缓冲吸收的撞击力也不同，所以要合理分配。考虑侧向支撑机构的轴向空间有限，所以选用了刚度大，具有变刚度特性，缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷的碟形弹簧。碟形弹簧在机械中的应用范围非常广泛，

40、甚至在一些重型机械和大炮、飞机等武器中，常用作强力缓冲和减振弹簧，以及在汽车和拖拉机离合器及安全阀或减振阀中用作压紧弹簧。普通碟形弹簧在机械产品中已经标准化了，根据标准GB/T 1972-2005，对其进行设计计算。根据碟形弹簧特性以及撞击力，以下是碟形弹簧的设计计算过程。1. 选择材料和系列根据碟形弹簧的工作条件，选择常用的碟形弹簧材料60Si2MnA，材料的屈服极限s=14001600 MPa。根据碟形弹簧的厚度选择无支撑面的碟形弹簧结构型式。根据碟形弹簧常用尺寸表，预先选择碟形弹簧的内径为82mm。根据碟形弹簧内径，选择尺寸系列如下Error! Reference source not

41、found.所示。表4-1 碟形弹簧尺寸系列尺寸D(mm)d(mm)t(mm)h0(mm)H0(mm)Pf或f=0.75h0(N)(mm)(MPa)A系列16082103.513.52.63=1340B系列1608264.510.5411003.38=1110C系列160824.35.69.9218004.2=1240 由上表，采用单片碟形弹簧不能满足要求。所以采用组合弹簧，可以有两种方案，一是A系列中的碟形弹簧对合组合，二是B系列中的碟形弹簧复合组合。对比两种组合方式，最终选用A系列中的碟形弹簧对合组合。2. 确定对合组合的片数碟形弹簧计算载荷公式式中：E弹性模量，MPa； 泊松比； C外径

42、和内经的比值，； t碟形弹簧的厚度，mm； h0碟形弹簧压平时变形量的计算值，mm； K1，K4计算系数。根据已知条件查表得出，式中E= MPa，=0.3，C=2，t=10 mm，h0=3.5 mm。因为采用无支撑面的碟形弹簧结构型式，故系数K4=1。则故带入参数计算得 N给定条件单片碟形弹簧所受载荷为P=50000 N，故求得由单片弹簧特性曲线图，查得A系列所以单片碟形弹簧在载荷作用下的变形量f=0.85h0=0.853.5=2.9753 mm。需要的碟形弹簧片数为最终取n=7。由此可以确定未受载荷时组合弹簧的自由高度 mm在受到50000 N的载荷作用时的高度 mm3. 计算压应力以及刚度

43、校核碟形弹簧被压平时，表面受到的压应力带入已知条件和参数计算 MPa可知碟形弹簧的压应力与弹簧材料的屈服点接近。然后计算碟形弹簧的刚度，刚度的计算公式如下带入所有参数后，求得P=7556.52 Nmm。根据Error! Reference source not found.中的数据，结合计算结果表明A系列对合组合的碟形弹簧组合，能够满足要求。碟形弹簧可承受的载荷Pc=58940 N，对合组合的碟形弹簧片数n=7，所以对合组合的碟形弹簧组合可以承受载荷P=758949 = N41 kN。以上就是缓冲机构中碟形弹簧的设计。设计好碟形弹簧后，接下来完成装配工作。碟形弹簧是用来缓冲侧轮撞击墙面的撞击力

44、，而且一般安装在轴上。在已经设计好的支撑机构中，侧轮是固定在两侧轮连接头之间，侧轮连接头又套在支撑轴上，所以决定碟形弹簧安装在支撑轴上，直接套在轴上由轴肩定位。另外还要保证碟形弹簧对合组合紧密，还需在碟形弹簧外碟形弹簧限位套，限位套的尺寸由碟形弹簧组合决定。最终确定碟形弹簧的零件图如Error! Reference source not found.所示，装配图如Error! Reference source not found.所示。图4-1 碟形弹簧零件图碟形弹簧组合图4-2 碟形弹簧装配图缓冲装置除了采用碟形弹簧是不能满足要求的，所以还是用了板弹簧，板弹簧也有缓冲和减振的作用。板弹簧一般

45、用钢板组成，根据形状和传递载荷方式的不同，选用半椭圆形的。已经计算出轴向最大撞击力约为200kN，碟形弹簧组合缓冲了约41kN，剩余的撞击力应由板弹簧缓冲。板弹簧所有叶片厚度相同，为10 mm，由此确定板弹簧材料为55SiMnVB，其力学性能屈服极限为1225 MPa，强度极限为1372 MPa。根据推荐关6bh12，选择叶片宽度为100 mm。用于缓冲的板弹簧叶片数一般为614，取叶片数为6。在计算板弹簧时，一般把它看成是等强度梁。也就是说，当梁的自由端承受载荷时，在梁的各个截面中就产生与该截面到固定端的距离成比例的弯曲应力。在设计板弹簧时，着重考虑板弹簧的两个参数：板弹簧的静挠度fc和板弹

46、簧的伸长直径L。根据fc=100 mm，L=500 mm，对各叶片长度进行计算。最后进行板弹簧的刚度计算以及刚度的校核，为比较准确地计算出板弹簧的刚度，采用下式式中 修正系数，取值范围0.870.83，轻型汽车采用上限，载重汽车采用下限；故取值为0.83。通过计算得出板弹簧的刚度2126Ncm，满足要求。板弹簧的零件图设计完，接下来设计板弹簧的其他组件。碟形弹簧组合和板弹簧一起组合成缓冲机构，所以应将板弹簧与碟形弹簧组合安装在同一跟轴上。板弹簧的固定件可以与碟形弹簧限位套连接，另一端用压板压紧。根据侧向支撑轮的连接头与碟形弹簧组合件之间的轴向距离设计板弹簧固定件的弧高和曲率半径。固定件的尺寸由

47、板弹簧的零件尺寸和支撑轴的尺寸决定，最重要的是最终板弹簧组件不会与侧向支撑轮发生干涉，影响侧向支撑轮的行驶。两片固定件的片端与压板用四个六角头螺栓紧固，六角头螺栓是标准件，尺寸为M1655。完成板弹簧组件的设计，整个缓冲机构的设计也就完成了，将设计好的零件安装在支撑结构。最终装配图如Error! Reference source not found.所示。图4-3 缓冲机构装配图4.2 本章小结本章主要是按方案分析对支撑机构和缓冲机构的零件进行设计，再对零件进行强度和刚度的校核，确定所有零件的尺寸。最后装配所有的零件，对结构做细节调整，完成最终的装配图。第五章 运动分析和仿真路面材料加速加载试验道路