S形轨迹无碳小车的结构设计(1)讲课稿

1、S形轨迹无碳小车的结 构 设 计( 1)S 形轨迹无碳小车的结构设计摘要： 针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，设计一辆通过重力驱动 的纯机械结构的无碳小车，且小车具有周期性越障功能。通过所学知识，设计并制 作该小车，参加比赛。设定不同的参数，借助工程软件MATLAB对小车的轨迹进 行仿真计算。通过分析，设计出一辆满足比赛要求的小车。并且通过调试证明，小 车能够稳定行驶，具有较高的可靠性。关键词： 无碳小车 越障 轨迹 仿真0前言本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于“S”形轨迹的要求，设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小车 小车为三轮

2、结构，前轮为方向轮；后面一轮为驱动轮，一轮为从动轮。小车具有可 调节的转向控制机构，以适应700-1300mm间距的不同间距障碍物。1小车结构设计精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2本文把小车的机构分为：原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身。除了轴承、螺栓螺母等标准件可以直接选用外，小车的其余部件均使用LY102铝合金制作。本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调，满足强度要求、实现不同距离的越障功能。下面是各个机构的设计：1.1原动机构设计原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能，从而驱动小车前进和转 向的机构。重物是1kg的标准砝码，重物周围是三根均布的钢管，从而

3、约束重物的 自由度，使重物直线下降，减少了能量损失，保证了小车重心的稳定性。重物通过 尼龙线绕在小车的绳轮上，在下降的过程中，带动绳轮的转动，实现了能量转换。 在实际测试中，证明了该结构简单、能量转化率高、成本低等特点。1.2传动机构设计传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽，本文设计的小车的传动机构由后轮、一级齿轮、及其相关零件组成。由于小车具有转向的功能，为不干扰 小车的转向，后轮采用差速连接。小车的右后轮为主动轮，左后轮为从动轮。主动 轮与传动机构相连，驱使小车的运动，从轮轮用轴承空套在后轴上，跟随小车的运 动。为了适应不同间距越障，同时增大小车行驶的距离，我们采用多组齿轮啮合的

4、方式将700-1300mm的间距大致分为三组：700900mm,9001100mm,11001300mmo分组后可根据不同障碍物间距，对应着不同组齿轮的啮合，从而精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3调整越障的幅度。与单组齿轮传动相比，这种传动方法越过的障碍物更多，行走距 离更远。下图是传动机构的齿轮分布图，通过移动后轮轴上的齿轮组，则可以切换 不同组齿轮的啮合。根据本文设计，两后轮轮距为150m m，且后轮的直径为150m m，且保证小车最逼近障碍物时的安全距离，即最小振幅为200mm。下面是三组齿轮啮合的具体计算：在间距为700900mm时，以满足最大桩距900mm，且轨迹

5、曲线为余弦曲线, 取x为小车轨道中心线位移，y为小车偏离中心线位移，单位为mm，则有xy0 200哄赢)1800 - 2对弧长进行积分得，f(x, y)ds0. 1 yodx2002mms2002mm时，最大振幅是330mm，此时桩距为700mm。在间距为9001100mm时，以满足最大桩距1100mm，则有x200cos()1100在间距为11001300mm时，以满足最大桩距1300mm，则有通过计算，当弧长为y1对弧长进行积分得，f (x, y)dss2370mmy；dx精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢4xy2200cos()13002600 - 2对弧长进行积分得，f

6、(x,y)ds01 y2dx2746mms因为我们利用线切割特种加工齿轮，齿轮的模数可以是非标准模数，故针对以 上三组数据，结合后轮的直径与一个周期轨迹的弧长，得到三组不同的传动比，计 算得到x 700 900,i04.25; x 900 1100,i,5.0; x 1100 1300, i25.8 ；1.3转向机构设计转向机构是小车的关键机构，是小车前进过程中实现周期性运动的重要保证。我们采用了空间曲柄连杆机构，实现了小车在行驶过程中，前轮左右周期性的 转动。该机构结构简单，稳定性较高，连杆之间使用球铰连接，摩擦阻力较小，方 向轮叉架与车身采用了推力球轴承和一对法兰轴承，减小转弯过程中的摩擦

7、阻力， 提高转轴的同轴度，保证了转向机构的稳定性和可靠性。F面是转向机构的杆长设计计算:精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢5根据后轮轮距为150mm,则取曲柄与车中心线距离为 f 55mm ,且与转向轮 连接的摆杆长度也为e 55mm，同时转向轮间与后轴的距离为b 138mm，根据小 车运动轨迹，计算小车的最大转角为桩距为700mm时的转角，通过计算在桩距为X700mm时，轨迹公式为， y 330 cos()700根据质心处转弯半径与前轮转角的关系为，r根据小车轨迹在计算小车的曲率半径为，r得tan 0.93，转角max43。此时对应曲柄和连杆的最大合长度x。通过计算得到最大

8、合长度 lmax133.3mm，且连杆长度m与曲柄长度n分别达 到各自的最大值，且根据长度关系m2n2952, m n 133.3，得 mmax100.5mm, nmax32.8mm。同理计算小车在桩距为1300mm时的最小转角。通过轨迹和曲率半径公式，得tan 0.16，转角min100。此时对应曲柄和 连杆的最小合长度 lmin。通过计算达到最小合长度为 lmin104.49mm，且曲柄和连杆分别达到各自的最 小值，根据长度关系2 2 2m n 95 , m n 104.49，得 mmin95.45mm, nmin9.04mm。综上，连杆长度 m (95.45,100.5)，曲柄长度 n

9、(9.04,32.8)，单位为：mm。(为前轮的转角)tan“2、1.5(1 y )y精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢6为本文加工零件提供了参数，同时也为调试时，提供了连杆长度和曲柄长度的范围。方便了后期的调试。图 7 转向机构三维示意图1.4微调机构设计微调机构是小车柔性的体现，调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距。无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调。曲柄的长度控制的是小 车行驶的周期即桩距，曲柄长度越长，周期越短，即适应障碍物的间距越短。连杆 的长度控制的是方向轮左右转角多少有关。根据轨迹对称性，所以要调整连杆的长 度，使左右转角尽可能相等，否则轨迹就会

10、偏离赛道，这决定了小车绕桩的情况。所以曲柄长度和连杆长度的调整恰当与否是比赛时的关键。因为轨迹线对两者长度 非常敏感的，所以要精确的调试两者的长度。本文使用的是类似丝杠的机构，用带 螺纹的的连杆和曲柄，并用螺母锁死。调整时拧松螺母，旋转螺栓，改变长度，这 样可以比较精确的调整曲柄和连杆的长度，提高了小车的可靠性。1.5车身车身是一切机构得以实现的载体，其主要承受的是重物的压力和地面对车轮 的反作用力。为了满足强度，本文采用3mm铝合金板，对不承受力且不影响强度 的地方，采取镂空精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7处理。2结论本次设计的小车的创新之处在于能适应不同的间距，采用不同传动比的齿轮啮 合，减小了行驶过程中的运动幅度，从而使小车行驶的距离更远。并且通过类似丝 杠的微调机构，通过拧螺丝的方式调整曲柄和连杆长度，从而更加方便、精确地调 整小车的行进间距。本文加工出了较高精度的零件，装配后进行了调试。实际应用 结果表明，设计加工出的小车具有较高的稳定性与可靠性，满足比赛要求。参考文献：1王斌无碳小车”的创新性设