S形轨迹无碳小车的结构设计(1)

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

2、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：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

3、，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。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方式,将700-1300mm的间距大致分为三组：700900mm,9001100mm，11001300mm。分组后可根据不同障碍物间距，对应

4、着不同组齿轮的啮合，从而调整越障的幅度。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。图3传动齿轮分布示意图根据本文设计，两后轮轮距为150mm，且后轮的直径为150mm，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y=200cos(0兀x9oo)对弧长进行积分得，Jf(x,y)d=卜00牯1+y'2d

5、=2002mmso0xs通过计算，当弧长为2002mm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y=200cos(兀x1100)对弧长进行积分得，Jf(x,y)d=J2200J1+y2d=2370mms01xs在间距为11001300mm时，以满足最大桩距1300mm，则有y2=200cos(兀x1300)对弧长进行积分得，Jf(x,y)d=J2600f1+y2d=2746mms02xs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

6、得到xg700900,i=4.25;xg9001100,i=5.0;xg11001300,i=5.8；012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。图6转向机构示意图下面是转向机构的杆长设计计算：根据后轮轮距为150mm，则取曲柄与车中心线距离为f二55mm，且与转向轮连接的摆杆长度也为e=55m

7、m，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，通过计算在桩距为兀x700mm时，轨迹公式为，y=330cos()3700b根据质心处转弯半径与前轮转角的关系为，r=一(9为前轮的转角)tan9根据小车轨迹在计算小车的曲率半径为，(1+yS)1-5得tan9=0.93，转角9=43o。此时对应曲柄和连杆的最大合长度l。maxmax通过计算得到最大合长度/=133.3mm，且连杆长度m与曲柄长度n分别达到max各自的最大值，且根据长度关系m2一n2=952,m+n=133.3，得m=100.5mm,n=32.8mm。maxmax同理计

8、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tan9=0.16，转角9=1Oo。此时对应曲柄和连min杆的最小合长度l。min通过计算达到最小合长度为/.=104.49mm，且曲柄和连杆分别达到各自的最min小值，根据长度关系m2一n2=952,m+n=104.49，得m=95.45mm,n=9.04mm。minmin综上，连杆长度mg(95.45,100.5)，曲柄长度ng(9.04,32.8)，单位为：mm。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微调机构设计微调机构是小车柔性的体现，调整它能使

9、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。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”的创新性设计J.山西大同大