S型無碳小車設計方案答辯小組成員：張鵬遠、楊森、鄭銓、陳卓、艾買江目錄CONTENT設計要求第一章方案設計第二章運動分析第三章設計要求1設計要求題目一：“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統一使用質量為1Kg的標準砝碼（￠50×65mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，不可使用任何其他的能量來源。要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。要求小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。最終成品能在規定的賽道上走一個“S”型（圖2所示，賽道寬2米，障礙物間距為1米，障礙物為直徑20mm、高200mm的圓棒）方案設計2方案設計傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。車架原動機構傳動機構行走機構轉向機構原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁板加工制作成。車輛轉向機構用以控制各類輪式或履帶式車輛的行駛方向的機構。行走機構亦稱“行路機構”。汽車或拖拉機底盤的一部分。一、車架

車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加工成本等，車架采用鋁板加工制作成。其中三角形結構緊湊但不能攜帶落下的重物、矩形結構平穩但材料浪費且增加小車自重，而三角形和矩形綜合能匯集三角形和矩形的優點同時又避免了主要缺點，因此選用三角形和矩形綜合型。二、原動機構原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。小車對原動機構還有其它的具體要求。1.驅動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。4.機構簡單，效率高。而帶輪和鏈輪適用于電機作為動力的機構中。基于以上分析我們選擇繩輪式原動機構。三、傳動機構傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等。因鏈輪傳動成本較高且傳動的平穩性差，加工復雜，因此不適合小車的設計。帶輪具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高因此不適合本小車設計。齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定且塑料此輪成本較低。因此選擇使用齒輪傳動。四、轉向機構這次的比賽主要是繞距離1米的桿行走，所以轉向機構在這次的設計中起著至關的作用。而在我們的討論中，我們主要推出了兩個方案：1.凸輪加連桿2.凹槽凸輪機構對于1方案，我們認為凸輪可以隨著所需而加工成不同的形狀，這樣就可以準確定位小車的行走路徑。但是該方案的設計難度與加工難度過高，實際操作難以實現，因此我們排除1方案。對于2方案，通過高副接觸使從動件獲得連續或不連續的任意預期往復運動，該轉向機構具有結構緊湊、簡單、設計方便、高精確度等優點。五、行走機構

行走機構亦稱“行路機構”。汽車或拖拉機底盤的一部分。由于小車是沿著Ｓ型軌跡曲線前進，后輪必定產生差速問題。如果采用雙輪驅動，當小車在轉向時便會導致車身的不穩定，甚至是側翻，更難以保證運行軌跡的精確性。為了解決上述差速問題，筆者采用簡便、能耗小的辦法———單輪驅動，也就是將從動輪軸上的一個后輪作為驅動輪，其與從動軸建立必要的旋轉約束，以便傳遞扭矩；而另一個后輪則通過軸承套在軸上，不建立與從動軸的旋轉約束，在前進過程中配合主動輪的轉向能夠自動調速，從而保證小車前進過程中車身的穩定性，提高運行軌跡的精確性。凸輪尺寸設計：

１）確定基圓半徑。為防止凸輪在轉動過程中出現卡死現象，壓力角應盡量小一些。在布置推桿導路時，推桿相對凸輪的回轉中心應設置一定的偏距，在此取e＝4mm。通過計算以及校驗壓力角后可知＝30mm較為合適。２）確定滾子半徑。由公式＝（0.1～0.5）得＝3～15mm，取＝6mm。凸輪機構確定輪廓：

凸輪輪廓設計根據凸輪理論輪廓線的解析模型，在MATLAB環境下，編寫符合預定設計效果的Ｍ文件,生成的凸輪基圓、理論輪廓曲線、實際輪廓曲線:運動分析3一、位移方程設定小車轉向輪的運行軌跡如圖所示。根據每隔１ｍ設置一個障礙物的預定設計要求，可得出小車轉向輪運動軌跡方程：式中：L為障礙物的間距（ｍｍ）；A為小車中心偏離賽道的最遠距離（ｍｍ）。

由于前輪偏離水平位置的正切值即為運行軌跡線上每點處切線的斜率，所以式中：α為搖桿的轉角。

設導向桿的升程為h，位移為s，其中心線與轉向輪支架的距離為m，規定α在轉向桿右側為正，左側為負。當導向桿處于左、右極限位置時，前輪與水平位置有最大偏角，綜合考慮后取h＝6πmm，則m=20mm。由幾何關系可得：

由上式推導得推桿位移方程式：

設凸輪轉過的角度為φ。因為動力的限制，后輪直徑不宜過大，所以令凸輪每轉1圈，從動軸轉5圈。φ與x近似呈線性關系，即凸輪轉360°，小車在x方向上運行2m。可得推桿位移方程：二、與軌跡相關的幾何參數主從動軸距L；驅動輪和轉向輪的偏置距離e；后輪半徑R；齒輪總傳動比i；驅動輪轉速ω；前輪位置函數y（x）。其中L，e，R，i，ω為小車結構參數，是定值。三、轉彎狀態分析小車的轉彎狀態如圖所示。

設小車前輪轉彎半徑為R２，驅動后輪（主動輪）轉彎半徑為R１，根據圖可得：

（1）（2）（3）（4）簡化模型的軌跡方程當A點和B點位于前輪轉角為θ（t）時的速度瞬心，三輪結構小車模型可以簡化為二輪車結構。設二輪小車某一時刻前輪轉角為θ（t），A代表主動輪軸心，B代表轉向輪軸心。在一個微小的時間段ｄt內，小車由AB移動到A'B'，如圖所示。由圖可得

基于小車車身上任意點在相同時刻的α的變化量相同，可以得到車上任意一點軌跡參數方程。如主動輪軸心點Z軌跡參數方程為：（5）三、主動輪軌跡分析以障礙物間距為１０００ｍｍ時，主動輪的運行軌跡為例進行分析。首先假設L＝140mm，e＝50mm,R=120mm，i＝５，ω＝５rad/