8字无碳小车的设计与制作毕业设计说明书

8字无碳小车的设计与制作毕业设计说明书内容摘要：

动，就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并且按设计的轨道精确地行驶，传动机构应提高传递效率高、保证传动稳定、并且使其结构简单重量轻等同时还要考虑经济性和加工难易程度。 最后综合各方面的因素，设计出最优的传动机构。 常见的传动机构如下： ，直接由动力轴驱动驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单可减少小车的质量。 在不考虑其它条件时这是最优的方式。 但是在此处不适合作小车的传动。 带轮的结构简单，具有传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但是带轮的传递效率效率及传动精度并不高。 小车的传动精度要求很高，所以带轮不适合作本小车的传动机构。 、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定但价格较高，制造与安装精度要求高，价格昂贵，且不能用于传动距离较大的场合，分为开 式齿轮、半开式齿轮以及闭式齿轮。 因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。 综上的分析，小车的传动机构选用齿轮传动为最优，可保证传递的平稳性，同时也能保证传递精度，是这几种传动方式中最好的。 转向机构是本无碳小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能能否实现，是小车设计中的核心。 转向机构同样需要尽可能的减少摩擦耗能，这样才能减少能量损耗，增加能量的利用率，同时要保证尽量使结构简单机构越复杂，在机构中所损失的能量就越多，零部件已获得等基本条件，同时小车还需要有特殊的运动特性。 能够把旋转运动转化为满足要求的来回周期性的摆动，带动转向轮向左右转动从而实现拐弯避物障的功能。 能实现此种功能的机构有：凸轮机构 +摇杆 +曲柄、曲柄连杆 +摇杆、不完全齿轮 +曲柄 +摇杆，差速转弯等等，棘形轮机构。 凸轮 凸轮是一个具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮通常为主动件作等速转动，但也可作往复摆动或者移动，它与推杆配合是想转向。 它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的预期往复运动，这取决于凸轮的形状。 凸轮机构的最大优点：只要适当的设计适当的凸轮轮廓线，就可使推杆得到各种预期的运动规律 ，而且响应快，机构简单紧凑、设计方便； 缺点：凸轮轮廓线与推杆之间为点接触、线接触，易磨损，同时凸轮加工比较困难。 在无碳小车设计中由于：凸轮轮廓加工相当困难，尺寸不能够实现可逆的改变，精度要求高，因此很难保证，重量较大，增加了小车的重量，效率低能量损失大（滑动摩擦），因此不采用。 曲柄摇杆 曲柄摇杆结构较为简单，但和凸轮一样有个滑动的摩擦副，因此其效率低。 其急回特性导致难以设计出比较好的机构。 差速转弯 差速转弯是利用两个偏心轮作为驱动轮，因为两轮子的角速度一样但转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不 一样，产生了差速。 小车通过差速实现拐弯避障。 差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。 和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。 （由于加工和装配的误差是不可避免的） 棘形轮机构 图七：棘形轮机构 优点：通过棘形轮的间歇性运动，使得小车运动到在描红部分时，棘轮的带齿部分未与齿轮啮合，前轮的转动角度不改变，当小车运动到黑线轨迹部分时，棘轮的带齿部分与齿轮相啮合，此时小车前轮转向发生变化，小车进入下一个圆中运动，以此类推，小车不断地作重复“ 8”字进行运动。 轨迹可以最 大程度优化，是理想的转向机构。 缺点是装配精度高，造价高，不太适合低速运动。 槽轮机构 图八：槽轮机构 槽轮机构由外槽轮机构和内槽轮机构之分，都可以用作平行轴之间的间歇传动，但前者槽轮与拨盘转向相反，而后者则于转向方向相同。 槽轮机构一般应用在转速不高、要求间歇地转过一定角度的分度装置中。 槽轮机构优点：槽轮机构结构简单，外形尺寸小，机械效率高，并能较平稳的、间歇地进行转位。 缺点：转动时尚存在柔性冲击，故常常用于速度不太高的场合。 综合分析后选择槽轮机构 +摇杆机构作为小车的转向机构。 行走机构为一个驱动轮，一个从动轮和一个转向轮，轮子的厚薄，材料和大小有不同，应充分考虑。 有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为  NM 对于相同的材料  为一定值。 而滚动摩擦阻力 RNRMf  ，因此轮子越大小车受到的阻力越小，小车能够走的更远。 但由于加工问题、材料问题、安装 问题等等，具体尺寸需要进一步分析确定。 因小车是沿着曲线前进的，所以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，单轮驱动。 双轮同步驱动一定要有有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦系数远比滚动摩擦的大，会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，将无法确定其轨迹，不能够有效避免障碍物。 双轮差速驱动能避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或者单向轴承来实现差速驱动。 差速器涉及到了最小能耗原理，能较好的减少摩擦，同时能够实现需要的运动。 单向轴承实现差速的原理是其中一个轮子速度较大的便成为从 动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着做主动轮。 但由于单向轴承间存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中会出现误差导致运动不准确，是否会对小车的功能产生影响还需进一步分析。 单轮驱动即只利用其中一个轮子作为驱动轮，一个作为导向轮，另一个则为从动轮。 从动轮与驱动轮间的差速是依靠与地面的运动约束来确定的。 其效率比利用差速器要高，但前进速度却不如差速器稳定，传动精度也比利用单向轴承高。 综上所述，行走机构的轮子应具有恰当的尺寸，如果有条件。 可通过实验来确定选用哪种差速的机构方案，如果规则允许可采用单轮驱动。 一台完整的机器包括：原动机构、传动机构、执行部件、控制部分、辅助设备。 微调机构是小车的控制部分。 本小车的转向机构确定为采用槽轮机 +构曲柄连杆 +摇杆方案，但是由于由于加工误差和装配误差的原因，而曲柄连杆机构对于装配误差以及加工误差都很敏感，因此就一定要加上微调机构，进行调整从而对误差进行修正改进，对小车行走路线进行矫正。 这是使用微调机构的一个最重要的原因。 另一方面：通过可使用微调机构来矫正小车的轨迹，如幅值、周期、方向等因素，使小车走一条最佳的运动轨迹。 所以微调机构的使用是必不可少的的，微调 机构使用得当可对小车轨迹进行修正，微调机构一般可以采用下面两种方式微调螺母式、滑块式。 如下图所示： 图九：微调机构 三 技术设计 技术设计阶段时完成小车的详细设计并确定零部件的尺寸，将小车的各个部分都设计出来。 在设计阶段应对小车的运动轨迹、转向等进行分析，在技术设计阶段设计时应充分考虑加工过程的成本和难易程度等各种因素。 通过对小车建立数学模型能够实现小车的参数化设计以及优化设计，提高设计的效率并且得到较优秀的设计方案。 充分发挥计算机在辅助设计中的作用。 能耗规律模型 为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。 设小车内部的能耗系数为1 ，即小车能量的传递效率为 。 小车轮与地面之间的摩阻系数为  ，理想情况下可认为重块的重力势能都用在小车克服摩擦力做功上。 则有 3131*iiiiRNgmNm g hsii总 iN 是个第 i个轮子对地面的压力。 iR 是第 i个轮子的半径。 iS 是第 i个轮子行走的距离 总m 为小车的总质量 为了更全面的了解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化，分别从 子与地面的滚动摩阻系数、 、 、。 四方面考虑。 查阅相关资料知道一般材料的滚动摩阻系数为。 下图为当车轮半径 分别为（ 75mm， 31mm）摩阻系数分别为 ， ， .....mm 时小车的行走的距离与小车的内部转换效率的坐标图如下 图十 由上图可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常明显，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子使用何种的材料，轮子的应当刚度尽可能大，与地面的摩阻系数应尽可能小。 同时，可看到车为轮提供能量的效率提高一倍，小车前进的距离也会提高一倍。 因此应尽可能减少小车内部的摩擦力，从而减小损耗。 因此应简化机构，并充分润滑。 图十一所表示的是当摩阻系数为 ，车轮半径每增加 10mm 时的小车行走的距离与小车内部能量转换效率的坐标图 图十一 可知当小车的半径每增加 1cm 小车便能够可多前进 1m 到 2m。 因此在设计时应当尽可能增大轮子的半径。 运动学分析模型 符号说明： 驱动轮半径： 齿轮传动比： 驱动轮 A与转向轮横向偏距： 驱动轮 B与转向轮横向偏距： 驱动轴（轴 2）与转向轮中心距离： 曲柄轴（轴 1）与转向轮中心距离： 曲柄的旋转半径： 摇杆长： 连杆长： 轴绳轮半径： 2r a、驱动： 当重物下降 dh 时，驱动轴转过的角度为 2d ，则有 22 rdhd  则曲柄轴转过的角度 idd 21   小车移动的距离为 2dRds  b、转向： 当转向杆和驱动轴间的夹角  为时，曲柄转过的角度为 1 则  与 1 满足以下关：     1221211222 c o ss i ns i nc o s1   rrcbcl 解上述方程可得 1 与。