【文章內容簡介】 于加工誤差和裝配誤差很敏感，小車的行進軌跡可能會發(fā)生偏移，加上本次設計要求：兩障礙物之間的距離在 300mm500mm 之間變化，因此就必須加上微調機構，對誤差進行修正，使小車走一條最優(yōu)的軌跡。 綜合各方面的因素，使得小車真正實現微調，我們選用了可調節(jié)連桿機構，通過螺栓調節(jié)連桿長度，使連著前輪的桿 a 長度發(fā)生變化，進而影響前輪最小擺角，加上改變輪子的直徑，使得小車走過的路程發(fā)生變化，從而改變“ 8”字大小的變化，如圖 。 圖 可調節(jié)連桿 3 無碳越障小車各機構設計 12 3 無碳越障小車各機構設計 原動機構的設計 原動機構的設計包括重物 支撐架的設計、滑輪的設計以及飛輪的設計。 重物支撐架的設計 重物支撐架的作用是固定滑輪，懸掛重物的支架。重物支撐架的設計包括兩個部分：重物支撐桿和重物支撐架。 重物支撐桿支架采用 3 根 M5 的碳鋼絲桿成等邊三角形分布，可以防止重物在下降的過程中晃動，支撐桿的長度為 450mm。 重物支撐架采用硬鋁制成，要求三個孔的相對位置要完全和地板上的三個孔的位置匹配，不然重物支撐桿就會傾斜，影響 小車的正常運行。重物支撐板的三個空的直徑為 6mm，通過螺母在重物支撐桿上固定。支撐架上有三個 6mm 的孔，用于滑輪的軸的徑向定位。重物支撐板的結構，如圖 。 圖 重物支撐架 滑輪的設計 小車的原動機構采用滑輪懸掛，其上掛有一根伸縮性較小棉線，在棉線的一端掛有一重塊，另一端則纏繞在小車驅動軸的飛輪上，中間懸掛在支撐架上的滑輪上。當重塊下落時通過棉線拉動滑輪轉動，從而帶動飛輪旋轉，以此通過傳動機構驅動小車后輪旋轉，驅動小車向前行駛。 3 無碳越障小車各機構設計 13 滑輪設計成錐形，在起始時原動輪的轉動半徑較大，起 動轉矩大，有利起動。起動后，原動輪半徑變小，轉速提高，轉矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。當物塊距小車很近時，原動輪的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動輪勻速轉動，但是由于物塊的慣性，仍會減速下降，原動輪的半徑變小，總轉速比提高，小車緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車。 小車上的定滑輪由 3 根直徑為 6mm 的碳鋼絲桿支撐，將提供能量的重物通過定滑輪懸掛在有效高度為 400177。 2mm 的重物支撐架上使其自由落下，為小車前進提供能量。同時保證重物在下落的過程中不會晃動。 圖 不同力臂時力矩示意圖 由于質量為 1Kg 的重塊（￠ 50 65 mm，普通碳鋼）通過棉線繞過定滑輪轉動時，在定滑輪上形成一個驅動力矩 M，原理如圖 所示。由公式： FRM? ]8[ 可知滑輪半徑（動力臂）越大，形成的驅動力矩就越大。根據這個結論，我們可以在保證車身長度一定的前提下，把定滑輪的半徑盡可能的取得大的值。為保證重物在下落過程中保持勻速，在滑輪上繞棉線時，在滑輪上多繞幾圈，這樣可以有效減慢重物下降的速度，提高能量的利用率。圖 為滑輪的三維模型 。 圖 小車的滑輪 3 無碳越障小車各機構設計 14 飛輪的設計 驅動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力，飛輪設計有大直徑輪，便于小車啟動，重物下落時，直接帶動小車軸轉動，從而帶動小車前進，這種方法很易實現，又方便制作。同時為了防止重物因轉向等原因搖擺導致小車側翻，在重物下落垂直方向上用絲桿固定重物下落軌跡。所以我們的繞線部分直接纏繞在直徑20mm 的飛輪上使小車行進更加平穩(wěn)連續(xù)，飛輪模型如圖 。 圖 小車飛輪模型 傳動機構的設計 傳動機構方案確定后，需要確定小車傳動機構的具 體參數，圖 為小車機構簡圖。與軌跡直接相關的小車幾何參數有： 齒輪總傳動比ｉ； 前、后輪半徑ｒ； 前后軸距Ｌ； 驅動輪和轉向輪的偏置距離ｅ； 前輪橫桿 a； 前輪橫桿 b。 3 無碳越障小車各機構設計 15 ； ； ； ； ； ； ； ； 圖 無碳小車機構簡圖 齒輪的設計 在傳動機構齒輪的設計上，采用一級齒輪傳動。通過定滑輪帶動飛輪，同時帶動同軸相連的主動齒輪并將其作為轉向機構的基本動力來源，再帶動后輪軸上的從動齒輪，將從動齒輪得 到的能量作為后輪轉動動力來源。 ]7[ 按照傳動比的選擇原則 ]9[ ，同時考慮到小車在行駛時要求傳動比準確和加工工藝性，將傳動比初步確定為 1： 6，大齒輪齒數為 96，小齒輪齒數為 16，見表 。即飛輪轉一圈車輪轉 6圈，較大的傳動比和后輪直徑可以使小車前進更遠的距離。 表 齒輪參數 序號 模數 齒數 中心孔 /mm 分度圓直徑 /mm 厚度 /mm 大齒輪 96 15 72 3 小齒 16 5 12 6 為 了減輕小車的重量，將大齒輪確定為 3mm 厚的片齒輪，質量為硬鋁，圖 為齒輪的三維模型。選擇小模數齒輪可以有效的減小小車前進時的阻力，模數太小又會增加制造難度、加工成本和齒輪的使用壽命。所以，將齒輪的模數確定為 。齒輪通過軸套與軸配合，這樣可以保證齒輪的軸向和徑向定位。考慮到現有的加工能力，齒輪采用線切割機床進行加工。 3 無碳越障小車各機構設計 16 圖 齒輪的三維模型 前后輪的設計 建立“ 8”字軌跡理想模型，如圖 。 圖 “ 8”字理想軌跡 小車由 O 點出發(fā)，依次經過 A、 B、 O、 C、 D、 O 完成一個周期，假設兩障礙物之間的距離是 300mm，及兩圓的中心距離是 300mm， R=150mm 故 mm9422 ??? Rll CDAB ? AOD 直線距離 2300 ， AOD 圓軌跡距離 471，取平均值 所以小車一個周期走過的距離： 942+*2= 設后輪走 4 圈為一個周期，則后輪周長為 取后輪直徑 D=150mm，前輪直徑 d=30mm 為了減輕 小車的重量，將前、后輪的厚度確定為 5mm，材料為有機玻璃。 3 無碳越障小車各機構設計 17 小車轉彎狀態(tài)分析及前后輪偏距的設計 當小車向右轉向前輪轉角為θ（ｔ１）時，行駛狀態(tài)如圖 所示。 圖 前輪右轉狀態(tài) 由圖 可看出，設小車前輪轉彎半徑為 R1，后輪驅動輪轉彎半徑為 R2，根據速度關 系有： 2 1 2D B AV V VR R e R??? （ 1） DV wr? 1ta n ( )AwrVLL e t?? ? （ 2） 11c o s ( ) s in ( )BwrVLL t e t??? ?（ 3） 當小車向左轉向前輪轉角為 2()t? 時，行駛狀態(tài)如圖 所示 圖 前輪左轉狀態(tài) 3 無碳越障小車各機構設計 18 此時小車與向右轉彎時有類似的幾何關系，可得： 2ta n ( )AwrVLL e t?? ? （ 4） 22c o s ( ) s in ( )BwrVLL t e t??? ? （ 5） 簡化模型的軌跡方程 A點和 B 點在前輪轉角為θ（ｔ）時的瞬時速度，三輪車的模型可以簡化為二輪車 ，即自行車的模型。 設二輪小車某一時刻前輪轉角為θ（ｔ）， A 代表驅動輪軸心， 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 A’ B’，如圖５所示。當忽略二階小量 d2后，圖 可以表示為如圖 所示。 圖 模型實際轉彎狀態(tài) 圖 由圖 可得出： 39。 AdAA v dt? （ 6） 39。 39。/ c o s ( )dBB dAA t?? （ 7） 3 無碳越障小車各機構設計 19 sin sin ( ( ))39。d tdBB L??? ?? （ 8） 聯立（ 6） — （ 8） ta n ( )Avtd dtL?? ? （ 9） 2 22 ta n ( )39。 ( )Avtd d A A d d tL ????（ 10） 可見 2d 是二階小量，圖 的忽略是合理的。 據此可得α與時間的關系，以下在直角坐標系中求小車簡化模型的軌跡方程。某時刻小車方位ＡＢ， dt 時刻后小車位于 A’ B’，如圖 所示。 圖 直角坐標下 dt時間內小車的轉彎狀態(tài) 由圖 可得： 39。cosdx dAA?? （ 11） tandy dx?? （ 12） 結合（ 2）式、（ 4）式，以ｘＡ＝０， ｙＡ＝０，ｘＢ＝Ｌ， ｙＢ＝０為初始狀態(tài)，可得小車簡化模型中 A點，即小車驅動軸上 A點的軌跡方程： 0 cost Ax v dt??? (13) 0 tanxy dx??? (14) 基于小車車身上任意點在相同時刻的α變化相同，不僅 A點軌跡可以得到，其他點也可以用相似的式子得到。如驅動輪軸心點 D 軌跡 參數方程為： 0 cost Dx v dt??? (15) 0 tanxy dx??? (16) 轉向輪與后輪軸軸心距 d=170。 驅動輪 A 與轉向輪橫向偏距 a1=85； 驅動輪 B 與轉向輪橫向偏距 a2=85。 3 無碳越障小車各機構設計 20 傳動軸的設計 由于小車是一級齒輪組傳動，凸輪推桿機構轉向，所以我們只需要兩根傳動軸，這樣既減輕了小車的質量又減小了傳動誤差。兩根傳動軸的材料選用硬鋁，采用階梯軸的方式對軸上零件進行軸向定位，另外利用軸套對齒輪和后輪進行徑向定位。 圖 軸上零件的布置 兩根傳動軸的中心距公式 2 21 ）（ zzma ?? ]10[ 得： 422 )1696( )( 21 ?????? zzma 小車軸上零件的布置如圖 所示。 轉向機構的設計 轉向機構的選擇是無碳小車設計的關鍵部分，這直接決定著無碳小車的使用功能。轉向機構的結構也同樣需要盡可能的減少摩擦和耗能，機構的結構設計簡單，零部件易制作加工等基本條件，另外還需要有特殊的運動特性。該機 構的功能要求能夠將旋轉運動轉化為能滿足小車轉向要求的來回擺動，帶動前輪來回轉動以實現拐彎避過障礙物的功能，所以我們選擇的是凸輪推桿機構來作為轉向機構，轉向機構的材料全部為有機玻璃。 3 無碳越障小車各機構設計 21 凸輪的設計 凸輪設計：凸輪作順時針方向轉動 , 從動件運動方向過凸輪盤中心線，從動件在推程作等加速等減速運動 , 在回程作余弦加速度運動。 由于傳統(tǒng)的反轉法和 matlab 設計凸輪較為麻煩，所以通過利用三維設計軟件 SolidWorks 的 Toolbox 工具箱做凸輪機構的設計，通過凸輪基本參數建立凸輪三維實體模型，可 得到準確高精度的凸輪，省去了求軌跡點的步驟。 ]11[ 所以由小車走過的軌跡將小車分為 4 小段，即 AB=471； BOC=；CD=471。DOA=。 算出凸輪：推程運動角 176。、回程運動角 176。、遠休止角 176。、近休止角 176。、推程 47回程 47設置行程 h=20，基圓半徑 18。 通過 solidworks toolbox 凸輪設計，輸入各參數如下 ： 基圓半徑 R0= 18mm 滾子半徑 Rt= 4mm 推桿行程 h= 20mm 推程運動角 Φ = 176。 遠休止角 Φ s=176。 回程運動角 Φ’ = 176。 近休止角 Φ’ s=176。 從動件基本運動規(guī)律 多項式一般形式 ：20 1 2211 2 32223...( 2 3 .. . )( 2 6 .. . ( 1 ) )nnnnnns c c c cv w c c c n ca w c c n n c? ? ?? ? ?????? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? 式中， c0,c1,c2,..., 為待定系數，根據凸輪工作要求由邊界條件確定。對于多項式類運動規(guī)律，當