【正文】 理論可知：摩擦力矩和正壓力的關(guān)系為： .MN?? .........................................................................................................................② 而滾動(dòng)摩擦所受的阻力為： .MNf RR??? ...................................................................................................................③ 根據(jù)上述公式我們可以初步判定我們無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)原則，即小車質(zhì)量要輕，輪體直徑應(yīng)盡可能的大。 重塊距離小車底板部分的高度為 500mm,總體具有的重力勢(shì)能為 5J。 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型 符號(hào)說(shuō)明： 驅(qū)動(dòng)輪半徑 ： 齒輪傳動(dòng)比 ： 驅(qū)動(dòng)輪 A與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 ： 驅(qū)動(dòng)輪 B與轉(zhuǎn)向輪橫向偏距 ： 驅(qū)動(dòng)軸（軸 2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 ： 曲柄軸（軸 1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 ： 曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑 ： 搖桿長(zhǎng) ： 連桿長(zhǎng) ： 軸繩輪半徑 ： 2r a、驅(qū)動(dòng)： 當(dāng)重物下降 dh 時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 2?d ，則有 22 rdhd ?? 則曲柄軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度 idd 21 ?? ? 小車移動(dòng)的距離為 2?dRds ?? b、轉(zhuǎn)向： 當(dāng)轉(zhuǎn)向桿 和 驅(qū)動(dòng)軸間的夾角 ? 為時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 1? 則 ? 與 1? 滿足以下關(guān)： ? ? ? ? 1221211222 c o ss i ns i nc o s1 ???? ?????????? rrcbcl 解上述方程 可得 1? 與 ? 的函數(shù)關(guān)系式 ? ?1?? f? c、小車行走軌跡 只有 A 輪為驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)角度 ? 時(shí) 則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 1t a n ab ???? 小車行走 ds 過(guò)程中，小車整體 所 轉(zhuǎn)過(guò) 的 角度 ??dsd ? 當(dāng)小車轉(zhuǎn)過(guò)角度為 ? 時(shí)，有 ??????????c o ss indsdydsdx d、小車其他輪的軌跡 以輪 主動(dòng)輪 為參考，則在小車的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中， B的坐標(biāo) ? ?? ?0,21 aaB ?? C 的坐標(biāo) ? ?daC ,? 在地面坐標(biāo)系中，有 ?????????????s i n)(c os)(2121aayyaaxxABAB ???????????????s i nc oss i nc os11adyydaxxACAC 整理上述表達(dá)式有： ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????c o ss i ns i nc o ss i n)(c o s)(c o ss i nt a nc o s)s i ns i n()c o s1(112121112212112222122dayydaxxaayyaaxxdsdydsdxdsdabrrcbcliddrdhdACACABAB 為求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過(guò)設(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運(yùn) 動(dòng)軌跡如（圖 十四 ） 圖 十四 動(dòng)力學(xué)分析模型 a、驅(qū)動(dòng) 如圖：重物以加速度向下加速運(yùn)動(dòng)，繩子拉力為 T ，有 )( agmT ?? 產(chǎn)生的扭矩 122 ???? rTM ，（其中 1? 是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)。 圖 十一所表示的是 當(dāng)摩阻系數(shù)為 ，車輪半徑 每 增加 10mm 時(shí)的小車行走的距離與小車內(nèi)部 能量 轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo)圖 圖 十一 可知當(dāng) 小車的半徑每增加 1cm 小車便 能夠 可多前進(jìn) 1m 到 2m。因此應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦 力，從而減小損耗。下圖為當(dāng)車輪半徑分別為（ 75mm， 31mm）摩阻系數(shù)分別為 ， ， .....mm 時(shí)小車 的 行走的距離與小車 的 內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標(biāo) 圖如下 圖 十 由上圖 可知滾動(dòng)摩阻系數(shù)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)影響非常 明顯 ，因此在設(shè)計(jì)小車時(shí)也特別注意考慮輪子 使用何種 的材料，輪子的 應(yīng)當(dāng) 剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù) 應(yīng) 盡可能小。四方面考慮。 iR 是 第 i個(gè)輪子的半徑。小車輪與地面 之間 的摩阻系數(shù)為 ? ，理想情況下 可 認(rèn)為重塊的重力勢(shì)能都用在小車克服 摩擦力做功上 。 能耗規(guī)律模型 為了簡(jiǎn)化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機(jī)理。 通過(guò)對(duì)小車建立數(shù)學(xué)模型 能夠 實(shí)現(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計(jì) 以及 優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的效率 并且 得到較優(yōu) 秀 的設(shè)計(jì)方案。 如下圖所示： 圖 九 ：微調(diào)機(jī)構(gòu) 三 技術(shù)設(shè)計(jì) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段 時(shí) 完成小車的詳細(xì)設(shè)計(jì)并確定零部件的尺寸，將小車的各個(gè)部分 都 設(shè)計(jì)出來(lái)。另一方面：通過(guò) 可 使用微調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)矯正小車的軌跡，如 幅值 、 周期 、 方向等 因素 ， 使小車走一條最 佳 的 運(yùn)動(dòng) 軌跡。 本小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 確定 為采用 槽輪機(jī) +構(gòu) 曲柄連桿 +搖桿方案， 但是 由于 由于加工誤差和裝配誤差的 原因 ，而 曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于 裝配誤差 以及 加工誤差都 很敏感，因此就 一定要 加上微調(diào)機(jī)構(gòu)， 進(jìn)行調(diào)整從而 對(duì)誤差進(jìn)行修正 改進(jìn)， 對(duì)小車 行走路線 進(jìn)行矯正。 微調(diào)機(jī)構(gòu) 一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī) 構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī) 構(gòu) 、執(zhí)行 部件 、控制部分、輔助設(shè)備。 綜上所述 ， 行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng) 具 有恰當(dāng)?shù)某叽纾绻袟l件 。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速 是 依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束 來(lái) 確定的。但由于單向軸承 間 存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過(guò)程中 會(huì) 出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確， 是否會(huì)對(duì) 小車的功能產(chǎn)生影響還需進(jìn)一步分析。差速器涉及到 了 最小能耗原理，能較好的減少摩擦，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn) 需 要 的 運(yùn)動(dòng)。 雙輪同步驅(qū)動(dòng) 一定要有 有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦 系數(shù) 遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦 的 大 ， 會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過(guò)多的約束， 將 無(wú)法確定其軌跡，不能夠有效避免障礙 物 。 因 小車是沿著曲線前進(jìn)的， 所以 后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。 而滾動(dòng)摩擦阻力 RNRMf ???? ， 因此 輪子越大小車受到的阻力越小， 小車 能夠走的更遠(yuǎn)。 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)為 一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)從動(dòng)輪和一個(gè)轉(zhuǎn)向輪 ，輪子 的厚薄，材料和大小有不同，應(yīng)充分考慮。 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)尚存在柔性沖擊，故常常用于速度不太高的場(chǎng)合。 槽輪機(jī)構(gòu)一般應(yīng)用在轉(zhuǎn)速不高、要求間歇地轉(zhuǎn)過(guò)一定角度的分度裝置中 。 缺點(diǎn)是裝配精度高，造價(jià)高，不太適合低速運(yùn)動(dòng) 。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的） 棘形輪機(jī)構(gòu) 圖 七 ： 棘形輪機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)： 通過(guò)棘形輪的間歇性運(yùn)動(dòng)，使得 小車運(yùn)動(dòng)到 在描紅部分時(shí)，棘輪的帶齒部分未與齒輪嚙合，前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不 改 變，當(dāng)小車 運(yùn)動(dòng) 到黑線軌跡部分時(shí)，棘輪的帶齒部分與齒輪 相 嚙合， 此時(shí) 小車前輪轉(zhuǎn)向發(fā)生變化， 小車 進(jìn)入下一個(gè)圓中運(yùn)動(dòng)， 以此 類推，小車不斷地 作 重復(fù)“ 8”字進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)方案。 差速轉(zhuǎn)彎 差速 轉(zhuǎn)彎 是利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪， 因?yàn)?兩輪子的角速度一樣 但 轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不一樣，從而使兩個(gè)輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。 曲柄搖桿 曲柄搖桿 結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但和凸輪一樣有個(gè)滑動(dòng)的摩擦副， 因此 其效率低。 凸輪機(jī)構(gòu)的最大 優(yōu)點(diǎn)： 只要適當(dāng)?shù)?設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?線 ， 就 可使 推桿 得到各種 預(yù)期 的 運(yùn)動(dòng) 規(guī)律 ，而且 響應(yīng)快，機(jī) 構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、設(shè)計(jì)方便； 缺點(diǎn)：凸輪輪廓 線與推桿之間為點(diǎn)接觸、線接觸，易磨損，同時(shí)凸輪 加工比較困難。 凸輪 凸輪是 一個(gè) 具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件， 凸輪通常為主動(dòng)件作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，但也可作往復(fù)擺動(dòng)或者移動(dòng)，它與推桿配合是想轉(zhuǎn)向。能夠 把 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回 周期性的 擺動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪 向 左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避 物 障的功能。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本 無(wú)碳 小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能 能否實(shí)現(xiàn)，是小車設(shè)計(jì)中的核心 。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。 小車的傳動(dòng)精度要求很高，所以帶輪 不適合 作 本小車 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 是一種繞性傳動(dòng)。在不考慮其 它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。最后綜合各方面的因素，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是 傳遞運(yùn)動(dòng)，就是 把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。所以 我 選用了錐形的繞線 輪原動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣 就可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)力。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。 小車在 不同的場(chǎng)地 時(shí)，場(chǎng)地 對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場(chǎng)地小車是需要的 驅(qū) 動(dòng)力也不一樣。 車在 到達(dá)終點(diǎn)前重 物 豎直方向 上 的速度要盡可能小，避免對(duì)小車過(guò)大的沖 量 。我們?cè)O(shè)想使用飛輪作為儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)有這些要求。 在考慮到制作成本和加工的難易程