【正文】 bBN cc 2??? ? 由于 b 比較小，故 241 bBM cc ??? 對(duì)于連桿的拉力 cF ，有 lrc 11 s i n2s in ?? ?? 21 c o s)c o s1(a r c s in2cc lc ? ???? ? ????? 12 s inc o s cccc cFM ?? ???? )s in ( 21 cc cFM ?? ???? c、小車行走受力分析 設(shè)小車慣量為 I ，質(zhì)心在則此時(shí)對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心 O? 的慣量為 I? 14 ])[( 2321 aamII A ????? ? （平行軸定理） )()( 21221 aaRNdarNFI ABAccAA ????????????? ?????? 小車的加速度為： AAa ?? ?? 2raRaA ? 參數(shù)確定 單位： m 轉(zhuǎn)向輪與曲柄軸軸心距 b=。 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) 連桿廠 l 軸的繩輪半徑 r2 10 驅(qū)動(dòng)： 當(dāng)重物下降 dh 時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸（軸 2）轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 2?d ，則有 22 rdhd ?? 則曲柄軸（軸 1）轉(zhuǎn)過(guò)的角度 idd 21 ?? ? 小車移動(dòng)的距離為（以 A 輪為參考） 2?dRds ?? 11 轉(zhuǎn)向： 當(dāng)轉(zhuǎn)向桿與驅(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)，如圖： 則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 1ta n ab ???? 小車行走 ds 過(guò)程中，小車整體轉(zhuǎn)過(guò)的角度 ??dsd ? 當(dāng)小車轉(zhuǎn)過(guò) 的角度為 ? 時(shí)，有 ??????????c o ss indsdydsdx 小車其他輪的軌跡 以輪 A 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 ?? 12 C的坐標(biāo) ? ?daC ,? 在地面坐標(biāo)系中，有 ?????????????s in)(c o s)(2121aayyaaxxABAB ???????????????s inc o ss inc o s11adyydaxxACAC 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。 9 當(dāng)摩阻系數(shù)為 可知當(dāng)小車的半徑每增加 1cm小車便可多前進(jìn)1m到 2m。 同時(shí)可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進(jìn)的距離也 提高一倍。 通過(guò)查閱資料知道一般材料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)為 間。 iS 為第 i個(gè)輪子行走的距離 總m 為小車總質(zhì)量 為了更全面的理解小車的各個(gè)參數(shù) 變化對(duì)小車前進(jìn)距離的變化下面分別從 、 、 、 量轉(zhuǎn)換效率。則有 ?????????????3131*iiiiRNgmNm ghsii總?? iN 為第 i 個(gè)輪子對(duì)地面的壓力。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為??1 ，即小車能量的傳遞效率為 ? 。設(shè)計(jì)的同時(shí)綜合考慮材料加工成本等各因素。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的小車，通過(guò)小部分的改動(dòng)便可以改裝成其它方案，再通過(guò)試驗(yàn)比較得到最優(yōu)的小車。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。 綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，可以如果有條件可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動(dòng)。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束確定的。 單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。 雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題，可以通過(guò)差速器或單向軸承來(lái)實(shí) 現(xiàn)差速。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。但由于加工問(wèn)題材料問(wèn)題安裝問(wèn)題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。 有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 ??? NM 對(duì)于相同的材料 ? 為一 定值。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的） 綜合上面分析我們選擇曲柄連桿 +搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。 差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)方案。 6 差速轉(zhuǎn)彎 差速拐是利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(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 結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但和凸輪一樣有一個(gè)滑動(dòng)的摩擦副，其效率低。 在本小車設(shè)計(jì)中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，利用 MATLAB 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)并不困難，加上個(gè)鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。 在本小車設(shè)計(jì)中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動(dòng)摩擦）因此不采用 曲柄連桿 +搖桿 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。 凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向 輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。 、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高。 、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高。 ，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)， 此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。我們可以通過(guò)改變繩子繞在繩輪上不同位置來(lái)改變其輸出的動(dòng)力 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。 ，效率高。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。 ，不至于小車拐彎時(shí)速度過(guò)大傾翻，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)?？梢酝ㄟ^(guò)回收廢木材獲得，已加工。 圖 二 車架 車架不用承受很大的力，精度要求低。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè) 計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。 1 目錄 一 任務(wù)書 .............................................................................................................. 1 二 方案設(shè)計(jì) 分析 ................................................. 2 車架 .................................................... 3 原動(dòng)機(jī)構(gòu) ................................................ 4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ................................................ 4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) ................................................ 4 行走機(jī)構(gòu) ................................................ 6 微調(diào)機(jī)構(gòu) ................................................ 7 三 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及構(gòu)件尺寸計(jì)算 ...................................... 7 建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定 .................................. 7 能耗規(guī)律模型 ...................................... 8 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型 .................................... 9 動(dòng)力學(xué)分析模型 ................................... 13 ................................................................................... 14 四 設(shè)計(jì)總結(jié) ........................................................................................................ 15 五 參考 資料目錄 ................................................ 15 2 二 設(shè)計(jì)方案分析 通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完 成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。下面為我們?cè)O(shè)計(jì)圖框（圖一 ） 圖 一 3 在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)?？紤]到重量加 工成本等，車架采用木材加工制作成三角底板式。 4 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。 ，避免對(duì)小車過(guò)大的沖擊。 場(chǎng)地對(duì)輪 子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場(chǎng)地小車是需要的動(dòng)力也不一樣。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。 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。不適合本小車設(shè)計(jì)。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)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，同時(shí) 5 還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿 +搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。 優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難。