S型无碳小车的设计与实现.pdf

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1、 毕业设计(论文)无碳小车的设计与实现 教学单位：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学 号：学生姓名:指导教师:指导单位：机电工程学院 完成时间：2016年 3 月 20 日 学院教务处制发 无碳小车的设计与实现 摘 要 本文围绕无碳小车的设计，以全国大学生工程训练综合能力竞赛的竞赛命题为核心，系统地说明了符合比赛要求的无碳小车从设计构思到参数计算以及最后的加工装配的设计思路和步骤。主要介绍了无碳小车的机械机构构成、技术参数、零件机械加工工艺、小车零部件的加工方式与加工装配。无碳小车主要由车体、驱动机构、传动机构、转向机构和微调机构六个机械结构组成，其中转向机构为无碳小车实现行驶

2、 S 型轨迹的机构，是无碳小车核心机构。该小车的转向机构根据正弦机构的原理，在正弦机构的基础上优化和修改而来。而微调机构则是用于调整转向机构的周期，使小车的行驶轨迹能够根据实际需要而改变。转向机构和微调机构的设计是无碳小车设计最为重要的一部分，是实现竞赛命题的要求的核心机构。在小车加工调试完成后，经过验证小车的设计与制造符合竞赛命题的性能要求。通过这次设计，增强了我们的综合能力，并真正能把所学知识真正用在工作和生活中。关键词:无碳小车；正弦机构；单轮驱动；机械加工 Design and Implementation of carbon-free Vehicle Abstract This pa

3、per focuses on design of carbon-free vehicle,contest of the national competition for engineering training college students comprehensive ability as the core system that meets the game requirements,parameter calculation and carbon-free vehicle from design concept to final design idea and steps of pro

4、cessing and assembling.Introduces carbon-free vehicle for mechanical structure,technical parameters and machining of parts,car parts and processing method and processing and Assembly.Carbon-free vehicle is mainly driven by the body,body,transmission,steering gear,trimmer bodies consists of six mecha

5、nical structure,including steering mechanism for carbon-free car bodies to achieve s-bend,that is carbon-neutral core trolley Agency.The cars steering mechanism based on the principle of sine mechanism,in sine mechanism based on optimization and modification.And fine-tuning is used to adjust the ste

6、ering mechanism of the period,the car of course can change according to the actual need.Steering mechanisms and fine-tuning mechanism is designed to be carbon-free car design is the most important part of is the core institutions meet the contest requirements.Processing in the car after debugging is

7、 complete,proven performance of car design and manufacture meet the contest requirements.Through this design enhances our overall ability and really can really use what they have learned in work and in life.Key words:carbon-free vehicle;sine mechanism;Single-wheel driving;machining 目 录 1 绪 论.4 1.1 无

8、碳小车越障竞赛命题要求.4 1.2 无碳小车越障竞赛环境.4 1.3 设计和加工思路.5 1.4 本设计的意义.5 2 机械结构设计.7 2.1 车体.7 2.2 原动机构.9 2.3 传动机构.9 2.4 转向机构.10 3 技术设计.1 3 3.1小车齿轮齿数比的计算.13 3.2运动学模型.14 3.3后轮半径与绕线轮半径计算.15 3.4标准件及其材料件列表.16 3.5确定非标准件的零件尺寸.16 3.6小车整体装配效果图.17 4 小车的加工装配以及调试.1 8 4.1需要自行加工的零件及加工方法.18 4.1.1使用亚克力板作为加工原材料的工件.18 4.1.2使用铝合金作为加工

9、原材料的工件.19 4.1.2使用 45 号钢作为加工原材料的工件.19 4.2 小车的装配.19 4.3 小车的调试.20 5 结果评价分析.2 2 5.1 小车设计结果.22 5.2 小车设计方案的优缺点.22 5.3 改进方向.23 参考文献.2 4 附录 1 小车数学模型方程.2 5 1 绪 论 当今社会人类活动对自然的污染越加严重，寻求清洁能源的行动势在必行。无碳车的概念开始应运而生。无碳车是一种十分环保的短途代步工具，具有节能、经济、环保的特点。无碳车的应用和推广对保护环境和人类的可持续发展有重要意义。全国大学生工程训练综合能力竞赛响应了绿色无碳的社会潮流，提出了无碳小车越障竞赛命

10、题要求，而我们通过设计无碳小车模型，希望可以为无碳小车越障竞赛命题提供一种将重力势能转换为机械能的新思路。1.1 无碳小车越障竞赛命题要求 以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车作为要求，设计一种小车，由给定重力势能作为能量来源，通过能量转换驱动其行走及转向。给定重力势能为 4 焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一使用质量为 1Kg的重块（R2565 mm，普通碳钢）作垂直下降来获得，落差 4002mm，重块落下期间，必须由小车承载并与小车一起运动，不允许从小车上掉落。图 1 为小车示意简图。图 1-1 无碳小车示意简图 设计要求：（1）要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力

11、势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。（2）要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。（3）要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。1.2 无碳小车越障竞赛环境 竞赛场地有两个，主场地一作为车赛场地，占地 2300平米，场地地面为国际室内球 类竞赛用标准复合木地板；主场地二作为加工制作装调竞赛场地，配有普车、普铣、数车、数铣和快速成型等比赛用机床，配有钳工工作台和钻床等设施设备。加工竞赛需要的通用工卡量具由参赛队自带。1.3 设计和加工思路 图 1-2 无碳小车设计流程图 1.4 本设计的意义 本设计主要的工

12、作有：机械结构设计、数学模型及参数确定、软件仿真，加工工艺的设计，机械加工，装配调试、实地测试。其中最为重要的是小车机械结构设计中的转向机构的设计，转向机构是无碳小车的核心机构，只有设计好转向机构，才能让小车实现利用重力势能实现转向控制并可以进行微调，并可以行使更远的距离。设计开始 分析竞赛命题 明确小车性能需求 提出可行方案 确定方案 分析 Y N 初步设计 分析建模 初步确定参数 评价 选择材料 N Y 总体与零件设计 机加工 装配调试 改进 总结 Y N 完成 通过进行无碳的小车的设计，我们能够在进行无碳小车的设计与实现的过程中加强自己的实践能力、创新意识和合作精神，增加我们对本专业所学

13、知识的理解和认识，提高我们的对机械设计方面的能力，让自己更好巩固和理解大学四年所学的知识，为我们在社会竞争中脱颖而出创造良好的条件。而设计的最终目标不仅是满足竞赛命题要求，更重要的是：结合我们所学习的知识，发挥自己想象力，设计并制作出一台仅仅利用重力势能作为驱动，利用正弦机构现实转向控制和微调，可以行驶 S 型轨迹的无碳小车。2 机械结构设计 本部分主要是说明无碳小车的主要机构，以及该机构的设计思路和该机构的优缺点。无碳小车的机械结构可以分为车体、原动机构、传动机构、转向机构、和微调机构共五个方面。其中，车体是小车全部零件的载体、原动机构为小车提供动力、传动机构负责传递原动机构提供的动力、转向

14、机构实现小车有规律的转向、微调机构改变小车行驶轨迹的半径和周期。2.1 车体 对车体结构的设计包括小车底盘，车轮，轴承座等为小车提供安装固定的机械结构的设计。车体结构作为为无碳小车的上的所有机构提供安装固定的部件，需要具有良好的硬度和较好延展性，密度低，轻便，同时还要易于加工，在加工时不容易变形等特点。在对比了各种常见的材料的属性后，初步选定使用铝或亚力克作为车体结构的材料。大多数常见的铝合金都比较的轻便，而且加工容易，但是由于铝合金价格比较高，所以选择铝合金作为小车的主体材料。而亚克力硬度较大，具有良好的耐冲击性，而且易于加工，对加工精度要求没有铝高，而且价格便宜。亚克力是脆性比较大的，在较

15、薄的情况下受到冲击时容易折断，所以在设计的时候需要选择好亚克力的厚度，确保部件不会因为受力过大而折断。经过考虑，放弃了使用铝合金作为车体结构的材料，而选择了亚克力。小车底盘占小车整体质量比重比较大，而且还承载着大部分的小车零件，需要具备较高的稳定性和保持较轻的质量，所以在设计小车底盘的时候，将底盘部分不需要的面积删减，同时部分镂空，为转向机构和微调机构留下活动空间。为提高底盘的抗冲击能力，底盘前方外围的角采用了倒圆角处理。图 2-1小车底盘三维图 小车一共有三个车轮，分别为后左轮，后右轮和前轮，三者的设计均不同，前轮为导向轮，后右轮为从动轮，后左轮为驱动轮。小车的采用单轮驱动，后左轮是驱动轮直

16、接与传动轴相连安装，且使用 D 字型孔与部分是 D 字型的轴配合，确保不会空转。后右轮则是从动轮则是需要安装轴承，来保证始终保持从动，来实现单轮差速。前轮是导向轮，当正弦机构动作时，它使转向轮按规定的角度摆动，从而保证小车在一定的周期内行走 S 型轨迹。图 2-2小车正弦机构示意图 为了减少小车的质量，从动轮和驱动轮都在保证性能的前提下，尽可能的减少体积，做了大面积的镂空。图 2-3小车车轮平面图 2.2 原动机构 原动机构实际上是将重块竖直下落的重力势能转化为机械能的机构，它的作用是为无碳小车提供所有的能量来源。同时原动机构需要满足一些设计要求：（1）保持平衡，在重块下落和小车转向时，不会因

17、为重物的惯性而失稳或翻倒，（2）机构设计简便，由于小车的空间不足，无法使用过于繁杂的机构，所以机构需要简便牢固，能量转换效率高。为了兼顾效率、简易与经济，决定采用线轮结构。重块上系有尼龙线，重块在下落时，拉动尼龙线，尼龙线通过定滑轮将动力传递到安装在主动轴上的绕线轴上，带动主动轴旋转，从而为小车提供动力来源。图 2-4原动机构三维图 在图，原动机构的顶端为以亚克力为材料的圆形定滑轮支撑架，定滑轮支撑架上安装有定滑轮，用于传递有重物下落所产生的动力。定滑轮支撑架下连接着是三根直径为 6mm，长为 60mm的碳纤维棒，三根碳纤维棒安装在底部支撑架上，用于支撑定滑轮固定架和重物，保证重物下落时，小车

18、的稳定，维持车体的平衡。由于原动机构的主要材料为亚克力和碳纤维棒，尽可以减少整个原动机构的质量，同时采用可线轮结构，使得原动机构的结构十分的简洁，同时保证了原动机构运行时的稳定性。2.3 传动机构 传动机构的作用是把动能和运动传递到转向机构和驱动轮上，使小车精确地行驶在设计的轨道且行走出最远的轨迹。所以传动机构必需传动效率高、传动稳定、机构简单重量轻等。图 2-5传动机构三维图 常见的简单机械传动方式有：摩擦传动、链条传动、齿轮传动、皮带传动和蜗杆蜗轮传动等等。由于摩擦传动效率低噪声较大，链条传动与蜗杆蜗轮传动效率低，所以优先考虑齿轮传动和皮带传动。考虑到使用皮带传动时由于载荷过大可能会导致空

19、转的问题，以及几何空间充分利用和节省空间的因素，所以我们选定了 1 模的齿轮作传动机构，选用碳钢齿。传动机构主要绕线轴部分、微调机构连接轴部分和主动轴部分组成。传动机构工作时，在绕线轴上安装的绕线轮缠绕连接重物尼龙线。当重物下落时，拖动尼龙线，尼龙线再带动绕线轮，使得绕线轴转动。通过齿轮传动将动力传动到主动轴和微调机构连接轴上，使主动轴带动驱动轮转动，为小车传递动力，而微调机构连接轴则是负责将动力传动到微调机构和转向机构上，让微调机构和转向机构能够正常工作。2.4 转向机构 转向机构是整个无碳小车中最为重要的机构，它的作用是通过将绕线轴转角变化量通过机构转化为导向轮的转角变化量，从而实现无碳小

20、车的转向功能，让小车可以行走 S 型或 8 字型路线。转向机构需要满足：（1）尽可能的减少能量损失；（2）易于加工；（3）能够将传动系统的转动运动转化为合乎要求摆动运动，带动前轮转向。经过考虑后决定选择曲柄摇杆机构作为小车转向机构的原型。适用于转向机构的曲柄摇杆机构主要有可以有两种，其中一种是正弦机构，而另外一种是正切机构。推杆与导路之间的间隙使推杆晃动，导致 L 改变，因此令正切机构产生误差，对正弦机构几乎无影响。图 2-6 正弦机构构结构示意简图 图 2-7正切机构结构示意简图 而在实际使用中，由于摇杆转角升程 H 与 L 的正切或正弦成比例，所以正弦机构和正切机构在工作时都会产生误差，其

21、误差值为与。由于正切机构在误差方面要大于正弦机构，故在设计转向机构的时候，决定选择正弦机构作为转向机构的基础，在正弦机构的基础上进行改善和优化。图 2-8转向机构三维图 在转向机构的设计中，我们将用于提高正弦波的凸轮机构简化，并将机构中的摇杆和推杆的自由度限制，使它们只能在同一个平面内运动，这样有利于优化机构的体积和复杂度，并减少误差和计算难度。转向机构主要由两部分组成，一部分为负责提供正弦波的类凸轮部分，而另一部则是将正弦波转化为小车导向轮转角的转向部分。如图 2-6 所示，图中红色的零件为凸轮推杆滑块、蓝色的零件为正弦凸轮柄、橙色的工件为转向滑块固定架、深蓝色的工件为转向机构转向滑块、浅绿

22、色的工件为导向轮车桥转块和绿色的工件为凸轮微调滑块。类曲柄机构部分的零件有凸轮推杆滑块、正弦凸轮柄、用于连接凸轮推杆滑块与正弦凸轮柄的连接杆和推杆。转向部分的零件有：转向滑块固定架、转向机构转向滑块、导向轮车桥转块和导向轮车桥杆。转向机构工作时，微调机构连接轴带动微调机构转动。微调机构通过凸轮微调滑块与转向机构中凸轮推杆滑块连接，其中凸轮微调滑块和凸轮推杆滑块之间通过轴连接，在凸轮微调滑块上安装有轴承，轴可以在凸轮微调滑块中做出转动运动，轴的另一端锁死在凸轮推杆滑块，凸轮推杆滑块可以做出任意角度的相对于凸轮微调滑块的相对转动。正弦凸轮柄通过杆与凸轮推杆滑块想连接，正弦凸轮柄可以在于凸轮推杆滑块

23、内作上下滑动，故当微调机构转动时，由于直线轴承座的限位作用，令正弦凸轮柄始终垂直于底面，同时由于机构的约束使其只能前后运动，使得正弦凸轮柄上的推杆只能作前后往返运动。当推杆作前后往返运动时，推动转向滑块固定架，由于推杆前端有螺牙，所以在推杆后退时，转向滑块固定架依然与推杆相连接。转向滑块固定架内部安装有转向滑块，两者之间可以发生任意角度的相对转动。导向轮车桥转块与转向滑块通过摇杆连接，摇杆前端与轮车桥转块固定，后端可以在转向滑块中作相对滑动，而轮车桥转块又与车桥杆通过螺丝锁死。故当推杆带动转向滑块固定架前后运动时，使摇杆的与绕线轴的夹角不断发生变化，通过轮车桥转块将摇杆的与绕线轴的夹角的变化量

24、转化为导向轮的转角变化量，从而改变小车的施行方向。另外，在小车转弯时，还需要解决内轮和外轮差速问题。选择双轮驱动方案时，小车两个后轮都同时作为驱动轮，两后轮需要同轴，而且还需要设计和安装无碳小车专用的差速器，但是由于差速器的加工精度要求太高，而且需要长时间的调试，制造成本过于昂贵。故不在小车上使用双轮驱动而是选择单轮驱动。单轮驱动即把其中一个后轮直接安装在驱动轴上跟随驱动轴转动，作为驱动轮，另外一个后轮通过使用轴承与驱动轴连接或安装在另一条轴上，不跟随驱动轴一起转动，作为从动轮，从动轮的转速由小车转弯时的角度和半径决定，因此能很好的解决小车的差速问题。由于小车采用单轮驱动来解决小车转向时从动轮

25、和驱动轮的转速差问题，从结果上来看，单轮驱动的结构会比双轮驱动简便许多，效率也会比使用差速器的双轮驱动高，但是单轮驱动会导致小车行驶不稳定的问题。通过对比后，决定使用单轮驱动，来解决小车转向时内轮和外轮差速问题。3 技术设计 将无碳小车的机构方案基本设计完成以后，需要根据实际需要来确定小车各个机构的尺寸参数、建立数学模型，计算并优化小车零件的参数。使小车可以行驶更远的距离，更好的满足竞赛命题的要求，并为小车提供更好的性能。3.1小车齿轮齿数比的计算 将无碳小车的机构方案基本设计完成以后，还需要初步确定小车的部分参数，并以此为基础，来推导其他参数，最后把小车的参数代入小车运动学模型中来验算和优化

26、小车的参数，用于减少工作量并提高效率。已知竞赛命题中，小车绕障要求如图3-1 所示：（图中单位为 mm）图 3-1小车绕障要求示意图 如图所示，小车前方每隔一米就会放一个障碍物，如果需要成功的避开障碍物小车的行驶轨迹就应该为正弦曲线或余弦曲线。当选取正弦曲线为小车的行驶轨迹时，小车的行驶轨迹的周期不好确定，而且随着小车行驶距离的增大，小车与每一次绕过障碍物时两者相距的距离会越来越短，所以选择了余弦曲线作为小车的行驶轨迹，令小车的轨迹为。由图 3-1 可得，和 k 的值为 0，余弦曲线的周期 T 为 2m，所以。由于小车绕过障碍物时两者需要留有一定的安全距离，所以 A 一般取小车的车宽的一半与安

27、全距离之和，故A=0.2m,所以小车的轨迹为。通过小车的轨迹曲线公式可以求得小车在一个周期所行走的距离约为 2.188m，令小车能够在后轮转动四圈后能够行驶完一个周期，所以可以暂取小车后轮半径为 R=100mm，当小车行驶完一个周期后，小车的转向机构应该也完成一个转动周期。所以，小车的驱动齿轮和微调机构转动齿轮齿数之比为 1:4，但是小车的后轮半径越大越有利于小车的行驶，故小车后轮半径取 R=104mm，转动 3.4 次后可行驶完一个周期，因此驱动齿轮和微调机构转动齿轮也该改为 1:34。同时为了增加小车行驶的圈数，在驱动齿轮和微调机构转动齿轮之间并入一个齿轮用于连接绕线轴，取驱动齿轮和绕线齿

28、轮齿数之比为 1:3，故驱动齿轮、绕线齿轮齿数与微调机构转动齿轮三者的齿数比为 1:3:3.4。将齿数带入小车运动学模型，可验证和优化小车齿轮组的齿数比。3.2运动学模型 通过以驱动轮、从动轮和转向轮三者的轨迹方程为依据，编写为 matlab 程序，进行仿真。在 matlab 程序中给参数赋初始值，通过不断地对各参数进行调整，最终得出较为合理的轨迹函数图像，再与竞赛命题中要求小车所行走的轨迹两者来对比，计算优化得出最合理的参数，再以最合理的参数为依据确定小车的各零件的参数。下图为图 3-2，图中曲线为小车其中一组参数下的小车三轮的轨迹函数图像即小车的运动轨迹图。图 3-2 小车轨迹模拟图 如图

29、 3-2 所示，从函数图像中可以看出，图曲线曲线光滑连续，并没有较大的突变，周期和半径都符合竞赛命题要求，此时的各参数值可以为理论上的最优值。具体值为：绕线轴齿轮为齿轮 1 模数齿数，微调机构连接轴齿轮为齿轮 2 齿数，驱动轴齿轮为齿轮 3 齿数，齿轮传动比为，带传动比为，绕线轴半径 r 为 3，驱动轮和从动轮半径=为 104mm，推杆为 120mm，摇杆为 74.5mm，为 87mm，为 87mm。3.3后轮半径与绕线轮半径计算 已经摩擦力矩与正压力的关系为:M=Ur （3-14）其中 U 为滚动摩擦系数，其中亚克力与木地板的滚动摩擦系数为 0.5mm，故滚动摩擦力：M=0.5x90=45N

30、 （3-15）由上式可知当小车轮子半径越大，小车受到的滚动摩擦力越小，就能够行驶的越远。但是由于材料的加工问题、材料的机械性能不足问题材料、零件的安装问题与小车零件协调性问题，故小车后轮的半径不能取得太大，需要在合理范围内。图 3-3 小车齿轮组示意图 如图 3-3 所示，齿轮 1 为绕线轴齿轮，齿轮 2 为微调机构连接轴齿轮，齿轮 3 为驱动轴齿轮，三者构成了小车的齿轮组系统。3.4标准件及其材料件列表 表 3-1标准件及其材料件明细表 编号 材料及标准件的种类 毛坯尺寸 毛坯数量 每台件数 1 亚克力板材 2002003 3 3 2 碳纤棒 6 1000 3 3 3 铝合金板材 12202

31、00 1 1 4 深沟球轴承 8*14*5(d*D*B)18 18 5 深沟球轴承 6*14*5(d*D*B)4 4 6 滑轮轴承 6*20*5(d*D*B)1 1 7 直齿轮 m=0.8，z=14 1 1 8 直齿轮 m=0.8，z=42 1 1 9 直齿轮 m=0.8，z=46 1 1 10 垫片 M3 30 30 11 螺栓 M3 30 30 12 螺钉 M4 30 30 13 轴套 6*8*2 2 2 14 轴套 8*14*3 2 2 15 45#钢 4 500 1 1 16 45#钢 6 500 1 1 17 45#钢 8 500 1 1 3.5确定非标准件的零件尺寸 经过理论计算和

32、分析结构的合理性，对机构参数进行不断的优化，最终确定小车各个机构重要零件的具体尺寸。推杆长=120 mm 摇杆长=78.5 mm 3.6小车整体装配效果图 图 3-4小车整体装配效果图 1 图 3-5小车整体装配效果图2 4 小车的加工装配以及调试 在本章中，主要是介绍小车各个零件的具体加工方法、零件原材料的选择、加工中遇到的问题、加工后进行的装配过程以及在调试中发现的问题及其改进方法。4.1需要自行加工的零件及加工方法 小车的零件部分可以中的标准件可以根据设计要求而购买，而非标准件则需要购买毛坯料进行加工，我们所设计的无碳小车需要自行加工零件的原材料主要有亚克力、铝合金为 45 钢和碳纤维。

33、4.1.1使用亚克力板作为加工原材料的工件 亚力克是高分子材料，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯。亚力克板是由亚克力粒料经由挤板机挤出而成。优点是具有较强的抗冲击力性较高的表面硬度和表面光泽，以及较好的高温性能，同时拥有在通用塑料比较优秀的力学性能，稳定性好，密度较低。缺点是脆性比较大，无法使用线切割工艺来确保加工精度。使用亚力克板作为小车的大部分工件的加工材料，有利于减轻小车的整体重量，同时具有较好的抗攻击性，且可以控制成本。需要以亚力克板为原材料加工的零件主要有小车底盘、驱动轮、从动轮、导向轮、轴承座、正弦凸轮柄、转向滑块固定架、定滑轮支架等。由于加工精度对于无碳小车而言十分重要，为了保证零件的

34、加工精度，上诉使用亚力克板为原材料加工的零件全部使用激光切割工艺对亚力克板进行切割，由于激光切割工艺的加工精度较高，所以大部分零件切割出来后可以直接使用。其中部分零件由于侧面存在孔，无法使用激光切割工艺，故使用铣床加工剩余的部分。：图 4-1转滑轮固定架 4.1.2使用铝合金作为加工原材料的工件 铝合金是日常生活中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金密度低，强度比较高，塑性好。但是由于大部分铝合金的密度比亚克力的密度高，且硬度不如亚克力，所以并选择铝合金作为小车的主体材料，仅作为部分连接件或滑块的材料。由于铝合金具有许多种型号，经过考虑以后，决定使用 6063 铝合金板材作为加工原料。需要

35、以 6063 铝合金板材为原材料加工的零件主要有：导向轮车桥、导向轮车桥转块、转向机构转向滑块、凸轮推杆滑块、凸轮微调滑块、凸轮微调滑块固定架。由于以 6063 铝合金板材为原材料加工的零件尺寸都非常小而且数量不多，所以决定自行加工。在加工时，只能先是按照设计的要求，将 6063 铝合金板材切割开粗，之后使用铣床进行精确加工，最后再用砂纸打磨去毛刺。其中，导向轮车桥转块、转向机构转向滑块、凸轮推杆滑块和凸轮微调滑块都比较容易加工，只需要将 6063 铝合金板材开粗为余量不小于 0.5 毫米的毛坯，使用铣床铣精确到数，再按照图纸的要求进行钻孔、攻牙、打磨等加工工艺即可。至于导向轮车桥和凸轮微调滑

36、块固定架则存在一定的加工难点。导向轮车桥的加工难点是在于其不是用铣床直接 6063 铝合金板材，而是先使用车床加工出一个毛坯再使用铣床加工。由于 M3 丝攻很容易受力过大折断，所以在使用 M3 丝攻攻牙的时必须非常小心。如图 4-4 所示，先使用车床将 6063 铝合金材料车出一个台阶圆柱，上台阶高 5 毫米直径为 10 毫米，下台阶高 50 毫米直径为 20 毫米。完成后使用铣床在下台阶铣出四个个端面，再按照图纸要依次进行钻孔和攻牙，最后铣用于安装导向轮的槽。4.1.2使用 45 号钢作为加工原材料的工件 45 号钢是常用中碳调质结构钢，具有较高的强度和较好的切削加工性。在小车中，用作加工各

37、类轴。需要以 45 号钢零件主要有：驱动轴、从动轴、绕线轴、定滑轮轴、转向机构推杆、转向机构摇杆、导向轮车桥杆。加工方法为：按照图纸的要求，使用车床车出合适的直径和长度，之后再进行攻牙和打磨。4.2 小车的装配 在小车的工件加工完毕后，将开始对小车进行装配。对小车的装配可以分为以下四个部分：车体行驶结构装配：将各个机构的轴承座按照图纸的要求安装在小车底盘上，为了使轴承座和小车底盘连接的更加稳固和方便调试，决定通过螺丝锁紧将轴承座固定。然后将用于将安装驱动轴和从动轴的轴承安装在轴承座上，为后面对驱动轴和从动轴进行调试，先不将轴承固定。为 了减少摩擦和提高稳定性，每个轴承座上都安装上一对轴承。之后

38、安装转向轮车桥，为了减少车桥轴和小车底座的摩擦，在小车底盘正反两面安装一对轴承。在转向轮车桥上安装前轮，使用螺丝固定。将齿轮安装在驱动轴上，暂时不固定，然后把驱动轴和从动轴穿过轴承，安装在轴承座，把驱动轮和从动轮分别安装在驱动轴和从动轴上，使用螺丝固定。小车原动机构装配：使用螺丝将原动机构底部支撑架和小车底盘锁紧，然后将将三根碳纤维管，放入原动机构底部支撑架的三个孔内，之后将定滑轮支撑架安装在三根碳纤维管上。把定滑轮放入定滑轮轴上的合适位置，将定滑轮固定轴安装在定滑轮支撑架上，微调原动机构底部支撑架、碳纤维管和定滑轮支撑架至合适，安装重物。小车传动机构、微调机构及转向机构总装：安装绕线轴轴承，

39、将齿轮放入绕线轴，之后将绕线轴穿轴承座上轴承，调试到合适的位置。安装微调机构连接轴，把凸轮微调滑块安装在凸轮微调滑块固定架调试，等凸轮微调滑块功能可用后，把凸轮微调滑块固定架安装到微调机构连接轴，之后将凸轮推杆滑块安装在凸轮微调滑块固定架上，放入正弦凸轮柄，完成微调机构的安装。微调机构安装完成后，将推杆无螺纹的一侧放入正弦凸轮柄上，在推杆有螺纹一侧安装转向机构的转向滑块固定架和凸轮推杆滑块，再在转向滑块固定架安装摇杆。将导向轮车桥转块安装在转向轮车桥轴上并连接摇杆。小车各机构微调固定：将小车的各个机构都安装完毕后，微调各个机构组件的位置，直至各个机构可以正常并流畅的运作，完成微调后将固定每一个

40、轴承的位置，并锁紧全部固定螺丝，验证小车是否能正常行驶，如果没明显问题，即完成对小车的装配工作。4.3 小车的调试 轴承装配问题：在轴承装配时，轴承需要过盈配合。轴承座上用于安装轴承的孔直径需要比轴承的直径少 0.001MM左右，但是即便是使用激光切割工艺加工，轴承座上的轴承孔仍然是会偏大甚至每个轴承孔的大小都不一，使得轴承都无法使用原本计划中的安装方法。发现这个问题后，我们可以采取半径补偿的方法，让轴承可以固定在轴承座上，但是这样可能会导致轴承上的轴发生偏心，影响小车的工作。最好的方法是对轴承座重新加工，并要求在加工时，对加工材料进行加工误差补偿。推杆自由度限制问题：小车装配完成后，发现小车

41、的正弦机构并没有正常的工作。在小车测试时，转向机构中正弦凸轮柄和推杆会由于重力的作用在向前移动的同时会下落导致转向机构不能正常工作。这个问题发生的原因是如果需要转向机构正常的工作需要限制推杆左右方向和竖直方向的自由度，而在转向机构中的设计中，转向滑块固定架并不能有限的限制推杆竖直方向下的自由度。解决这个问题需要设计专门用于限制推杆竖直方向的自由度的零件。小车的稳定性问题：在小车的调试过程中，发现小车的车身稳定性并不怎么理想。由 于小车的车身稳定性与小车的整体构造及整个车的重心有很多的关系，如果要要使小车的稳定性得到良好的改进，需要调整小车的重心的位置，而这需要对小车上机构的位置进行调整，把小车

42、的重心集中在车体中间略微偏后的位置上，同时还需要令重物和尼龙线保持垂直。通过改进后，小车的稳定性得到良好的改进。摩擦对小车的影响问题：在小车的行驶过程中，车轮与地面的摩擦和零件之间的摩擦对车的性有很大的影响。在实际调试中，小车无法正常启动行驶，经过分析后是由于车轮与地面的摩擦系数过大或绕线轮半径过少。在计算绕线轮半径时，由于大部分可以需要进行反复运动的轴和杆都在连接处安装有轴承来尽可能减少摩擦，因此是按照理论状态下的情况，对小车的对绕线轮半径进行计算，导致在实际中绕线轮半径过少。后通过加大绕线轮半径好，小车可以顺利启动并行使。加工误差的问题：在实际中由于存在加工误差的影响，往往会导致设计性能与

43、实际表现之中存在差别，令小车无法达到最优性能。而解决这个问题的方法是利用小车的微调机构的对小车进行微调。微调机构不仅能用于调整小车运动轨迹的周期和半径，善用微调机构还能用于来改善由于加工误差所导致的问题。5 结果评价分析 分析无碳小车的设计与实现的成品，将小车的实际性能与理论性能作对比，并以此来寻找在小车的设计和制作过程中的由于设计或加工等问题导致的缺陷和问题，并通过分析小车成品的缺陷和问题，改进小车的设计和制造。5.1 小车设计结果 在经过对小车的设计优化、加工装配和微调总结后，最终设计并实现能够实现竞赛命题并达到预期性能需求的无碳小车。该无碳小车可以能依靠所给定重力势能，能够自动启动前行，

44、并在行驶的过程中自动行驶出 S 型轨迹，且在实现平稳行驶，可以调节转弯半径和周期。5.2 小车设计方案的优缺点 小车设计方案的优点：（1）小车的转向机构与驱动机构结构简便高效，零件的几何关系简洁明了，易于计算和仿真。（2）车身使用亚克力板为原理制作，使得小车车身更加轻巧，使用齿轮和带轮传动，能量传递效率高且能力损失少。（3）采用单轮驱动，不需要安装差速器，减少小车整体的质量和成本，同时具有较大的驱动轮，使小车行驶时效率比较高、能量损失小，能够在比较粗糙地面行驶并行走更远的距离。（4）微调机构和转向机构利用了正弦机构的原理，可以减少误差并能通过调整微调机构参数，来实现纠正小车的行驶轨迹，并调节小

45、车的行驶的周期和半径，有利于小车适应转弯绕障和避开障碍物。（5）通过对机构设计的调整，使小车零件对加工精度要求降低，减少小车的加工成本，并让小车更加易于修改、加工、安装及微调。（6）由于用于制作小车的原材料价格比较低且小车的加工成本不高，可以让小车整体造价保持一个比较低的水平，可以在确保小车的性能达到要求的同时控制小车的成本。小车设计方案的缺点：（1）由于在设计时，没有考虑到理论和实际的区别，缺少设计经验，让小车理论性能和实际性能有出入。（2）小车的加工受到成本、时间、加工技术和加工范围的限制，导致小车的整体加工精度不高，出现了许多不该出现的加工误差。（3）在不同的地面测试时，小车所行驶的距离

46、波动比较大，微调机构微调滑块位置很难 把握准确，难以根据不同类型的地面进行合适的微调，而且微调时比较繁琐和耗时。（4）小车的微调机构和转向机构的转动平面垂直于地面，在工作时会受到重力加速度的影响，使得机构工作时精准度收到影响。（5）对各种机构认识还不够全面和透彻，无法根据实际需要设计出性能更好且足够简便的机构。5.3 改进方向 （1）加工精度和装配精度是碳小车改进的一个大方向之一。如果能够找到更加合适的加工工艺可以提高小车零件的加工精度并减少后期的调试工作，也可以让小车现实得到更好的运动效果，同时控制小车的成本。（2）设计性能更加良好的转向机构和微调机构，用于提高转向机构的效率和稳定性，同时提

47、高微调机构的微调范围，让小车可以更大范围的调节调节转弯半径和周期，提高小车在各种地面的适应能力。（3）修改微调机构和转向机构，使其的转动平面平行于地面，减少重力对微调机构和转向机构工作时的影响。（4）在设计阶段对小车进行更多的计算和仿真。通过更多的计算和仿真来选择更好的设计方案和参数，令小车的理论性能得到提高。（5）改进机构的配合的合理性。通过使机构的配合更加合理，使小车更容易装配并提高小车零件装配时装配精度。参考文献 1 顾晓勤，谭朝阳.理论力学M.机械工业出版社,2009.2 吴宗泽.机械设计禁忌1000例M.机械工业出版社,20011：46-46.3 黄廷祝,成孝予.线性代数M.高等教育

48、出版社，2008.4 同济大学数学系.高等数学M.同济大学出版社，2009.5 王德伦，高媛.机械原理M.机械工业出版社，2012.6 濮良贵，陈国，吴立言.机械设计M.高等教育出版社，2012.7 王启美，吕强.现代工程设计制图M.人民邮电出版社,2007.8 潘春祥，任秀华，李香.SolidWorks 2014中文版基础教程M.人民邮电出版社，2013.9 陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南M.西安电子科技大学出版社，2007 10 Pohanish,Richard P.Machinerys Handbook PocketM.Industrial Press,2008 附录 1

49、 小车数学模型方程 clear clc tic n=1000;h=linspace(0,0.4,n);%小车齿轮齿数比 i31=21/23;i21=3/1;%小车绕线轮半径 r1=0.009;%小车前轮转动中心到推杆中心的横向偏距 C=0.0688;%微调装置滑块中心到绕线轴圆心在水平方向上距离 L=0.020;%导向轮车桥杆圆心到驱动轴圆心在水平方向上距离 I=0.180;%小车后轮半径 R=0.104;%驱动轮到前轮转动中心横向偏距 A1=0.078;%从动轮到前轮转动中心横向偏距 A2=0.078;%算法 sd0=h/r1;sd1=sd0*i31+0.5065*pi;sd2=sd0*i2

50、1;E=sin(h/r1).*i31).*L af=atan(L*sin(sd1)/C);format long rou=I./(tan(af);s=sd2*R;ds=s(2)-s(1)dbd=ds./(rou);bd=cumsum(dbd);dx=-ds.*sin(bd);dy=ds.*cos(bd);x=cumsum(dx);y=cumsum(dy);xb=x-(A1+A2).*cos(bd);yb=y-(A1+A2).*sin(bd);xc=x-A1*cos(bd)-I*sin(bd);yc=y-A1*sin(bd)+I*cos(bd);plot(x,y,b,xb,yb,b,xc,yc,