重力驅(qū)動下恒定周期S形行進軌跡玩具車設(shè)計

1、南湖學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）學(xué)號：24101900076南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：重力驅(qū)動下恒定周期S形行進軌跡玩具車設(shè)計作 者XXXX屆 別XXXX系 別XXXX專 業(yè)XXXXX指導(dǎo)老師XXXX職 稱XXXXX完成時間XXXXXX湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計摘 要 本文提出一種“無碳”設(shè)計方法，由重力勢能轉(zhuǎn)化為機械能，從而利用轉(zhuǎn)化的機械能驅(qū)動玩具小車行走的設(shè)備。同時保證玩具小車能夠以S形路線自動交錯繞過道路上設(shè)置的障礙物。此模型最大的特點是將重力勢能轉(zhuǎn)化為齒輪的轉(zhuǎn)動，進而根據(jù)大小齒輪的粘合帶動驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪，進行周期性的擺動，從而按照規(guī)定的路線越過障礙物，完成任務(wù)。此文章對小車運動的實現(xiàn)機構(gòu)

2、建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)軟件繪制小車前行的軌跡，選擇最優(yōu)路線，并進行零件尺寸的精確設(shè)計，我們采用MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計。我們把小車的設(shè)計分為三個階段：方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、制作調(diào)試。并且通過每一階段的深入分析、層層把關(guān)，使我們的設(shè)計盡可能向最優(yōu)設(shè)計靠攏。小車大多零件是標準件，可以購買到，除部分要求加工精度高的零件外，需要特殊加工完成，其余都可以通過手工加工出來。如對于塑料會采用自制的電鋸切割。因為小車受力都不大，因此大量采用膠接，簡化零件與零件裝配工序。調(diào)試過程會通過微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進行試驗，在試驗的基礎(chǔ)上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。關(guān)鍵詞：Pro/Engine

3、er；S形軌跡；恒定周期；機構(gòu)；虛擬設(shè)計Abstract This paper presents a "carbon" design approach, in fact, by the gravitational potential energy into mechanical energy, the design of a green energy gravitational potential energy can be converted to mechanical energy to drive the car and walking devices. While

4、ensuring that the S-shaped toy car can automatically route around obstacles staggered set on the road. The greatest feature of this model is the gravitational potential energy into rotating gears, thereby bringing the adhesive according to the size of the gear wheels and steering wheel, swing period

5、ically and the cycle is constant, so in accordance with the provisions of the route over obstacles, complete the task. The car which the title select is movement to achieve institutions to establish the mathematical model, the use of mathematical software to draw the trajectory of the car forward, c

6、hoose the best route, and the precise design of the part size. Drawing on parametric design, optimization design, system design, such as the invention of modern design theory; using MATLAB、 Pro/E、software-aided design. The design of the car is divided into three phases: design, technical design, pro

7、duction and commissioning. Through in-depth analysis of each stage, checks at each level, our design as much as possible to move closer to the optimal design. Most car parts are standard parts, can be purchased in addition to part of the requirements for high precision machining parts require specia

8、l processing, most can be processed by hand out. For plastic will use homemade 'Chainsaw' cutting. Because the car which by forcing is not large, so a large number of bonding to simplify the assembly of parts and components. Debugging process will change the parameters of the car by way of f

9、ine-tuning test to verify the law of motion of the car at the same time to determine the parameters of the best car on an experimental basis.Keyword: Pro/Engineer, S-shaped trajectory, Constant cycle, Agency, Virtual Design III目 錄第一章緒 論11.1 引言11.2 小車整體設(shè)計要求21.3小車的設(shè)計方法21.3.1小車結(jié)構(gòu)設(shè)計2第二章 方案設(shè)計32.1 工作原理32.

10、1.1原動機構(gòu)42.1.2 轉(zhuǎn)向部分42.1.3 轉(zhuǎn)向部分設(shè)計62.1.4 行走機構(gòu)72.1.5 無碳小車行走S形軌跡的計算82.1.6 無碳小車行駛中恒定周期的計算102.1.7 微調(diào)機構(gòu)11第三章 技術(shù)設(shè)計113.1 技術(shù)設(shè)計要求113.2轉(zhuǎn)向與微調(diào)設(shè)計113.2.1小車的轉(zhuǎn)向控制113.2.2前輪轉(zhuǎn)向輪最大偏角的計算143.2.3微調(diào)機構(gòu)的設(shè)計和分析15第四章 建立數(shù)學(xué)模型及參數(shù)的確定164.1 能耗規(guī)律模型164.2 運動分析194.3動力學(xué)分析204.5 各參數(shù)的確定224.6 整體設(shè)計裝配圖23第五章 全文總結(jié)245.1 小車優(yōu)缺點245.2 改進方向24參考文獻25致 謝26第一

11、章緒 論1.1 引 言第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題主題為“無碳小車”。要求在給定重力勢能的前提下，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行 走的裝置。并要求小車在寬度為2米道路上行駛，小車在前行時能夠自動交錯繞過道路上設(shè)置的障礙物。假定障礙物為直徑20mm、高200mm的多個圓棒，且沿直線間距為1米等距離擺放，要求小車在前行時能成功繞障。設(shè)給定重力勢能用質(zhì)量為1Kg的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均 由此

12、能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。據(jù)調(diào)查顯示進入21世紀，汽車污染日益成為全球性問題。隨著汽車數(shù)量越來越多、使用范圍越來越廣，它對世界環(huán)境的負面效應(yīng)也越來越大，尤其是危害城市環(huán)境，引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，造成地表空氣臭氧含量過高，加重城市熱島效應(yīng)，使城市環(huán)境轉(zhuǎn)向惡化7。而在傳統(tǒng)汽車效率方面有很大的不足，中國與國外先進水平的差距有目共睹，最主要的是在發(fā)動機效率和變速箱水平上。目前的汽柴油內(nèi)燃機熱效率小于30%，如果算上機械效率以及其他的能量傳遞損失，則總效率僅占燃料放出熱能的15%左右。而本課題著重在如何提高能源的傳動效率上，在綜合運用“機械制造技術(shù)”、“數(shù)控技術(shù)”、“制造裝備及自動化”等專業(yè)

13、課程所學(xué)的知識。小車要求采 用三輪結(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），并保證自行小車在前行時能夠以正弦曲線或余弦曲線軌跡行走，小車轉(zhuǎn)向以恒定周期繞過障礙物完成任務(wù)。根據(jù)課題的要求，我們將設(shè)計任務(wù)分為原動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、傳動機構(gòu)、行走機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)等五個主要項目，然后進行各個項目的設(shè)計。并且分別針對每個項目提供多個方案設(shè)計，然后通過綜合因素對比，選擇各個項目中最優(yōu)的，將選出最優(yōu)的各個項目組合成一個方案。1.2 小車整體設(shè)計要求在小車設(shè)計過程中我們需要完成的內(nèi)容：機械設(shè)計、工藝方案設(shè)計、工程管理方案設(shè)計和經(jīng)濟成本分析，數(shù)學(xué)建模和軟件PRO/E實體建模。而對命題中的工程管理能力項要求我們需要綜合考慮材料

14、、加工、制造成本等各方面因素，從而提出合理的工程規(guī)劃。1.3 小車的設(shè)計方法小車的設(shè)計一定要做到目標明確，通過對課題的分析我得到了比較清晰開闊的設(shè)計思路。作品的設(shè)計需要有系統(tǒng)性、規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計過程中需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等各方面因素。小車的設(shè)計是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計方法上我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計 、優(yōu)化設(shè)計 、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)明理論方法。采用了MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計等。1.3.1 小車結(jié)構(gòu)設(shè)計 我們把小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計分為三個階段：方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計 和制作調(diào)試三個階段。通過每個階段的深入分析，盡可能達到最優(yōu)的設(shè)計。2727第二章 方案設(shè)計2.1 工作原理由

15、重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，重物由支架頂端下落，聯(lián)接重物的繩子被拉伸，繩子通過滑輪繞在軸上，繩子拉伸帶動軸轉(zhuǎn)動，軸帶動齒輪，齒輪傳動機械能，從而小車產(chǎn)生動能。2.1.1 原動機構(gòu)重物在下落的過程中帶動軸1轉(zhuǎn)動，軸1兩端裝有齒輪3，3與直徑較小的齒輪4嚙合，這樣齒輪3每轉(zhuǎn)一圈，帶動小齒輪4就轉(zhuǎn)n圈（n為傳動比）。因為小齒輪4與驅(qū)動輪5同軸，所以重物下落過程中，若皮帶帶動軸1轉(zhuǎn)動x圈，驅(qū)動輪就會轉(zhuǎn)動nx圈。即可完成驅(qū)動部分，從而實現(xiàn)重力勢能向動能的轉(zhuǎn)化。重物的重量為mg(F=mg)即為F，由于之后各部件之間摩擦及重量可以確定，F(xiàn)與水平方向上的最適夾角便可確定，方法如下：1.豎直方向減輕重量，減少與水平地面

16、的摩擦，減少能量損失；2.水平方向上的力可恰好拉動小車，使車平穩(wěn)行進，同時重物會勻速下落。 表1-1 齒輪參數(shù)參數(shù)名稱主動輪從動輪模數(shù)（m）33齒數(shù)(z)16010壓力角()20°20°齒頂高系數(shù)(ha*)11齒頂系數(shù)(c*)0.250.25精度等級7-6-67-6-6厚度（h）5mm5mm 圖1為原動機構(gòu) 1.轉(zhuǎn)軸 2.軸套 3.大齒輪 4.小齒輪 5.驅(qū)動輪2.1.2 傳動部分傳動部分主要采用的是齒輪傳動，齒輪傳動是通過兩齒輪的輪齒相互嚙合來傳遞動力和運動的一種機械傳動。由主動輪和從動輪的輪齒直接傳遞運動和動力而完成的稱為齒輪傳動。先有交錯軸螺旋齒輪傳動、平行軸圓柱齒輪

17、傳動和相交軸圓錐齒輪傳動是以齒輪軸線的相對位置來分的。在現(xiàn)實機械傳動中，應(yīng)用最廣傳動就是齒輪傳動，尤其用來傳遞相對位置不遠的兩軸之間的機械能齒輪傳動的優(yōu)點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長等。齒輪使用的功率范圍大，可以從幾瓦到幾千瓦都可以傳遞；速度變化范圍很大，如從10m/s到300m/s；尺寸范圍變化很大，如齒輪的直徑可以在5mm到30m之間變化。缺點是1.齒輪制造需要有專門的設(shè)備和生產(chǎn)線，2.嚙合傳動過程中聲音會很大，很刺耳1。對于兩個齒輪的齒數(shù)相同，當齒輪轉(zhuǎn)動一周，那么兩個齒輪和后輪都將各自旋轉(zhuǎn)一周。假如主動齒輪的齒數(shù)大于被動齒輪的齒數(shù)，那么齒輪每轉(zhuǎn)動一周，被動齒輪轉(zhuǎn)

18、的圈數(shù)就大于一周多，速度也越快。因此，可知齒輪比與主動輪的齒數(shù)成正比，而與被動齒輪的齒數(shù)成反比。以G代表齒輪比，C代表主動齒輪的齒數(shù)，F(xiàn)代表被動齒輪的齒數(shù)，它們之間的關(guān)系用公式表示，即：G=C÷FG=C÷F=44÷11=4 (2.1)也就是說齒輪每轉(zhuǎn)動一周，被動齒輪轉(zhuǎn)過4圈。由無碳小車的行使距離、無碳小車的驅(qū)動輪直徑等因素來確定傳動比的比值。傳動比的計算過程如下所示：傳動比計算公式：i=d帶：d齒=1：L÷(D) (2.2)將已知項目代入公式計算，結(jié)果i=1：83所以傳動比為1：8，即齒輪比（主動輪對被動輪的齒數(shù)之比為齒輪比）。針對齒輪五種失效形式，對每

19、一種失效形式制定對應(yīng)的設(shè)計原則。然而像齒面磨損、塑性變形等現(xiàn)象，由于尚未建立起廣為工程實際使用而且行之有效的計算方法及設(shè)計數(shù)據(jù)，所以目前設(shè)計齒輪傳動時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。對于高速大功率的齒輪傳動，還要按保證齒面抗膠合能力的準則進行計算（參閱GB64131986）8。至于抵抗其它失效能力，目前雖然一般不進行計算，但應(yīng)采取的措施，以增強輪齒抵抗這些失效的能力。根據(jù)齒輪的設(shè)計要求制定出如下參數(shù)：表2-1 齒輪參數(shù)參數(shù)名稱主動輪從動輪模數(shù)（m）33齒數(shù)(z)16020壓力角()20°20°齒頂高系數(shù)(ha*)11齒頂系數(shù)(c*)0.2

20、50.25精度等級7-6-67-6-6厚度（h）5mm5mm2.1.3 轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件易獲得等條件，同時還需要有特殊的運動特性。且能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎、連桿滑塊等等。凸輪機構(gòu)+搖桿凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運動。凸輪優(yōu)點：1、只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞?，就可使從動件得到任意的預(yù)期

21、運動；2、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便運動副單位面積所受壓力較??；3、面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；4、兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。凸輪缺點：凸輪輪廓加工比較困難13。在本小車設(shè)計中由于，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（滑動摩擦）因此我不采用。 曲柄連桿+搖桿優(yōu)點：1、它運動副單位面積所受壓力較小，而且面接觸便于潤滑，所以磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；2、兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺

22、點：1、它一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，而且設(shè)計較為復(fù)雜；2、當給定的運動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加9；3、機構(gòu)中做平面復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合12。在本小車設(shè)計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構(gòu)并不復(fù)雜，利用MATLAB進行參數(shù)化設(shè)計并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。對于安裝誤差的敏感性問題

23、我們可以增加微調(diào)機構(gòu)來解決。曲柄搖桿優(yōu)點：它結(jié)構(gòu)較為簡單。缺點：和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其急回 特性導(dǎo)致難以設(shè)計出較好的機構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎差速轉(zhuǎn)彎是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障14。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠的設(shè)計方案。和凸輪同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據(jù)需要來調(diào)整輪子的尺寸2。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的）所以綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方案。2.1.4 行走機構(gòu)行走機構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需

24、要綜合考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為： (2.3)對于相同的材料為一定的值。而滾動摩擦阻力，所以輪子越大，小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定15。2.1.5 小車行走S形軌跡的計算 由于小車的行使過程中需要轉(zhuǎn)向，而我們采用曲柄連桿+搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向，所以我們的小車行進的路線為正弦函數(shù)（如下圖）。由于我將無碳小車行使軌跡的振幅設(shè)為500mm，所以無碳小車行使軌跡的函數(shù)為?？紤]到小車的行使軌跡的特殊性，所以在設(shè)計無碳小車的各個組成部分時必須用到正弦函數(shù)曲線長度、切線角度等數(shù)據(jù)。（1）正弦函數(shù)y=0.5sinx曲線長度L 由于

25、無碳小車的行使過程中需要轉(zhuǎn)向且轉(zhuǎn)向是根據(jù)行程來決定的，所以我要將正弦函數(shù)y=0.5sinx曲線長度L計算出來以方便在設(shè)計無碳小車的各個部分的時候取用該數(shù)據(jù)。計算公式如下： 圖2 正弦函數(shù)y=0.5sinx的軌跡 (2.4) 此積分無法求初等原函數(shù)，因此用了積分的近似計算得：2.92739.（2）正弦函數(shù)切線角度由于小車的行使軌跡近似是正弦函數(shù)，所以小車的前輪的行使軌跡也是要與正弦函數(shù)一致。為了使小車的前輪的行使軌跡也是要與正弦函數(shù)一致，要使小車的前輪在（1,0）點處的切線與x軸夾角與正弦函數(shù)在（1,0）點處的切線與x軸的夾角一致即可。計算公式如下：還有他在（1,0）點處的切線與x軸的夾角。 由

26、于因此與x軸正向的夾角為： 由于根據(jù)無碳小車行走的軌跡與x軸的交點處夾角為即無碳小車的前輪的轉(zhuǎn)角為。 2.1.6 小車行使中恒定周期的計算小車以接近正弦函數(shù)y=0.5sinx曲線行駛，四分之一的路程為，因此路程對Y一階導(dǎo)數(shù)，則為一個常數(shù)，而行駛路程曲線為圖3圖3玩具小車行走軌跡則小車是以近似余弦函數(shù) (2.5)行走的恒定周期函數(shù)。 2.1.7 微調(diào)方法當障礙物的間距改變時，可以通過改變初始位置（即小車運動軌跡函數(shù)的振幅）及小車前輪距偏心輪外側(cè)水平距離，進行微調(diào)，從而是小車能安全繞過障礙物。第三章 技術(shù)設(shè)計3.1 技術(shù)設(shè)計要求技術(shù)設(shè)計階段的目標是完成詳細設(shè)計確定個零部件的的尺寸。設(shè)計的同時綜合考

27、慮材料加工成本等等因素。3.2 轉(zhuǎn)向與微調(diào)設(shè)計3.2.1 小車的轉(zhuǎn)向控制小車繞過固定等間距障礙物，分析其轉(zhuǎn)向控制過程： 圖4 曲柄連桿+搖桿機構(gòu)圖5轉(zhuǎn)向機構(gòu)分析圖圖6小車虛擬轉(zhuǎn)向過程的分析圖如圖5所示，小車從位置出發(fā)，途徑、三個位置到達位置完成一個周期的運動。在此過程中，偏心輪從A位置出發(fā)，經(jīng)過B、C、D三個位置，又回到A位置，完成一個周期的運動。其中，偏心輪的A、C位置對應(yīng)小車的、位置，即為最大偏角位置；偏向輪的B、D位置對應(yīng)小車的、位置，即為直走位置。由圖5A所示可得出小車最大轉(zhuǎn)角的關(guān)系式 (3.1)所以可得出 3.2.2 前輪轉(zhuǎn)向輪最大偏角的計算圖7前輪偏轉(zhuǎn)范圍示意圖設(shè)前輪最大偏角的最小

28、極限值為，最大極限值為，其中： (3.2) (3.3) 要使小車安全的繞過障礙物，則必須滿足以下條件： 而： 則 滿足以上條件4。3.2.3 微調(diào)機構(gòu)的設(shè)計和分析 要改變障礙物的間距，則通過微調(diào)來實現(xiàn)小車安全繞過障礙物：以障礙物間距減小為例，進行微調(diào)分析如下：圖8：微調(diào)原理示意圖 如圖7可知，當障礙物間距減小，然后調(diào)整小車的初始位置，則相對A點向上到 點。、原曲線的軌跡方程為 (3.4) 、當改變障礙物間距后，進行微調(diào)使小車前進軌跡的振幅為： ，調(diào)整后曲線的軌跡方程為 那么一個周期曲線的長度為：由于小車微調(diào)后在類勻速運動過程中其速度和周期不變，則在一個周期內(nèi)小車行走的路程也不變，即 已知,可求

29、得 (3.5) 調(diào)后小車前輪最大轉(zhuǎn)角 (3.6)偏心距e為設(shè)計固定已知值，由、可求得前輪支撐軸距連桿的水平距離為多少。 結(jié)：由已知障礙物間距減小量可算出微調(diào)量與。并且：障礙物間距增大，可以用同樣方法可解決微調(diào)的問題。 在設(shè)計的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進行了小車整體結(jié)構(gòu)的PROE運動學(xué)仿真分析，發(fā)現(xiàn)小車整體機械結(jié)構(gòu)無干涉和死點等嚴重問題，表面小車的設(shè)計理論是合理的。第四章 建立數(shù)學(xué)模型及三維參數(shù)確定4.1 能耗規(guī)律模型為了考慮簡化分析，首先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為，所以小車能量的傳遞效率為。車輪與地面的摩擦力阻力系數(shù)為，在理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克

30、服阻力前進上11。那么則有 為第i個輪子對地面的壓力。為第i個輪子的半徑值。為第i個輪子行走距離。為小車的總質(zhì)量。為了更全面的理解小車的各個參數(shù)值的變化對小車前進距離的變化下面分別從1.輪子與地面的滾動摩摩阻、2.車輪的半徑、3.小車的重量、4.小車能量轉(zhuǎn)換效率等這四方面考慮。通過努力查閱資料知道一般材料的滾動摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。下圖為當車輪半徑分別為（222mm，70mm）摩阻系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5.mm時小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖（圖9）由上圖9滾動摩阻系數(shù)對小車的運動影響是非常顯著的，因此在設(shè)計小車時也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩

31、阻系數(shù)盡可能小等。同時可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進的距離也提高一倍。所以應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡化機構(gòu)，充分潤滑等。圖9小車行走的距離隨著摩擦系數(shù)的變化圖圖9摩阻系數(shù)為0.5mm，車輪半徑依次增加10mm時的小車行走的距離與小車內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖。圖10小車行走的距離隨著輪子的半徑的變化圖由圖10可知，增加1cm小車便可多前進1m到2m。因此在設(shè)計時應(yīng)考慮盡可能增大輪子的半徑。圖11小車行走的距離隨著重量的變化圖由圖11可知，小車的質(zhì)量越輕，其行走距離越遠。因此，在設(shè)計小車的過程中應(yīng)盡量減少機構(gòu)，采用密度更小的材質(zhì)。4.2 運動分析因為驅(qū)動輪，所以轉(zhuǎn)矩，輪的轉(zhuǎn)矩，

32、剛開始時摩擦力為靜摩擦力，要使小車運動，原動力f要大于最大靜摩擦力，拉力F一定，輪的轉(zhuǎn)矩為，越大，所以原動力越大。越大，初始角加速度就會越大，轉(zhuǎn)動的就會越快，車啟動的就會快。運動時， g= F +m物a線+ F阻力, 隨著速度的增加，F(xiàn)阻力先減小，a線增加時，a輪增加，輪的轉(zhuǎn)矩M也會增加，原動力與 F成正比，F(xiàn)增加；也就是說F與a線的變化一致，隨著速度增加，F(xiàn)阻力逐漸增加，a線減小，F(xiàn)就會減小，輪的轉(zhuǎn)矩，原動力與 F成正比的比例減小，那么減小的更多，逐漸等于阻尼轉(zhuǎn)矩，小車做勻速直線運動。當線繞時，原動力小于原動轉(zhuǎn)矩已經(jīng)小于阻尼轉(zhuǎn)矩， a線從0開始減小，但是由于慣性小，車依然運動，重塊減速下落碰

33、撞產(chǎn)生的能量損失較小。4.3 動力學(xué)分析在物塊的重力勢能轉(zhuǎn)變成車的動能時圖12 小車重力勢能簡化圖5 在重物下落過程中，由繩子的拉伸帶動小車前進，在給定重物下落距離的情況下，小車行駛的距離與繞繩軸直徑和車輪直徑有關(guān)系，對于本車h=400mm，由于繞繩的原因我們?nèi)?4mm，行駛的路程為 (4.2)其中n為500 mm繩子繞驅(qū)動軸的圈數(shù)，R為輪子半徑，R=60mm, (4.3) S1=7.9m當重物下落到框架上時， 表示小車和配載荷質(zhì)量，M表示重物質(zhì)量，小車和配載荷的速度為，重物的速度為V， (4.4) 經(jīng)運動分析可知：在重物下落過程中小車很長一段時間為勻速直線運動，小車本身為平衡體系，所以N等于

34、小車和配載荷及物塊的總重量為: N=17.64N，表示滾動摩擦系數(shù)，由查表得=2.5mm解得 =25.7rad/sm/s當物塊落在框架上后，前后車身分離，小車和配載荷的動能轉(zhuǎn)換為它的滾動摩擦能 (4.5)=2.9m，S=10.4m所以小車所走的總距離約為10.4 米。4.4 各參數(shù)的確定以上各機構(gòu)總質(zhì)量為：1.4855kg則：小車的總質(zhì)量為下表 表4-1小車各機構(gòu)質(zhì)量及尺寸一覽表：前輪結(jié)構(gòu)：（單位：mm、mm、kg）    注：材料均為鋁合金前輪：直徑：60軸孔直徑：4厚度：4質(zhì)量：0.009747前輪軸：直徑：4軸長：30質(zhì)量：0.0010174前輪架

35、： M（總）=1.4855+M（總物）=2.48552.78Kg護輪架：長：22寬：10高：45厚：4軸孔直徑：4質(zhì)量：0.02673輪架上固定軸：長：60直徑：4質(zhì)量：0.00203472套筒：直徑：10厚：1底面軸孔：4底面距輪架：20帶槽搖桿：槽結(jié)構(gòu)中心距固定軸軸心：41槽結(jié)構(gòu)總長：20槽壁厚：2槽結(jié)構(gòu)高：4質(zhì)量：0.00139039底板、車架：底板：底板總長：180寬：170厚：10質(zhì)量：0.8262底板前端凸臺：總長：50高：70厚：10質(zhì)量：0.0945偏心輪和連桿：偏心輪直徑：60偏心距：15厚度：5軸孔直徑：3質(zhì)量：0.019089偏心柱直徑：5高度：15質(zhì)量：0.019089

36、連桿及其滑槽：連桿寬度：4長度：83.5高度：6質(zhì)量：0.054108連桿滑槽寬度：4長度：40高度：14壁厚：2槽結(jié)構(gòu)總長度：36質(zhì)量：0.005562連桿柱直徑：4長度：10質(zhì)量：0.00033912帶輪：大帶輪直徑：71厚度：5包角：200.3°中心距：147.5質(zhì)量：0.21368799小帶輪直徑：25厚度：5包角:159.7質(zhì)量：0.0264938皮帶（Y型）節(jié)寬：5.3頂寬：6高度：4橫截面積：18楔角： 40°基準長度：450質(zhì)量：0.009后輪結(jié)構(gòu)：后輪：直徑：127.4厚度：5軸孔：6質(zhì)量：0.180333后輪軸：直徑：6長度：200質(zhì)量：0.015260

37、4故：符合理論設(shè)計要求4.5 整體設(shè)計裝配圖圖13原動機構(gòu)圖14傳動機構(gòu)圖15推力軸承圖16小車車板圖17 玩具小車裝配圖6第五章 全文總結(jié)5.1 小車優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）小車機構(gòu)很簡單，單級齒輪傳動，損耗能量很少；（2）多處采用微調(diào)機構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物；（3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠；（4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過快。缺點：（1）小車精度要求很高，由于加工的機床精度不夠，產(chǎn)生了不可避免的誤差，導(dǎo)致后期的裝配有了一些瑕疵；（2）調(diào)各個機構(gòu)都很費時間，避障穩(wěn)定很差，時而偏左，時而偏右。5.2 改進方向小車的最大缺點是精度要求非常的高，所以1、小車的精度要求，使能夠調(diào)整簡單，小車便能達到很好的行走效果。2、精度更高的加工機床，可以有效的避免加工過程中產(chǎn)生的一些誤差。參考文獻