S型无碳小车结构设计_李立成.pdf

S 型无碳小车结构设计 * 李立成， 徐漫琳， 柯昌辅 ( 重庆大学 城市科技学院， 重庆402167) 摘要: 针对全国大学生工程训练综合能力竞赛命题 “无碳小车” 的要求， 对小车进行创新性设计， 主要是传动和转向 机构设计， 借助计算机对无碳小车行走轨迹进行了计算仿真， 优化设计参数。实践证明， 小车运行平稳， 性能优越。 关键词: 无碳小车; 转向机构; 行走轨迹; 计算仿真 中图分类号: V462 2文献标志码: A 文章编号: 1007 4414( 2015) 03 0152 03 Structural Design for the S Shaped Carbon Free Vehicle LI Li cheng，XU Man lin，KE Chang fu ( City College of Science and Technology，Chongqing University，Chongqing402167，China) Abstract:Aiming at the national college students engineering and comprehensive training ability competition named carbon free vehicle，a study of its innovative structural design is made in this paper，mainly about design for the transmission mechanism and the steering mechanism Calculation and simulation for the treading track of carbon free vehicle are pro- cessed under different structural parameters by computer，and the design parameters are optimized The practices prove that the vehicle is running smoothly，and has superior performance Key words:carbon free vehicle;steering mechanism;treading track;calculation and simulation 0引言 本设计源于全国工程能力竞赛无碳小车的设计， 该竞赛 S 型组要求设计一个以指定重力势能为唯一 驱动能量的具有方向控制功能的自行三轮小车( 1 个 转向轮， 2 个驱动轮) 。该自行三轮小车在前行时能 够自动避开赛道上设置的障碍物( 每间隔 1 m，放置 一个直径 20 mm、高 200 mm 的弹性圆棒障碍物) 。 小车的设计要求在赛道内连续稳定的穿过障碍物， 运 动轨迹的幅值越小， 再给的能量和传动比下绕过的障 碍物数就越多， 但运动轨迹幅值越小越障难度越大。 1设计概述 无碳小车应有转向机构和驱动机构组成。无碳 小车的理论行走距离与驱动机构的传动比以及无碳 小车的驱动轮的直径有关。重锤给定的能量 4 J， 这 部分能量主要消耗在小车与地面的摩擦做功和小车 内部零部件的摩擦做功。为了使小车行驶距离更远， 减小小车对地面的摩擦， 适当的减小整车质量。小车 主要由成动力机构、 齿轮传动机构、 曲柄连杆机构、 连 杆前轮转向机构四个机构组。 1 1动力机构 小车原动机构要求: 保证小车能在静摩擦状态下 能够启动; 小车的行进速度要适当有利于小车在 S 型 路线行驶下的稳定性， 图 1 为无碳小车传动原理图。 以小车为研究对象， 受力情况如图 2 所示， D1、 D2、 D3是重锤作用在小车底板上的作用力 F1、 F2、 F3 是车轮对地面的正压力， 在小车静止或者匀速的状态 下， 这 6 个力构成了空间平衡力系。 图 1无碳小车传动原理图 图 2无碳小车的受力分析 在空间建立坐标系， 列出平衡方程式为: Fz = 0， F1+ F2+ F3 P1 P2 P3=0 251 设计与制造2015 年第 3 期 ( 第 28 卷， 总第 137 期)机械研究与应用 *收稿日期: 2015 03 21 基金项目: 重庆大学城市科技学院教学改革研究项目( 编号: YJ1403) 作者简介: 李立成( 1984 ) ， 男， 河南信阳人， 助教， 主要从事机械设计制造及其自动化方向教学与研究方面的工作。 DOI:10.16576/ki.1007-4414.2015.03.038 MX( F)= 0， F 1180 mm P1155 mm P3110 mm =0 MY( F)= 0， P3 25 mm F252 mm P2 25 mm + F352 mm =0 上式中 D1、 D2、 D3分布在等边三角形的顶点上 D1= D2= D3=8 N， F1=11 78 N，F2= F3=6 11 N 小车在行驶过程中是周期性转向的， 当出现转弯 半径最小， 这个时候小车的同轴的两个轮子应该差 速， 因此小车同轴两轮应具备差速的功能防止侧翻。 如果小车在行驶过程出现向右倾翻的情况在图 2 中 对应的 F3 =0， P325 mm F252 mm P225 mm + F3 52 mm + FMAX400 mm =0 其中 FMAX= m vmax MIN 则 VMAX= FMAX MIN 槡 m 因此， 小车的整体设计， 小车的传动比设计， 与绕 线轮的设计， 达到小车运动行驶性能的优化。 1 2无碳小车的传动机构的设计 无碳小车的传动机构中采用一级齿轮传动2 ， 传动效率高达 98%， 小车总的行走能力与传动比有 关， 但在比赛项目中， 成功绕过障碍物是衡量小车的 行走能力的指标。因此在小车的设计中， 要考虑小车 每走一个周期的轨迹距离， 小车偏移障碍物的距离等 问题。根据要求， 大轮直径 200 mm， 设计的小车宽度 为 140 mm， 小车成功绕障必须偏移 70 mm 以上， 在 传动比设计上， 传动比大小适当， S 型轨迹的偏移量 要适当。偏移量过小在后期的小车调试阶段任务繁 重， 偏移量过大造成小车成功绕障的个数太少， 为了 解决这一问题， 使用计算机编程寻求偏移量 d 与传动 比 k 之间的关系， 最终确定小车的最优行驶轨迹。 将无碳小车的行驶轨迹近似处理视为正弦曲线， 拟定每个周期轨迹方程式 y = Asin x， 将无碳小车的 行走长度的 1/4 计算出来乘以 4 即可得到小车每个 周期的行走长度， 无碳小车行走的 1/4 长度近视看成 /2， y = Asin ( 2 L 2 x) ， 其中 A 为无碳小车行走 轨迹的幅值， 幅值要大于车宽度的 1/2， L 为小车的要 绕过的桩距。 以无碳小车越障 1 m 的间距为例进行编程计算 #include stdio h #include math h void main( ) double x， y， s， m， A， l， k; int i =1000; l =0 5/i; s =0; x =0 5/i; printf( 请输入 A 值) ; scanf( %lf， A) ; y = A*( sin( 3 1415926* x) sin( 3 1415926* ( x l) ) ) ; while( x =0 5) m = y* y + l* l; s = s + sqrt( m) ; x = x + l; s = s* 4; printf( 小车每周期行驶距离为: %lfn， s) ; k = ( s/3 1415926) /0 2; printf( 小车传动比为: %lfn， k) ; 第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的常 规距离为1 m 的桩距， 通过计算机运行输入不同的偏 移量 d 得到运行轨迹 s 与传递比 k 的值。 表 1无碳小车在 1m 桩距不同偏移量下轨迹与传动比数据 偏移量 A/mm每个周期的轨迹长度 S/mm 传动比 k 10020943333 20023593755 25025414043 30027454369 35029694726 40032085106 考虑赛道的实际情况， 偏移量取 d =250 mm， 每 个周期的轨迹长度为 2 541 mm， 传动比确定为 k =4， 小车的理论行走能力为 46 82 m。 1 3转向机构 S 型无碳小车的转向可以通过曲柄摇杆机构来 实现 3 ， 如图 3 所示， 构架之间满足的关系 AB2 + AD2 = CD2+ BC2机构来实现左右均匀摆动， 保证无碳小 车周期性转向成功绕过障碍物， 为了实现稳定的周期 转向， 曲柄摇杆机构的行程速度要稳定， 曲柄连杆机 构五快回特性。无碳小车的转向机构如图 3 所示。 根据设计的齿轮传动的传动比 k = 4， 小车的车 轮直径为200 mm， 运用 matlab 工具进行轨迹的仿真， 并记录相应的仿真数据如表 2 所列。 351 机械研究与应用2015 年第 3 期 ( 第 28 卷， 总第 137 期)设计与制造 图 3无碳小车的转向机构 表 2不同桩距下无碳小车的仿真参数 /mm 桩距 主动轴带 轮直径 曲柄轴带 轮直径 曲柄长度 摇杆长度 连杆长度 700201929 554945 75020192953 8945 800201927 854 1932 850201925 252 3946 900201925 349 9951 950201525 153 295 1000201925 151 8952 1050201525 350 5954 1100201920 251954 1150201920 547 7957 120020191848 6959 1250201915 14796 130020191548 2969 根据已有的设计参数， 以及需要调节的构件的尺 寸范围进行设计， 运用计算 Proe 三维设计软件进行 设计并进行运动仿真， 保证运动部件之间无机械冲 突。Proe 的三维设计整体设计如图 4 所示。 图 4无碳小车整体设计 2无碳小车的调试 无碳小车竞赛中， 有不同的桩距， 在 700 1 300 mm 之间以每 50 mm 为一个变化单位抽取) 。障碍物 为直径 20 mm、 高 200 mm 的圆棒， 沿赛道中线等距 离摆放。为了适应不同的桩距， 要调节小车的曲柄的 长度， 曲柄的转速， 摇杆的长度以及微调连杆的长度。 根据设计的齿轮传动的传动比 k = 4， 小车的车 轮直径为 200 mm， 调节主动轴带轮直径、 曲柄轴带轮 直径、 曲柄长度、 摇杆长度、 连杆长度来实现无碳小车 的绕过不同桩距的障碍物。在无碳小车调试中， 为了 使小车行走的估计关于赛道的中心线对称， 因此小车 前轮向右和向左摆动的角度要对称。无碳小车的轨 迹的幅值和桩距的大小主要取决于以下两方面。 ( 1)无碳小车曲柄的转速可通过选择主动带轮 直径与曲柄轴带轮直径， 本设计中用了两种不同的曲 柄轴带轮直径分别是 15 mm 和 19 mm。桩距不同要 求轨迹长度就不同， 转向的快慢也就不同， 适当调节 主动轮与曲柄的转动比可改变曲柄的周期。 ( 2)在长度一定的情况下， 摇杆的长度增大连杆 也相应增大， 摇杆长度越大前轮的转角越小， 轨迹的 横向幅值越小， 但是每个周期的纵向长度增大。当曲 柄的转速和摇杆长度一定， 曲柄减小， 每个周期的纵 向长度也会增大。当根据计算机仿真数据进行调试 无碳小车， 得到实际测量如表 3 所列。 表 3不同桩距下无碳小车的调试参数 /mm 桩距 主动轴带 轮直径 曲柄轴带 轮直径 曲柄长度 摇杆长度 连杆长度 70020192753935 750201927535939 80020192553594 850201925525945 900201925498949 95020152553949 100020192551595 105020152550595 11002019205095 1150201920477953 1200201918486953 1250201916485955 130020191648958 3结语 通过优化设计小车的动力性能4 5 ， 运动的平稳 性， 为小车的整体设计奠定了基础。通过计算机程序 仿真为小车的运动轨迹计算了传动比及调节杆件的 尺寸， 对无碳小车的调试打下了良好的基础， 实践证 明， 不同桩距情况下， 各调节参数的实际与仿真参数 的误差 10%， 小车实际轨迹良好。 参考文献: 1豆龙江， 詹长庚， 庞晨露， 等 无碳小车的机械结构设计J 机 械