无碳小车结构设计与分析_胡红英.pdf

第 15 卷第 5 期 2013 年 9 月 大 连 民 族 学 院 学 报 Journal of Dalian Nationalities University Vol 15， No 5 September 2013 收稿日期: 2013 04 14; 最后修回日期: 2013 06 28 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( DC110320， DC120101012， DC120101014) 。 作者简介: 胡红英( 1973 ) ， 女， 山东武城人， 副教授， 博士， 主要从事计算机辅助设计 CAD 故障诊断研究。 文章编号: 1009 315X( 2013) 05 0500 05 无碳小车结构设计与分析 胡红英， 于金普， 包耳 ( 大连民族学院 机电信息工程学院， 辽宁 大连 116605) 摘要: 以第二届全国大学生工程能力综合训练竞赛 “无碳小车” 为基础， 结合机械原理、 机械设计的理 论知识， 设计了 3 个可以自动绕过障碍的小车， 主要是传动和转向机构设计; 借助工程计算软件 Matlab 对 不同结构的小车轨迹进行了精确的仿真计算， 确定了各结构参数对轨迹的影响; 最后用三维造型软件 Pro/E 对小车进行了整车造型。将机构设计与计算机辅助工程灵活地结合起来， 为机械结构创新设计提 供了有利的借鉴。 关键词: 无碳小车; 结构设计; 轨迹分析 中图分类号: TH12文献标志码: A Structure Design and Analysis of Carbon free Cars HU Hong ying，YU Jin pu，BAO Er ( College of Electromechanical and Information Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China) Abstract: Based on the 2nd national college studentsengineering and comprehensive training ability competition named“Carbon free Car” ，the paper designs three kinds of cars com- bined with the knowledge of the mechanical theory and design The three cars have appro- priate steering structure so that they can automatically turn around to avoid the obstacles Their paths are calculated and simulated by the computer aided design engineering software Matlab so as to determine the parameters which affect the paths Finally，the whole cars are modelled by 3D modelling software Pro/E Combining structure design and CAE together flexibly，these designs provide a useful reference for innovative design of mechanical struc- ture Key words: Carbon free Car;strueture design;path analysis 本设计源于 2010 年第二届全国大学生工程 能力综合训练竞赛“无碳小车” ， 该竞赛要求设计 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) 。以小车前行 距离的远近以及避开障碍物的多少来综合评定运 行成绩。 竞赛的难点在于设计小车的结构是否能顺利 绕过障碍， 而不偏离赛道， 因此小车的运动轨迹应 为如图 1 的 S 形( 小车在出发线上的出发点位置 及方向可自定， 但必须在赛道宽度内) 。S 形轨迹 的周期为 2 m， S 形轨迹幅值的大小视车的宽度而 定， 车越宽， 则幅值应设置的越大， 以免车拐弯时 碰到障碍。可见， 小车的转向机构设计是小车顺 利绕过障碍的关键。同时， 为了减少势能损耗， 硬 件小车宽降低幅值。 DOI:10.13744/21-1431/g4.2013.05.012 -,*. +*+*+*+* 50 7/4 6312 图 1小车运动轨迹示意图 S 形轨迹 传统的设计方法只能大略地计算出转向轮的 转角范围， 估计行驶轨迹 1 。而实际的行驶轨迹 则需制作出具体机构后再根据实际行走的情况来 确定。其缺点是: 如果实际行驶轨迹无法达到要 求， 已经制作出的机构只能废弃， 不但浪费了材料 也浪费了时间。在 CAD、 CAE 技术迅速发展的今 天， 机构设计可以通过 CAE 软件的辅助来完成， 复 杂的数学运动方程可轻松的转化为图形模拟仿真 的效果来展现 2 ， 所以将机构设计分析与 CAE 软 件有机结合将是机械设计师应具备的基本能力 3 。 本论文对无碳小车进行了简化， 设计了后轮 驱动， 前轮转向的避障小车。使用 CAE 软件 Mat- lab 来精确计算转向机构确定后的小车行驶轨迹， 以确定轨迹的合理性。用 Pro/E 对小车进行三维 造型， 以确定小车的结构。 2无碳小车结构设计 无碳小车借鉴三轮车转向原理， 1个前轮为 转向轮， 2 个同轴后轮， 其中一个后轮( 在以下三 个方案中均用 r1表示其半径) 与轴固定作为驱动 轮， 即重锤下落驱动此后轮; 另一后轮空套在轴 上， 以实现拐弯时的差速效果， 并支撑整个车架的 平衡。整个小车的运动形式为后轮驱动， 后轮的 旋转运动通过传动机构将运动传给前轮转向机 构， 从而驱动前轮在运动过程中转向。转向机构 可通过曲柄滑块机构、 凸轮机构等来实现， 下面介 绍 3 种可走 S 形轨迹的无碳小车设计方案。 2 1方案一 曲柄导杆机构 设计如图 2 的三轮小车结构， 锥齿轮 Z1固定 在后驱动轮上， 半径为 r1。经锥齿轮对 Z1/Z2减 速传动到一根竖直轴上， 此竖直轴上装着一个曲 柄， 曲柄上连着一个导杆， 导杆与前轮竖直轴上的 滑道滑动连接， 形成转向机构， 机构示意图如图 2， Pro/E 三维造型如图 3。 23 0* 813.+ 813.* - , / 43567 图 2方案一小车整车结构示意图 358/+ 720 935/, 451+ 651,.-* 图 3锥齿轮啮合和转向杆构件三维造型图( 左) ， 小车整体造型图( 右) 由图 2 可知， 前轮转角 为 4 = arctan( esin( ) /( L ecos( ) )( 1) 其中， e 为曲柄长度， L 为前轮中心到齿轮 Z2中心 的水平距离， 为曲柄转角; 则前轮速度 V2为 V2= v2e j ，( 2) 其中， v2为前轮线速度。 前轮位移 S 为 S = V2dt = v2e j dt = v1e j dt = r1w1e j dt = r1w2iearctan( esin( ) /( L ecos( ) ) ) jdt，( 3) 其中， v1为后轮线速度， w1为后轮( 齿轮Z1) 转速， r 1为 后轮半径， i 为两齿轮的传动比( i =Z2/Z1=w1/w2) ; 由公式( 1) 可知， 调整曲柄长度及前轮中心到齿 轮中心的水平距离可调整前轮摆角， 从而可以改变 小车轨迹曲线的幅值; 由公式( 3) 可知， 调整后轮半 径 r 1、 两齿轮的传动比 i 可调整小车轨迹周期长度。 用 Matlab 编写计算( 3) 式位移， 调整各参数 为 r1 =150， e =55， L =93， i =2 4， 计算得到的小车 105第 5 期胡红英， 等: 无碳小车结构设计与分析 行驶轨迹曲线如图 4。轨迹曲线的幅值为 212 mm， 周期长度为 2 040 mm， 即 2 04 m。 该方案是通过一对锥齿轮啮合传动， 通过 e 和 L 来直接改变前轮摆角 的大小; 整个车的结 构对称平衡， 保证了车行驶过程中的稳定性。但 同时限制了小车两后轮之间的距离必需大于 2e， 后轮间距增大会加大车宽， 因此要求轨迹曲线的 幅值应足够大， 以免小车绕障碍时撞到障碍物上。 此处幅值为 212 mm， 考虑到车与障碍物之间应有 一定的空隙， 因此， 此设计能顺利地绕过障碍。 图 4计算轨迹 2 2方案二 曲柄滑块转向机构 设计如图 5( 左) 的三轮小车结构， 后轮驱动， 经圆柱齿轮对 Z1/Z2减速传动到前轴， 前轴配有 曲柄 E， 连杆 L 与滑块铰接， 滑块与前轮的竖直轴 通过一个连接杆 h 连接在一起， 形成转向机构， 如 图 5( 右) ， 整车 Pro/E 三维造型图如图 6。 9: 4+ 98: 5+ 5, ;8: . 9: / 4, ;: 2 . 3, 5, /2 4, - ;: 617 607 图 5方案二小车整车结构示意图( a) 及转向机构示意图( b) 0+-+,* 41. 32/ 图 6方案二小车整体造型图 如图 5( 右) ， 当曲柄 E 逆时针旋转到某角度 时， 滑块与前轮轴心距离最短， 设此时 B 点位置为 原点( 0， 0) ， 且以 BO2为 X 坐标的正方向， 则滑块 移动轨迹 l 为 5 l = E( 1 cos( ) )+ E2sin( ) 2 /( 2* L)= E( 1 cos( w2t) )+ Esin( w2t) 2 /( 2* L) ，( 4) 其中， E 为曲柄长度， L 为连杆长度， 为曲柄逆时 针转角， 且 = w2t， w2为齿轮 Z2转速， t 为时间。 前轮转角 为 = arctan( l/h) ，( 5) 其中， h 为连接滑块与前轮竖直轴的连接杆的长 度， 也是前轮轮心到滑块的水平距离 ( 如图 5 ( 右) ) 。 前轮速度 V3为 V3= v3e j ，( 6) 其中， v3为前轮线速度。 前轮位移 S 为 S = V3dt = v3e j dt = v1e j dt = r1w1e j dt = r 1w1e j dt，( 7) 其中， v1为后轮线速度， w1为后轮( 齿轮 Z1 ) 转 速， r1为后轮半径， i 为两齿轮的传动比。 由公式( 5) 可知， 调整曲柄长度 E、 前轮到 滑块的水平距离 h 可调整前轮摆角， 从而影响 轨迹曲线的幅值。由公式( 7) 可知， 调整后轮 半径 r1、 两齿轮的传动比 i 调整轨迹周期。 用 Matlab 编写计算位移程序， 调整各参数为 r1=150， E =60， L =200， h =70， I =2 5， 计算得到 的小车行驶轨迹曲线如图 7。轨迹曲线的幅值为 297 mm， 周期为 2 09 m。 205大连民族学院学报第 15 卷 图 7方案二小车行驶轨迹 方案小结: 该方案的设计通过曲柄滑块机构， 曲柄的连续转动转化为滑块的往复运动， 使前轮 做周期性的左右摆动; 但由于滑块在前轮轮轴轴 心到滑块的最短距离 h 位置处不是左右的往复运 动对称点， 致使前轮左右摆动不是在如图 5( 右) 所示的初始位置处对称摆动， 生成的轨迹曲线是 一呈一定斜角的 S 形。若调整该方案小车行驶出 发点的初始状态， 也是可行的。 2 3方案三 凸轮滑块转向机构 设计一个凸轮滑块机构， 设计凸轮廓线为: s ( )= R + e*sin( ) ， 其中， R， e 为常数， ( 且 R 只与 凸轮大小有关， 与小车运动轨迹无关， 可任意选 取。 ) ， 凸轮廓线及推杆位移曲线如图 8， 凸轮滑块 转向机构如图 9。传动依然采用两圆柱齿轮对 Z1/Z2。整车 Pro/E 三维造型见图 10。 .10/ ,*- ,+- 图 8凸轮廓线( 左) 及推杆位移曲线( 右) 1/ + 0/ * -. 2, 图 9凸轮滑块转向机构示意图 .*.+.,.- 25/* 65157034 图 10方案三小车整车造型图 若滑块初始位置如图 9， 则滑块移动轨迹为 l = e*sin( )= e*sin( w2t) ，( 8) 其中， 为转角， 且 = w2t， w2为凸轮转速， t 为时间。 前轮转角为 = arctan( l/h) ，( 9) 其中， h 为前轮轴心到滑块的距离( 如图 5) 。 前轮速度 V3为 V3= v3e j ，( 10) 其中， v3为前轮线速度。 前轮位移 S 为 S = V3dt = v3e dt = v1e j dt = r1w1e j dt = r1w1ie j dt，( 11) 其中， v1为后轮线速度， w1为后轮( 齿轮 Z1) 转速， r1为后轮半径， i 为两齿轮的传动比。 由公式( 8) 和( 9) 可知， 调整 e 和前轮到滑块 的距离 h 可调整前轮摆角， 从而影响轨迹曲线的 幅值; 由公式( 11) 可知， 调整后轮半径 r1、 两齿轮 的传动比 i 可调整轨迹周期。 用 Matlab 编写计算位移程序， 调整各参数为 r1=150， e =28， R =40， h =30， i =2 5， 计算得到的 小车行驶轨迹曲线如图 11。轨迹曲线的幅值为 281 5 mm， 周期为 2 m。 图 11方案三小车行驶轨迹 方案小结: 该方案弥补了方案 2 的缺陷， 使滑 块在如图 9 的位置处做左右对称的往复运动， 使 305第 5 期胡红英， 等: 无碳小车结构设计与分析 得小车的计算轨迹为一理想的 S 形曲线。 3基于 Pro/E 的小车整车设计 3 1方案一小车三维建模 由 2 1 节可知， 方案一中各个参数分别为: e =55， L = 93， r1= 150， i = 1 / 2 = Z2/Z1= 2 4 = 48/20， 前轮 r2= 30; 通过 Pro/E 参数化设计的功 能， 用参数化创建两锥齿轮6 7 ， 其传动比为 2 4 ( Z2=48， Z1=20) ; 为了调整曲柄长度， 在曲柄上 做出槽; 导杆处考虑到摩擦耗能， 采用两滚轮变滑 动为滚动， 以减少摩擦， 具体结构如图 3( 左) 。图 3( 右) 为小车整车造型图。 3 2方案二小车三维建模 由 2 2 节可知， 方案二中各个参数分别为: r1 =150， E = 60， L = 200， h = 70， i = 2 5 = Z2/Z1= 50/20， 齿轮模数 m = 1。通过齿轮参数化设计的 方法创建齿轮 Z1= 20 和 Z2= 50。图 6 即为小车 整车造型图。 3 3方案三小车三维建模 由 2 3 节可知， 方案三中各个参数分别为: r1 =150， e =28， R =40， h =30， i =2