S型凸轮无碳小车方案

S型无碳小车设计方案答辩小组成员：张鹏远、杨森、郑铨、陈卓、艾买江目录CONTENT设计要求第一章方案设计第二章运动分析第三章设计要求1设计要求题目一：“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（￠50×65mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。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势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。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。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。最终成品能在规定的赛道上走一个“S”型（图2所示，赛道宽2米，障碍物间距为1米，障碍物为直径20mm、高200mm的圆棒）方案设计2方案设计传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。车架原动机构传动机构行走机构转向机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝板加工制作成。车辆转向机构用以控制各类轮式或履带式车辆的行驶方向的机构。行走机构亦称“行路机构”。汽车或拖拉机底盘的一部分。一、车架车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝板加工制作成。其中三角形结构紧凑但不能携带落下的重物、矩形结构平稳但材料浪费且增加小车自重，而三角形和矩形综合能汇集三角形和矩形的优点同时又避免了主要缺点，因此选用三角形和矩形综合型。二、原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。小车对原动机构还有其它的具体要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。而带轮和链轮适用于电机作为动力的机构中。基于以上分析我们选择绳轮式原动机构。三、传动机构传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。因链轮传动成本较高且传动的平稳性差，加工复杂，因此不适合小车的设计。带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高因此不适合本小车设计。齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定且塑料此轮成本较低。因此选择使用齿轮传动。四、转向机构这次的比赛主要是绕距离1米的杆行走，所以转向机构在这次的设计中起着至关的作用。而在我们的讨论中，我们主要推出了两个方案：1.凸轮加连杆2.凹槽凸轮机构对于1方案，我们认为凸轮可以随着所需而加工成不同的形状，这样就可以准确定位小车的行走路径。但是该方案的设计难度与加工难度过高，实际操作难以实现，因此我们排除1方案。对于2方案，通过高副接触使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动，该转向机构具有结构紧凑、简单、设计方便、高精确度等优点。五、行走机构行走机构亦称“行路机构”。汽车或拖拉机底盘的一部分。由于小车是沿着Ｓ型轨迹曲线前进，后轮必定产生差速问题。如果采用双轮驱动，当小车在转向时便会导致车身的不稳定，甚至是侧翻，更难以保证运行轨迹的精确性。为了解决上述差速问题，笔者采用简便、能耗小的办法———单轮驱动，也就是将从动轮轴上的一个后轮作为驱动轮，其与从动轴建立必要的旋转约束，以便传递扭矩；而另一个后轮则通过轴承套在轴上，不建立与从动轴的旋转约束，在前进过程中配合主动轮的转向能够自动调速，从而保证小车前进过程中车身的稳定性，提高运行轨迹的精确性。凸轮尺寸设计：１）确定基圆半径。为防止凸轮在转动过程中出现卡死现象，压力角应尽量小一些。在布置推杆导路时，推杆相对凸轮的回转中心应设置一定的偏距，在此取e＝4mm。通过计算以及校验压力角后可知＝30mm较为合适。２）确定滚子半径。由公式＝（0.1～0.5）得＝3～15mm，取＝6mm。凸轮机构确定轮廓：凸轮轮廓设计根据凸轮理论轮廓线的解析模型，在MATLAB环境下，编写符合预定设计效果的Ｍ文件,生成的凸轮基圆、理论轮廓曲线、实际轮廓曲线:brrrbrrrbrrrrr运动分析3一、位移方程设定小车转向轮的运行轨迹如图所示。根据每隔１ｍ设置一个障碍物的预定设计要求，可得出小车转向轮运动轨迹方程：LxAycos式中：L为障碍物的间距（ｍｍ）；A为小车中心偏离赛道的最远距离（ｍｍ）。由于前轮偏离水平位置的正切值即为运行轨迹线上每点处切线的斜率，所以1000sin1000150tan,xy式中：α为摇杆的转角。设导向杆的升程为h，位移为s，其中心线与转向轮支架的距离为m，规定α在转向杆右侧为正，左侧为负。当导向杆处于左、右极限位置时，前轮与水平位置有最大偏角，综合考虑后取h＝6πmm，则m=20mm。由几何关系可得：由上式推导得推杆位移方程式：设凸轮转过的角度为φ。因为动力的限制，后轮直径不宜过大，所以令凸轮每转1圈，从动轴转5圈。φ与x近似呈线性关系，即凸轮转360°，小车在x方向上运行2m。可得推杆位移方程：1000sin10001502tanxmhs31000sin3xs1000x3sin3s二、与轨迹相关的几何参数主从动轴距L；驱动轮和转向轮的偏置距离e；后轮半径R；齿轮总传动比i；驱动轮转速ω；前轮位置函数y（x）。其中L，e，R，i，ω为小车结构参数，是定值。三、转弯状态分析小车的转弯状态如图所示。设小车前轮转弯半径为R２，驱动后轮（主动轮）转弯半径为R１，根据图可得：eRvRvRvABZ121（1）rvZ)(tanteLRvA)(sincosteLRvB（2）（3）（4）简化模型的轨迹方程当A点和B点位于前轮转角为θ（t）时的速度瞬心，三轮结构小车模型可以简化为二轮车结构。设二轮小车某一时刻前轮转角为θ（t），A代表主动轮轴心，B代表转向轮轴心。在一个微小的时间段ｄt内，小车由AB移动到A'B'，如图所示。由图可得dtLtvdA)(tan基于小车车身上任意点在相同时刻的α的变化量相同，可以得到车上任意一点轨迹参数方程。如主动轮轴心点Z轨迹参数方程为：（5）dtVxtZcos0dtVytZsin0三、主动轮轨迹分析以障碍物间距为１０００ｍｍ时，主动轮的运行轨迹为例进行分析。首先假设L＝140mm，e＝50mm,R=120mm，i＝５，ω＝５rad/s，转向轮在地面坐标系中的位置函数为：1000cos150xy则转向轮的转角θ（t）满足以下关系：1000sin1000150)(tanxt（6）（7）（8）（9）根据上述分析，可得：ttixx100020002ttsin1000150)(tan（10）（11）联立（3）、（5）、（11）得：dtttdsin0075.014.0sin09.0令09.0a14.0b0075.0c可得：22222tanarctan2abctbcbcabtca感谢你们的聆听THANKYOUFORYOURLISTENING!