畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
教學(xué)單位：機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)：
學(xué)生姓名:
指導(dǎo)教師:
指導(dǎo)單位：機(jī)電工程學(xué)院
完成時(shí)間：2016年3月20日
ＸＸＸＸ學(xué)院教務(wù)處制發(fā)
II
無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘 要
本文圍繞無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)，以全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的競(jìng)賽命題為核心，系統(tǒng)地說(shuō)明了符合比賽要求的無(wú)碳小車(chē)從設(shè)計(jì)構(gòu)思到參數(shù)計(jì)算以及最后的加工裝配的設(shè)計(jì)思路和步驟。主要介紹了無(wú)碳小車(chē)的機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)成、技術(shù)參數(shù)、零件機(jī)械加工工藝、小車(chē)零部件的加工方式與加工裝配。
無(wú)碳小車(chē)主要由車(chē)體、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為無(wú)碳小車(chē)實(shí)現(xiàn)行駛S型軌跡的機(jī)構(gòu)，是無(wú)碳小車(chē)核心機(jī)構(gòu)。該小車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)正弦機(jī)構(gòu)的原理，在正弦機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化和修改而來(lái)。而微調(diào)機(jī)構(gòu)則是用于調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的周期，使小車(chē)的行駛軌跡能夠根據(jù)實(shí)際需要而改變。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)最為重要的一部分，是實(shí)現(xiàn)競(jìng)賽命題的要求的核心機(jī)構(gòu)。
在小車(chē)加工調(diào)試完成后，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證小車(chē)的設(shè)計(jì)與制造符合競(jìng)賽命題的性能要求。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了我們的綜合能力，并真正能把所學(xué)知識(shí)真正用在工作和生活中。
關(guān)鍵詞:無(wú)碳小車(chē)；正弦機(jī)構(gòu)；單輪驅(qū)動(dòng)；機(jī)械加工
Design and Implementation of carbon-free Vehicle
Abstract
This paper 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 processing 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 mechanical structure, including steering mechanism for carbon-free car bodies to achieve s-bend, that is carbon-neutral core trolley Agency. The car's 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 steering 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 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 錄
1 緒 論 4
1.1 無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽命題要求 4
1.2 無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽環(huán)境 4
1.3 設(shè)計(jì)和加工思路 5
1.4 本設(shè)計(jì)的意義 5
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1 車(chē)體 7
2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 9
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 9
2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 10
3 技術(shù)設(shè)計(jì) 13
3.1小車(chē)齒輪齒數(shù)比的計(jì)算 13
3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 14
3.3后輪半徑與繞線輪半徑計(jì)算 15
3.4標(biāo)準(zhǔn)件及其材料件列表 15
3.5確定非標(biāo)準(zhǔn)件的零件尺寸 16
3.6小車(chē)整體裝配效果圖 17
4小車(chē)的加工裝配以及調(diào)試 18
4.1需要自行加工的零件及加工方法 18
4.1.1使用亞克力板作為加工原材料的工件 18
4.1.2使用鋁合金作為加工原材料的工件 19
4.1.2使用45號(hào)鋼作為加工原材料的工件 19
4.2 小車(chē)的裝配 19
4.3 小車(chē)的調(diào)試 20
5 結(jié)果評(píng)價(jià)分析 22
5.1 小車(chē)設(shè)計(jì)結(jié)果 22
5.2 小車(chē)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn) 22
5.3 改進(jìn)方向 23
參考文獻(xiàn) 24
附錄 1 小車(chē)數(shù)學(xué)模型方程 25
1 緒 論
當(dāng)今社會(huì)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然的污染越加嚴(yán)重，尋求清潔能源的行動(dòng)勢(shì)在必行。無(wú)碳車(chē)的概念開(kāi)始應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)碳車(chē)是一種十分環(huán)保的短途代步工具，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點(diǎn)。無(wú)碳車(chē)的應(yīng)用和推廣對(duì)保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽響應(yīng)了綠色無(wú)碳的社會(huì)潮流，提出了無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽命題要求，而我們通過(guò)設(shè)計(jì)無(wú)碳小車(chē)模型，希望可以為無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽命題提供一種將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的新思路。
1.1 無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽命題要求
以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē)作為要求，設(shè)計(jì)一種小車(chē)，由給定重力勢(shì)能作為能量來(lái)源，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向。給定重力勢(shì)能為4焦耳（取g=10m/s2），競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的重塊（R25×65 mm，普通碳鋼）作垂直下降來(lái)獲得，落差400±2mm，重塊落下期間，必須由小車(chē)承載并與小車(chē)一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車(chē)上掉落。圖1為小車(chē)示意簡(jiǎn)圖。
圖1-1 無(wú)碳小車(chē)示意簡(jiǎn)圖
設(shè)計(jì)要求：
（1）要求小車(chē)行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來(lái)源。
（2）要求小車(chē)具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。
（3）要求小車(chē)為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。
1.2 無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽環(huán)境
競(jìng)賽場(chǎng)地有兩個(gè)，主場(chǎng)地一作為車(chē)賽場(chǎng)地，占地2300平米，場(chǎng)地地面為國(guó)際室內(nèi)球類(lèi)競(jìng)賽用標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合木地板；主場(chǎng)地二作為加工制作裝調(diào)競(jìng)賽場(chǎng)地，配有普車(chē)、普銑、數(shù)車(chē)、數(shù)銑和快速成型等比賽用機(jī)床，配有鉗工工作臺(tái)和鉆床等設(shè)施設(shè)備。加工競(jìng)賽需要的通用工卡量具由參賽隊(duì)自帶。
1.3 設(shè)計(jì)和加工思路
圖1-2 無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)流程圖
1.4 本設(shè)計(jì)的意義
本設(shè)計(jì)主要的工作有：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型及參數(shù)確定、軟件仿真，加工工藝的設(shè)計(jì)，機(jī)械加工，裝配調(diào)試、實(shí)地測(cè)試。其中最為重要的是小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是無(wú)碳小車(chē)的核心機(jī)構(gòu)，只有設(shè)計(jì)好轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，才能讓小車(chē)實(shí)現(xiàn)利用重力勢(shì)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制并可以進(jìn)行微調(diào)，并可以行使更遠(yuǎn)的距離。
通過(guò)進(jìn)行無(wú)碳的小車(chē)的設(shè)計(jì)，我們能夠在進(jìn)行無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中加強(qiáng)自己的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和合作精神，增加我們對(duì)本專(zhuān)業(yè)所學(xué)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，提高我們的對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的能力，讓自己更好鞏固和理解大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)，為我們?cè)谏鐣?huì)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出創(chuàng)造良好的條件。而設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)不僅是滿足競(jìng)賽命題要求，更重要的是：結(jié)合我們所學(xué)習(xí)的知識(shí)，發(fā)揮自己想象力，設(shè)計(jì)并制作出一臺(tái)僅僅利用重力勢(shì)能作為驅(qū)動(dòng)，利用正弦機(jī)構(gòu)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)向控制和微調(diào)，可以行駛S型軌跡的無(wú)碳小車(chē)。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本部分主要是說(shuō)明無(wú)碳小車(chē)的主要機(jī)構(gòu)，以及該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和該機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。無(wú)碳小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為車(chē)體、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、和微調(diào)機(jī)構(gòu)共五個(gè)方面。其中，車(chē)體是小車(chē)全部零件的載體、原動(dòng)機(jī)構(gòu)為小車(chē)提供動(dòng)力、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)傳遞原動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的動(dòng)力、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小車(chē)有規(guī)律的轉(zhuǎn)向、微調(diào)機(jī)構(gòu)改變小車(chē)行駛軌跡的半徑和周期。
2.1 車(chē)體
對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括小車(chē)底盤(pán)，車(chē)輪，軸承座等為小車(chē)提供安裝固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。車(chē)體結(jié)構(gòu)作為為無(wú)碳小車(chē)的上的所有機(jī)構(gòu)提供安裝固定的部件，需要具有良好的硬度和較好延展性，密度低，輕便，同時(shí)還要易于加工，在加工時(shí)不容易變形等特點(diǎn)。在對(duì)比了各種常見(jiàn)的材料的屬性后，初步選定使用鋁或亞力克作為車(chē)體結(jié)構(gòu)的材料。
大多數(shù)常見(jiàn)的鋁合金都比較的輕便，而且加工容易，但是由于鋁合金價(jià)格比較高，所以選擇鋁合金作為小車(chē)的主體材料。而亞克力硬度較大，具有良好的耐沖擊性，而且易于加工，對(duì)加工精度要求沒(méi)有鋁高，而且價(jià)格便宜。亞克力是脆性比較大的，在較薄的情況下受到?jīng)_擊時(shí)容易折斷，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要選擇好亞克力的厚度，確保部件不會(huì)因?yàn)槭芰^(guò)大而折斷。經(jīng)過(guò)考慮，放棄了使用鋁合金作為車(chē)體結(jié)構(gòu)的材料，而選擇了亞克力。
小車(chē)底盤(pán)占小車(chē)整體質(zhì)量比重比較大，而且還承載著大部分的小車(chē)零件，需要具備較高的穩(wěn)定性和保持較輕的質(zhì)量，所以在設(shè)計(jì)小車(chē)底盤(pán)的時(shí)候，將底盤(pán)部分不需要的面積刪減，同時(shí)部分鏤空，為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)留下活動(dòng)空間。為提高底盤(pán)的抗沖擊能力，底盤(pán)前方外圍的角采用了倒圓角處理。
圖2-1小車(chē)底盤(pán)三維圖
小車(chē)一共有三個(gè)車(chē)輪，分別為后左輪，后右輪和前輪，三者的設(shè)計(jì)均不同，前輪為導(dǎo)向輪，后右輪為從動(dòng)輪，后左輪為驅(qū)動(dòng)輪。小車(chē)的采用單輪驅(qū)動(dòng)，后左輪是驅(qū)動(dòng)輪直接與傳動(dòng)軸相連安裝，且使用D字型孔與部分是D字型的軸配合，確保不會(huì)空轉(zhuǎn)。后右輪則是從動(dòng)輪則是需要安裝軸承，來(lái)保證始終保持從動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)單輪差速。前輪是導(dǎo)向輪，當(dāng)正弦機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，它使轉(zhuǎn)向輪按規(guī)定的角度擺動(dòng)，從而保證小車(chē)在一定的周期內(nèi)行走S型軌跡。
圖2-2小車(chē)正弦機(jī)構(gòu)示意圖
為了減少小車(chē)的質(zhì)量，從動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪都在保證性能的前提下，盡可能的減少體積，做了大面積的鏤空。
圖2-3小車(chē)車(chē)輪平面圖
2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)
原動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是將重塊豎直下落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，它的作用是為無(wú)碳小車(chē)提供所有的能量來(lái)源。同時(shí)原動(dòng)機(jī)構(gòu)需要滿足一些設(shè)計(jì)要求：（1）保持平衡，在重塊下落和小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，不會(huì)因?yàn)橹匚锏膽T性而失穩(wěn)或翻倒，（2）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，由于小車(chē)的空間不足，無(wú)法使用過(guò)于繁雜的機(jī)構(gòu)，所以機(jī)構(gòu)需要簡(jiǎn)便牢固，能量轉(zhuǎn)換效率高。
為了兼顧效率、簡(jiǎn)易與經(jīng)濟(jì)，決定采用線輪結(jié)構(gòu)。重塊上系有尼龍線，重塊在下落時(shí)，拉動(dòng)尼龍線，尼龍線通過(guò)定滑輪將動(dòng)力傳遞到安裝在主動(dòng)軸上的繞線軸上，帶動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而為小車(chē)提供動(dòng)力來(lái)源。
圖2-4原動(dòng)機(jī)構(gòu)三維圖
在圖，原動(dòng)機(jī)構(gòu)的頂端為以亞克力為材料的圓形定滑輪支撐架，定滑輪支撐架上安裝有定滑輪，用于傳遞有重物下落所產(chǎn)生的動(dòng)力。定滑輪支撐架下連接著是三根直徑為6mm，長(zhǎng)為60mm的碳纖維棒，三根碳纖維棒安裝在底部支撐架上，用于支撐定滑輪固定架和重物，保證重物下落時(shí)，小車(chē)的穩(wěn)定，維持車(chē)體的平衡。由于原動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要材料為亞克力和碳纖維棒，盡可以減少整個(gè)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，同時(shí)采用可線輪結(jié)構(gòu)，使得原動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)十分的簡(jiǎn)潔，同時(shí)保證了原動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是把動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上，使小車(chē)精確地行駛在設(shè)計(jì)的軌道且行走出最遠(yuǎn)的軌跡。所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。
圖2-5傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維圖
常見(jiàn)的簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)方式有：摩擦傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)和蝸桿蝸輪傳動(dòng)等等。由于摩擦傳動(dòng)效率低噪聲較大，鏈條傳動(dòng)與蝸桿蝸輪傳動(dòng)效率低，所以?xún)?yōu)先考慮齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)。考慮到使用皮帶傳動(dòng)時(shí)由于載荷過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致空轉(zhuǎn)的問(wèn)題，以及幾何空間充分利用和節(jié)省空間的因素，所以我們選定了1模的齒輪作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選用碳鋼齒。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要繞線軸部分、微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸部分和主動(dòng)軸部分組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，在繞線軸上安裝的繞線輪纏繞連接重物尼龍線。當(dāng)重物下落時(shí)，拖動(dòng)尼龍線，尼龍線再帶動(dòng)繞線輪，使得繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳動(dòng)到主動(dòng)軸和微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸上，使主動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，為小車(chē)傳遞動(dòng)力，而微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸則是負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳動(dòng)到微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，讓微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠正常工作。
2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是整個(gè)無(wú)碳小車(chē)中最為重要的機(jī)構(gòu)，它的作用是通過(guò)將繞線軸轉(zhuǎn)角變化量通過(guò)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角變化量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車(chē)的轉(zhuǎn)向功能，讓小車(chē)可以行走S型或8字型路線。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要滿足：（1）盡可能的減少能量損失；（2）易于加工；（3）能夠?qū)鲃?dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為合乎要求擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。經(jīng)過(guò)考慮后決定選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為小車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的原型。
適用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)主要有可以有兩種，其中一種是正弦機(jī)構(gòu)，而另外一種是正切機(jī)構(gòu)。
推桿與導(dǎo)路之間的間隙使推桿晃動(dòng)，導(dǎo)致L改變，因此令正切機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤差，對(duì)正弦機(jī)構(gòu)幾乎無(wú)影響。
圖2-6正弦機(jī)構(gòu)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖
圖2-7正切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖
而在實(shí)際使用中，由于搖桿轉(zhuǎn)角升程H與L的正切或正弦成比例，所以正弦機(jī)構(gòu)和正切機(jī)構(gòu)在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生誤差，其誤差值為與。
由于正切機(jī)構(gòu)在誤差方面要大于正弦機(jī)構(gòu)，故在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的時(shí)候，決定選擇正弦機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，在正弦機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善和優(yōu)化。
圖2-8轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維圖
在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我們將用于提高正弦波的凸輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，并將機(jī)構(gòu)中的搖桿和推桿的自由度限制，使它們只能在同一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這樣有利于優(yōu)化機(jī)構(gòu)的體積和復(fù)雜度，并減少誤差和計(jì)算難度。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由兩部分組成，一部分為負(fù)責(zé)提供正弦波的類(lèi)凸輪部分，而另一部則是將正弦波轉(zhuǎn)化為小車(chē)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向部分。如圖2-6所示，圖中紅色的零件為凸輪推桿滑塊、藍(lán)色的零件為正弦凸輪柄、橙色的工件為轉(zhuǎn)向滑塊固定架、深藍(lán)色的工件為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、淺綠色的工件為導(dǎo)向輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊和綠色的工件為凸輪微調(diào)滑塊。類(lèi)曲柄機(jī)構(gòu)部分的零件有凸輪推桿滑塊、正弦凸輪柄、用于連接凸輪推桿滑塊與正弦凸輪柄的連接桿和推桿。轉(zhuǎn)向部分的零件有：轉(zhuǎn)向滑塊固定架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、導(dǎo)向輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊和導(dǎo)向輪車(chē)橋桿。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作時(shí)，微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸帶動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。微調(diào)機(jī)構(gòu)通過(guò)凸輪微調(diào)滑塊與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中凸輪推桿滑塊連接，其中凸輪微調(diào)滑塊和凸輪推桿滑塊之間通過(guò)軸連接，在凸輪微調(diào)滑塊上安裝有軸承，軸可以在凸輪微調(diào)滑塊中做出轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，軸的另一端鎖死在凸輪推桿滑塊，凸輪推桿滑塊可以做出任意角度的相對(duì)于凸輪微調(diào)滑塊的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。正弦凸輪柄通過(guò)桿與凸輪推桿滑塊想連接，正弦凸輪柄可以在于凸輪推桿滑塊內(nèi)作上下滑動(dòng)，故當(dāng)微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于直線軸承座的限位作用，令正弦凸輪柄始終垂直于底面，同時(shí)由于機(jī)構(gòu)的約束使其只能前后運(yùn)動(dòng)，使得正弦凸輪柄上的推桿只能作前后往返運(yùn)動(dòng)。當(dāng)推桿作前后往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)轉(zhuǎn)向滑塊固定架，由于推桿前端有螺牙，所以在推桿后退時(shí)，轉(zhuǎn)向滑塊固定架依然與推桿相連接。轉(zhuǎn)向滑塊固定架內(nèi)部安裝有轉(zhuǎn)向滑塊，兩者之間可以發(fā)生任意角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)向輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊與轉(zhuǎn)向滑塊通過(guò)搖桿連接，搖桿前端與輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊固定，后端可以在轉(zhuǎn)向滑塊中作相對(duì)滑動(dòng)，而輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊又與車(chē)橋桿通過(guò)螺絲鎖死。故當(dāng)推桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向滑塊固定架前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，使搖桿的與繞線軸的夾角不斷發(fā)生變化，通過(guò)輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊將搖桿的與繞線軸的夾角的變化量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角變化量，從而改變小車(chē)的施行方向。
另外，在小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，還需要解決內(nèi)輪和外輪差速問(wèn)題。選擇雙輪驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，小車(chē)兩個(gè)后輪都同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)輪，兩后輪需要同軸，而且還需要設(shè)計(jì)和安裝無(wú)碳小車(chē)專(zhuān)用的差速器，但是由于差速器的加工精度要求太高，而且需要長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，制造成本過(guò)于昂貴。故不在小車(chē)上使用雙輪驅(qū)動(dòng)而是選擇單輪驅(qū)動(dòng)。單輪驅(qū)動(dòng)即把其中一個(gè)后輪直接安裝在驅(qū)動(dòng)軸上跟隨驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，作為驅(qū)動(dòng)輪，另外一個(gè)后輪通過(guò)使用軸承與驅(qū)動(dòng)軸連接或安裝在另一條軸上，不跟隨驅(qū)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，作為從動(dòng)輪，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速由小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的角度和半徑?jīng)Q定，因此能很好的解決小車(chē)的差速問(wèn)題。由于小車(chē)采用單輪驅(qū)動(dòng)來(lái)解決小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)從動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差問(wèn)題，從結(jié)果上來(lái)看，單輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)會(huì)比雙輪驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便許多，效率也會(huì)比使用差速器的雙輪驅(qū)動(dòng)高，但是單輪驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致小車(chē)行駛不穩(wěn)定的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比后，決定使用單輪驅(qū)動(dòng)，來(lái)解決小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)輪和外輪差速問(wèn)題。
3 技術(shù)設(shè)計(jì)
將無(wú)碳小車(chē)的機(jī)構(gòu)方案基本設(shè)計(jì)完成以后，需要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定小車(chē)各個(gè)機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)、建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并優(yōu)化小車(chē)零件的參數(shù)。使小車(chē)可以行駛更遠(yuǎn)的距離，更好的滿足競(jìng)賽命題的要求，并為小車(chē)提供更好的性能。
3.1小車(chē)齒輪齒數(shù)比的計(jì)算
將無(wú)碳小車(chē)的機(jī)構(gòu)方案基本設(shè)計(jì)完成以后，還需要初步確定小車(chē)的部分參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，來(lái)推導(dǎo)其他參數(shù)，最后把小車(chē)的參數(shù)代入小車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中來(lái)驗(yàn)算和優(yōu)化小車(chē)的參數(shù)，用于減少工作量并提高效率。
已知競(jìng)賽命題中，小車(chē)?yán)@障要求如圖3-1所示：（圖中單位為mm）
圖3-1小車(chē)?yán)@障要求示意圖
如圖所示，小車(chē)前方每隔一米就會(huì)放一個(gè)障礙物，如果需要成功的避開(kāi)障礙物小車(chē)的行駛軌跡就應(yīng)該為正弦曲線或余弦曲線。當(dāng)選取正弦曲線為小車(chē)的行駛軌跡時(shí)，小車(chē)的行駛軌跡的周期不好確定，而且隨著小車(chē)行駛距離的增大，小車(chē)與每一次繞過(guò)障礙物時(shí)兩者相距的距離會(huì)越來(lái)越短，所以選擇了余弦曲線作為小車(chē)的行駛軌跡，令小車(chē)的軌跡為。
由圖3-1可得，和k的值為0，余弦曲線的周期T為2m，所以。由于小車(chē)?yán)@過(guò)障礙物時(shí)兩者需要留有一定的安全距離，所以A一般取小車(chē)的車(chē)寬的一半與安全距離之和，故A=0.2m,所以小車(chē)的軌跡為。
通過(guò)小車(chē)的軌跡曲線公式可以求得小車(chē)在一個(gè)周期所行走的距離約為2.188m，令小車(chē)能夠在后輪轉(zhuǎn)動(dòng)四圈后能夠行駛完一個(gè)周期，所以可以暫取小車(chē)后輪半徑為R=100mm，當(dāng)小車(chē)行駛完一個(gè)周期后，小車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)該也完成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期。所以，小車(chē)的驅(qū)動(dòng)齒輪和微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪齒數(shù)之比為1:4，但是小車(chē)的后輪半徑越大越有利于小車(chē)的行駛，故小車(chē)后輪半徑取R=104mm，轉(zhuǎn)動(dòng)3.4次后可行駛完一個(gè)周期，因此驅(qū)動(dòng)齒輪和微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪也該改為1:34。同時(shí)為了增加小車(chē)行駛的圈數(shù)，在驅(qū)動(dòng)齒輪和微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪之間并入一個(gè)齒輪用于連接繞線軸，取驅(qū)動(dòng)齒輪和繞線齒輪齒數(shù)之比為1:3，故驅(qū)動(dòng)齒輪、繞線齒輪齒數(shù)與微調(diào)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪三者的齒數(shù)比為1:3:3.4。將齒數(shù)帶入小車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可驗(yàn)證和優(yōu)化小車(chē)齒輪組的齒數(shù)比。
3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
通過(guò)以驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪三者的軌跡方程為依據(jù)，編寫(xiě)為matlab程序，進(jìn)行仿真。在matlab程序中給參數(shù)賦初始值，通過(guò)不斷地對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終得出較為合理的軌跡函數(shù)圖像，再與競(jìng)賽命題中要求小車(chē)所行走的軌跡兩者來(lái)對(duì)比，計(jì)算優(yōu)化得出最合理的參數(shù)，再以最合理的參數(shù)為依據(jù)確定小車(chē)的各零件的參數(shù)。下圖為圖3-2，圖中曲線為小車(chē)其中一組參數(shù)下的小車(chē)三輪的軌跡函數(shù)圖像即小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。
圖3-2小車(chē)軌跡模擬圖
如圖3-2所示，從函數(shù)圖像中可以看出，圖曲線曲線光滑連續(xù)，并沒(méi)有較大的突變，周期和半徑都符合競(jìng)賽命題要求，此時(shí)的各參數(shù)值可以為理論上的最優(yōu)值。具體值為：繞線軸齒輪為齒輪1模數(shù)齒數(shù)，微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸齒輪為齒輪2齒數(shù)，驅(qū)動(dòng)軸齒輪為齒輪3齒數(shù)，齒輪傳動(dòng)比為，帶傳動(dòng)比為，繞線軸半徑r為3，驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪半徑=為104mm，推桿為120mm，搖桿為74.5mm，為87mm，為87mm。
3.3后輪半徑與繞線輪半徑計(jì)算
已經(jīng)摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為:
M=Ur
（3-14）
其中U為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其中亞克力與木地板的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5mm，故滾動(dòng)摩擦力：
M=0.5x90=45N （3-15）
由上式可知當(dāng)小車(chē)輪子半徑越大，小車(chē)受到的滾動(dòng)摩擦力越小，就能夠行駛的越遠(yuǎn)。但是由于材料的加工問(wèn)題、材料的機(jī)械性能不足問(wèn)題材料、零件的安裝問(wèn)題與小車(chē)零件協(xié)調(diào)性問(wèn)題，故小車(chē)后輪的半徑不能取得太大，需要在合理范圍內(nèi)。
圖3-3小車(chē)齒輪組示意圖
如圖3-3所示，齒輪1為繞線軸齒輪，齒輪2為微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸齒輪，齒輪3為驅(qū)動(dòng)軸齒輪，三者構(gòu)成了小車(chē)的齒輪組系統(tǒng)。
3.4標(biāo)準(zhǔn)件及其材料件列表
表3-1標(biāo)準(zhǔn)件及其材料件明細(xì)表
編號(hào)
材料及標(biāo)準(zhǔn)件的種類(lèi)
毛坯尺寸
毛坯數(shù)量
每臺(tái)件數(shù)
1
亞克力板材
200×200×3
3
3
2
碳纖棒
Φ6×1000
3
3
3
鋁合金板材
12×20×200
1
1
4
深溝球軸承
8*14*5 (d*D*B)
18
18
5
深溝球軸承
6*14*5 (d*D*B)
4
4
6
滑輪軸承
6*20*5 (d*D*B)
1
1
7
直齒輪
m=0.8，z=14
1
1
8
直齒輪
m=0.8，z=42
1
1
9
直齒輪
m=0.8，z=46
1
1
10
墊片
M3
30
30
11
螺栓
M3
30
30
12
螺釘
M4
30
30
13
軸套
6*8*2
2
2
14
軸套
8*14*3
2
2
15
45#鋼
Φ4×500
1
1
16
45#鋼
Φ6×500
1
1
17
45#鋼
Φ8×500
1
1
3.5確定非標(biāo)準(zhǔn)件的零件尺寸
經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行不斷的優(yōu)化，最終確定小車(chē)各個(gè)機(jī)構(gòu)重要零件的具體尺寸。
推桿長(zhǎng)=120 mm搖桿長(zhǎng)=78.5 mm
3.6小車(chē)整體裝配效果圖
圖3-4小車(chē)整體裝配效果圖1
圖3-5小車(chē)整體裝配效果圖2
4小車(chē)的加工裝配以及調(diào)試
在本章中，主要是介紹小車(chē)各個(gè)零件的具體加工方法、零件原材料的選擇、加工中遇到的問(wèn)題、加工后進(jìn)行的裝配過(guò)程以及在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及其改進(jìn)方法。
4.1需要自行加工的零件及加工方法
小車(chē)的零件部分可以中的標(biāo)準(zhǔn)件可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求而購(gòu)買(mǎi)，而非標(biāo)準(zhǔn)件則需要購(gòu)買(mǎi)毛坯料進(jìn)行加工，我們所設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車(chē)需要自行加工零件的原材料主要有亞克力、鋁合金為45鋼和碳纖維。
4.1.1使用亞克力板作為加工原材料的工件
亞力克是高分子材料，化學(xué)名稱(chēng)為聚甲基丙烯酸甲酯。亞力克板是由亞克力粒料經(jīng)由擠板機(jī)擠出而成。優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的抗沖擊力性較高的表面硬度和表面光澤，以及較好的高溫性能，同時(shí)擁有在通用塑料比較優(yōu)秀的力學(xué)性能，穩(wěn)定性好，密度較低。缺點(diǎn)是脆性比較大，無(wú)法使用線切割工藝來(lái)確保加工精度。使用亞力克板作為小車(chē)的大部分工件的加工材料，有利于減輕小車(chē)的整體重量，同時(shí)具有較好的抗攻擊性，且可以控制成本。
需要以亞力克板為原材料加工的零件主要有小車(chē)底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、軸承座、正弦凸輪柄、轉(zhuǎn)向滑塊固定架、定滑輪支架等。
由于加工精度對(duì)于無(wú)碳小車(chē)而言十分重要，為了保證零件的加工精度，上訴使用亞力克板為原材料加工的零件全部使用激光切割工藝對(duì)亞力克板進(jìn)行切割，由于激光切割工藝的加工精度較高，所以大部分零件切割出來(lái)后可以直接使用。其中部分零件由于側(cè)面存在孔，無(wú)法使用激光切割工藝，故使用銑床加工剩余的部分。
：
圖4-1轉(zhuǎn)滑輪固定架
4.1.2使用鋁合金作為加工原材料的工件
鋁合金是日常生活中應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)有色金屬結(jié)構(gòu)材料，鋁合金密度低，強(qiáng)度比較高，塑性好。但是由于大部分鋁合金的密度比亞克力的密度高，且硬度不如亞克力，所以并選擇鋁合金作為小車(chē)的主體材料，僅作為部分連接件或滑塊的材料。由于鋁合金具有許多種型號(hào)，經(jīng)過(guò)考慮以后，決定使用6063鋁合金板材作為加工原料。
需要以6063鋁合金板材為原材料加工的零件主要有：導(dǎo)向輪車(chē)橋、導(dǎo)向輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、凸輪推桿滑塊、凸輪微調(diào)滑塊、凸輪微調(diào)滑塊固定架。
由于以6063鋁合金板材為原材料加工的零件尺寸都非常小而且數(shù)量不多，所以決定自行加工。在加工時(shí)，只能先是按照設(shè)計(jì)的要求，將6063鋁合金板材切割開(kāi)粗，之后使用銑床進(jìn)行精確加工，最后再用砂紙打磨去毛刺。
其中，導(dǎo)向輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向滑塊、凸輪推桿滑塊和凸輪微調(diào)滑塊都比較容易加工，只需要將6063鋁合金板材開(kāi)粗為余量不小于0.5毫米的毛坯，使用銑床銑精確到數(shù)，再按照?qǐng)D紙的要求進(jìn)行鉆孔、攻牙、打磨等加工工藝即可。至于導(dǎo)向輪車(chē)橋和凸輪微調(diào)滑塊固定架則存在一定的加工難點(diǎn)。
導(dǎo)向輪車(chē)橋的加工難點(diǎn)是在于其不是用銑床直接6063鋁合金板材，而是先使用車(chē)床加工出一個(gè)毛坯再使用銑床加工。由于M3絲攻很容易受力過(guò)大折斷，所以在使用M3絲攻攻牙的時(shí)必須非常小心。如圖4-4所示，先使用車(chē)床將6063鋁合金材料車(chē)出一個(gè)臺(tái)階圓柱，上臺(tái)階高5毫米直徑為10毫米，下臺(tái)階高50毫米直徑為20毫米。完成后使用銑床在下臺(tái)階銑出四個(gè)個(gè)端面，再按照?qǐng)D紙要依次進(jìn)行鉆孔和攻牙，最后銑用于安裝導(dǎo)向輪的槽。
4.1.2使用45號(hào)鋼作為加工原材料的工件
45號(hào)鋼是常用中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性。在小車(chē)中，用作加工各類(lèi)軸。
需要以45號(hào)鋼零件主要有：驅(qū)動(dòng)軸、從動(dòng)軸、繞線軸、定滑輪軸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)推桿、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)搖桿、導(dǎo)向輪車(chē)橋桿。
加工方法為：按照?qǐng)D紙的要求，使用車(chē)床車(chē)出合適的直徑和長(zhǎng)度，之后再進(jìn)行攻牙和打磨。
4.2 小車(chē)的裝配
在小車(chē)的工件加工完畢后，將開(kāi)始對(duì)小車(chē)進(jìn)行裝配。對(duì)小車(chē)的裝配可以分為以下四個(gè)部分：
車(chē)體行駛結(jié)構(gòu)裝配 ：
將各個(gè)機(jī)構(gòu)的軸承座按照?qǐng)D紙的要求安裝在小車(chē)底盤(pán)上，為了使軸承座和小車(chē)底盤(pán)連接的更加穩(wěn)固和方便調(diào)試，決定通過(guò)螺絲鎖緊將軸承座固定。然后將用于將安裝驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸的軸承安裝在軸承座上，為后面對(duì)驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸進(jìn)行調(diào)試，先不將軸承固定。為了減少摩擦和提高穩(wěn)定性，每個(gè)軸承座上都安裝上一對(duì)軸承。之后安裝轉(zhuǎn)向輪車(chē)橋，為了減少車(chē)橋軸和小車(chē)底座的摩擦，在小車(chē)底盤(pán)正反兩面安裝一對(duì)軸承。在轉(zhuǎn)向輪車(chē)橋上安裝前輪，使用螺絲固定。將齒輪安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，暫時(shí)不固定，然后把驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸穿過(guò)軸承，安裝在軸承座，把驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪分別安裝在驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸上，使用螺絲固定。
小車(chē)原動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配 ：
使用螺絲將原動(dòng)機(jī)構(gòu)底部支撐架和小車(chē)底盤(pán)鎖緊，然后將將三根碳纖維管，放入原動(dòng)機(jī)構(gòu)底部支撐架的三個(gè)孔內(nèi)，之后將定滑輪支撐架安裝在三根碳纖維管上。把定滑輪放入定滑輪軸上的合適位置，將定滑輪固定軸安裝在定滑輪支撐架上，微調(diào)原動(dòng)機(jī)構(gòu)底部支撐架、碳纖維管和定滑輪支撐架至合適，安裝重物。
小車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總裝：
安裝繞線軸軸承，將齒輪放入繞線軸，之后將繞線軸穿軸承座上軸承，調(diào)試到合適的位置。安裝微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸，把凸輪微調(diào)滑塊安裝在凸輪微調(diào)滑塊固定架調(diào)試，等凸輪微調(diào)滑塊功能可用后，把凸輪微調(diào)滑塊固定架安裝到微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸，之后將凸輪推桿滑塊安裝在凸輪微調(diào)滑塊固定架上，放入正弦凸輪柄，完成微調(diào)機(jī)構(gòu)的安裝。微調(diào)機(jī)構(gòu)安裝完成后，將推桿無(wú)螺紋的一側(cè)放入正弦凸輪柄上，在推桿有螺紋一側(cè)安裝轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向滑塊固定架和凸輪推桿滑塊，再在轉(zhuǎn)向滑塊固定架安裝搖桿。將導(dǎo)向輪車(chē)橋轉(zhuǎn)塊安裝在轉(zhuǎn)向輪車(chē)橋軸上并連接搖桿。
小車(chē)各機(jī)構(gòu)微調(diào)固定：
將小車(chē)的各個(gè)機(jī)構(gòu)都安裝完畢后，微調(diào)各個(gè)機(jī)構(gòu)組件的位置，直至各個(gè)機(jī)構(gòu)可以正常并流暢的運(yùn)作，完成微調(diào)后將固定每一個(gè)軸承的位置，并鎖緊全部固定螺絲，驗(yàn)證小車(chē)是否能正常行駛，如果沒(méi)明顯問(wèn)題，即完成對(duì)小車(chē)的裝配工作。
4.3 小車(chē)的調(diào)試
軸承裝配問(wèn)題：在軸承裝配時(shí)，軸承需要過(guò)盈配合。軸承座上用于安裝軸承的孔直徑需要比軸承的直徑少0.001mm左右，但是即便是使用激光切割工藝加工，軸承座上的軸承孔仍然是會(huì)偏大甚至每個(gè)軸承孔的大小都不一，使得軸承都無(wú)法使用原本計(jì)劃中的安裝方法。發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題后，我們可以采取半徑補(bǔ)償?shù)姆椒?，讓軸承可以固定在軸承座上，但是這樣可能會(huì)導(dǎo)致軸承上的軸發(fā)生偏心，影響小車(chē)的工作。最好的方法是對(duì)軸承座重新加工，并要求在加工時(shí)，對(duì)加工材料進(jìn)行加工誤差補(bǔ)償。
推桿自由度限制問(wèn)題： 小車(chē)裝配完成后，發(fā)現(xiàn)小車(chē)的正弦機(jī)構(gòu)并沒(méi)有正常的工作。在小車(chē)測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中正弦凸輪柄和推桿會(huì)由于重力的作用在向前移動(dòng)的同時(shí)會(huì)下落導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不能正常工作。這個(gè)問(wèn)題發(fā)生的原因是如果需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正常的工作需要限制推桿左右方向和豎直方向的自由度，而在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向滑塊固定架并不能有限的限制推桿豎直方向下的自由度。解決這個(gè)問(wèn)題需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)用于限制推桿豎直方向的自由度的零件。
小車(chē)的穩(wěn)定性問(wèn)題：在小車(chē)的調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)小車(chē)的車(chē)身穩(wěn)定性并不怎么理想。由于小車(chē)的車(chē)身穩(wěn)定性與小車(chē)的整體構(gòu)造及整個(gè)車(chē)的重心有很多的關(guān)系，如果要要使小車(chē)的穩(wěn)定性得到良好的改進(jìn)，需要調(diào)整小車(chē)的重心的位置，而這需要對(duì)小車(chē)上機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行調(diào)整，把小車(chē)的重心集中在車(chē)體中間略微偏后的位置上，同時(shí)還需要令重物和尼龍線保持垂直。通過(guò)改進(jìn)后，小車(chē)的穩(wěn)定性得到良好的改進(jìn)。
摩擦對(duì)小車(chē)的影響問(wèn)題：在小車(chē)的行駛過(guò)程中，車(chē)輪與地面的摩擦和零件之間的摩擦對(duì)車(chē)的性有很大的影響。在實(shí)際調(diào)試中，小車(chē)無(wú)法正常啟動(dòng)行駛，經(jīng)過(guò)分析后是由于車(chē)輪與地面的摩擦系數(shù)過(guò)大或繞線輪半徑過(guò)少。在計(jì)算繞線輪半徑時(shí)，由于大部分可以需要進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸和桿都在連接處安裝有軸承來(lái)盡可能減少摩擦，因此是按照理論狀態(tài)下的情況，對(duì)小車(chē)的對(duì)繞線輪半徑進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致在實(shí)際中繞線輪半徑過(guò)少。后通過(guò)加大繞線輪半徑好，小車(chē)可以順利啟動(dòng)并行使。
加工誤差的問(wèn)題：在實(shí)際中由于存在加工誤差的影響，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)性能與實(shí)際表現(xiàn)之中存在差別，令小車(chē)無(wú)法達(dá)到最優(yōu)性能。而解決這個(gè)問(wèn)題的方法是利用小車(chē)的微調(diào)機(jī)構(gòu)的對(duì)小車(chē)進(jìn)行微調(diào)。微調(diào)機(jī)構(gòu)不僅能用于調(diào)整小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡的周期和半徑，善用微調(diào)機(jī)構(gòu)還能用于來(lái)改善由于加工誤差所導(dǎo)致的問(wèn)題。
5 結(jié)果評(píng)價(jià)分析
分析無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的成品，將小車(chē)的實(shí)際性能與理論性能作對(duì)比，并以此來(lái)尋找在小車(chē)的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中的由于設(shè)計(jì)或加工等問(wèn)題導(dǎo)致的缺陷和問(wèn)題，并通過(guò)分析小車(chē)成品的缺陷和問(wèn)題，改進(jìn)小車(chē)的設(shè)計(jì)和制造。
5.1 小車(chē)設(shè)計(jì)結(jié)果
在經(jīng)過(guò)對(duì)小車(chē)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、加工裝配和微調(diào)總結(jié)后，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)競(jìng)賽命題并達(dá)到預(yù)期性能需求的無(wú)碳小車(chē)。該無(wú)碳小車(chē)可以能依靠所給定重力勢(shì)能，能夠自動(dòng)啟動(dòng)前行，并在行駛的過(guò)程中自動(dòng)行駛出S型軌跡，且在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行駛，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期。
5.2 小車(chē)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)
小車(chē)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)：
（1） 小車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便高效，零件的幾何關(guān)系簡(jiǎn)潔明了，易于計(jì)算和仿真。
（2） 車(chē)身使用亞克力板為原理制作，使得小車(chē)車(chē)身更加輕巧，使用齒輪和帶輪傳動(dòng)，能量傳遞效率高且能力損失少。
（3） 采用單輪驅(qū)動(dòng)，不需要安裝差速器，減少小車(chē)整體的質(zhì)量和成本，同時(shí)具有較大的驅(qū)動(dòng)輪，使小車(chē)行駛時(shí)效率比較高、能量損失小，能夠在比較粗糙地面行駛并行走更遠(yuǎn)的距離。
（4） 微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用了正弦機(jī)構(gòu)的原理，可以減少誤差并能通過(guò)調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)糾正小車(chē)的行駛軌跡，并調(diào)節(jié)小車(chē)的行駛的周期和半徑，有利于小車(chē)適應(yīng)轉(zhuǎn)彎繞障和避開(kāi)障礙物。
（5） 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整，使小車(chē)零件對(duì)加工精度要求降低，減少小車(chē)的加工成本，并讓小車(chē)更加易于修改、加工、安裝及微調(diào)。
（6） 由于用于制作小車(chē)的原材料價(jià)格比較低且小車(chē)的加工成本不高，可以讓小車(chē)整體造價(jià)保持一個(gè)比較低的水平，可以在確保小車(chē)的性能達(dá)到要求的同時(shí)控制小車(chē)的成本。
小車(chē)設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)：
（1） 由于在設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有考慮到理論和實(shí)際的區(qū)別，缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，讓小車(chē)?yán)碚撔阅芎蛯?shí)際性能有出入。
（2） 小車(chē)的加工受到成本、時(shí)間、加工技術(shù)和加工范圍的限制，導(dǎo)致小車(chē)的整體加工精度不高，出現(xiàn)了許多不該出現(xiàn)的加工誤差。
（3） 在不同的地面測(cè)試時(shí)，小車(chē)所行駛的距離波動(dòng)比較大，微調(diào)機(jī)構(gòu)微調(diào)滑塊位置很難把握準(zhǔn)確，難以根據(jù)不同類(lèi)型的地面進(jìn)行合適的微調(diào)，而且微調(diào)時(shí)比較繁瑣和耗時(shí)。
（4） 小車(chē)的微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直于地面，在工作時(shí)會(huì)受到重力加速度的影響，使得機(jī)構(gòu)工作時(shí)精準(zhǔn)度收到影響。
（5） 對(duì)各種機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)還不夠全面和透徹，無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)出性能更好且足夠簡(jiǎn)便的機(jī)構(gòu)。
5.3 改進(jìn)方向
（1） 加工精度和裝配精度是碳小車(chē)改進(jìn)的一個(gè)大方向之一。如果能夠找到更加合適的加工工藝可以提高小車(chē)零件的加工精度并減少后期的調(diào)試工作，也可以讓小車(chē)現(xiàn)實(shí)得到更好的運(yùn)動(dòng)效果，同時(shí)控制小車(chē)的成本。
（2） 設(shè)計(jì)性能更加良好的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)，用于提高轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的效率和穩(wěn)定性，同時(shí)提高微調(diào)機(jī)構(gòu)的微調(diào)范圍，讓小車(chē)可以更大范圍的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎半徑和周期，提高小車(chē)在各種地面的適應(yīng)能力。
（3） 修改微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使其的轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行于地面，減少重力對(duì)微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作時(shí)的影響。
（4） 在設(shè)計(jì)階段對(duì)小車(chē)進(jìn)行更多的計(jì)算和仿真。通過(guò)更多的計(jì)算和仿真來(lái)選擇更好的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，令小車(chē)的理論性能得到提高。
（5） 改進(jìn)機(jī)構(gòu)的配合的合理性。通過(guò)使機(jī)構(gòu)的配合更加合理，使小車(chē)更容易裝配并提高小車(chē)零件裝配時(shí)裝配精度。
參考文獻(xiàn)
[1] 顧曉勤，譚朝陽(yáng).理論力學(xué)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2009.
[2] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌1000例[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,20011：46-46.
[3] 黃廷祝,成孝予.線性代數(shù)[M].高等教育出版社，2008.
[4] 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.
[5] 王德倫，高媛.機(jī)械原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[6] 濮良貴，陳國(guó)，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2012.
[7] 王啟美，呂強(qiáng).現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)制圖[M].人民郵電出版社,2007.
[8] 潘春祥，任秀華，李香. SolidWorks 2014中文版基礎(chǔ)教程[M]. 人民郵電出版社，2013.
[9] 陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2007
[10] Pohanish, Richard P. Machinery's Handbook Pocket[M]. Industrial Press,2008
附錄 1 小車(chē)數(shù)學(xué)模型方程
clear
clc
tic
n=1000;
h=linspace(0,0.4,n);
%小車(chē)齒輪齒數(shù)比
i31=21/23;
i21=3/1;
%小車(chē)?yán)@線輪半徑
r1=0.009;
%小車(chē)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心到推桿中心的橫向偏距
C=0.0688;
%微調(diào)裝置滑塊中心到繞線軸圓心在水平方向上距離
L=0.020;
%導(dǎo)向輪車(chē)橋桿圓心到驅(qū)動(dòng)軸圓心在水平方向上距離
I=0.180;
%小車(chē)后輪半徑
R=0.104;
%驅(qū)動(dòng)輪到前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心橫向偏距
A1=0.078;
%從動(dòng)輪到前輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心橫向偏距
A2=0.078;
%算法
sd0=h/r1;
sd1=sd0*i31+0.5065*pi;
sd2=sd0*i21;
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,'m');
hold on
grid on
for i=1:9
t=0:0.01:2*pi;
xy=0.01.*cos(t)-0.23;
yy=0.01.*sin(t)+i;
plot(xy,yy);
hold on
end
toc