目录

一、设计要求????????????????????????????.4 1.1功能分析阶段............................... ...................4 1.2参数分析与个性化设计阶段????????????????????..4 1.3制造阶段????????????????????????????..4 1.4调试阶段????????????????????????????..4 二、正式设计????????????????????????????.5 2.1机械总功能分解及功能元解????????????????????..6 2.2机构选型与方案对比???????????????????????..6

2.2.1机构选型的基本原则????????????????????...6 2.3势能转化机构分析????????????????????????..7

2.3.1重物锥台轮机构功能元解的优缺点??????????????..7 2.3.2重物飞轮机构功能元解的优缺点????????????????7 2.3.3发条弹簧机构功能元解的优缺点????????????????8 2.3.4橡皮筋结构功能元解的优缺点?????????????????8 2.6直线行走位移机构分析??????????????????????..8 2.6.1后双轮差速驱动功能元解的优缺点???????????????8 2.7前轮摆动机构分析?????????????????????????9

2.7.1凸轮推杆机构功能元解的优缺点????????????????.9 2.7.2曲柄摇杆机构功能元解的优缺点????????????????9 2.7.3圆轮导杆机构功能元解的优缺点????????????????.10 2.8中间传动机构分析?????????????????????????10

2.8.1齿轮传动机构功能元解的优缺点????????????????.10 2.8.2皮带轮传动机构功能元解的优缺点???????????????11 2.9组合方案择优并确定辅助、控制机构?????????????????.11

2.9.1辅助机构之车架分析?????????????????????.11 2.9.2控制机构之微调机构分析???????????????????11 三、技术设计?????????????????????????????12 3.1建立8字轨迹理想模型???????????????????????.12 3.2、solidworks toolbox凸轮设计及其相关参数的确定：?????????????12 3.3建立小车数学模型???????????????????????.13

3.3.1小车转弯状态分析?????????????????????????15 3.4动力学分析模型????????????????????????..18 3.5参数确定????????????????????????????..21 四、小车装配图?????????????????????????????22 五、小车运动仿真轨迹及m文件????????????????????????..23

一、设计要求

本届竞赛命题为“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（￠50×65 mm，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。

图1 无碳小车示意图

要求小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。

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。

“8”字型赛道场地常规赛

小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕两个障碍物按“8”字型轨迹运行。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，该距离由竞赛项目开始时的抽签产生，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩，见图3。

图2 “8”字型赛道竞赛所用乒乓球台及障碍设置图

参加“8”字型赛道竞赛的参赛队，使用在现场调整装配后的小车及组委会统一提供的标准砝码参赛。出发点自定，每队小车运行2次，取2次成绩中最好成绩。

一个成功的“8”字绕障轨迹为：两个封闭图形轨迹和轨迹的两次变向交替出现，变向指的是：轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧。

比赛中，小车需连续运行，直至停止。小车没有绕过障碍、碰倒障碍、将障碍物推出定位圆区域、砝码脱离小车、小车停止或小车掉下球台均视为本次比赛结束。

本组小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用凸轮曲柄摇杆机构使转向轮周期性摆动，从而避开设置在8字形内固有间距的障碍物。

我们把小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、参数分析与个性化设计、制造加工调试。通过每一阶段的深入分析，加诸大量理论参数分析，比较整合，使我们的设计尽可能向最优设计靠拢。

1.1功能分析阶段

根据这次比赛中对小车功能要求，我们把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合

1.2参数分析与个性化设计阶段

应用Solidworks、UG软件进行小车的实体建模、部分运动仿真还有受力分析。本小组运用Matlab，将对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。再而得出小车的具体参数和运动规律。

1.3制造阶段

我们会尽量选择使用标准件，减少制造压力，届时将会使用数控加工帮助制造，部分零件例如凸轮不能自行加工的将雇佣外厂工人帮忙制造，对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。鉴于小车受力限度和优化成本，小车将多处采用胶结。

1.4调试阶段

会通过调整微调连杆长度的方式改变小车的摆角，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。

图3.小车的设计三个主要阶段