优点:运动副单位面积所受压力较小,且面接触便于润滑,故磨损减小,制造方便,已获得较高精度;两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的,它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。
缺点:一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹,且设计较为复杂;当给定的运动要求较多或较复杂时,需要的构件数和运动副数往往比较多,这样就使机构结构复杂,工作效率降低,不仅发生自锁的可能性增加,而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加;机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡,在高速时将引起较大的振动和动载荷,故连杆机构常用于速度较低的场合。
在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻,可以忽略惯性力,机构并不复杂,利用MATLAB进行参数化设计并不困难,加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。
曲柄摇杆
结构较为简单,但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副,其效率低。其急回特性导致难以设计出较好的机构。
差速转弯
差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮,由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样,从而使两个轮子的速度不一样,产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。
差速转弯,是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样,对轮子的加工精度要求很高,加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。(由于加工和装配的误差是不可避免的)
综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。
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2.5行走机构
行走机构即为三个轮子,轮子又厚薄之分,大小之别,材料之不同需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
M?N??
对于相同的材料?为一定值。
而滚动摩擦阻力
f?MR?N??R,所以轮子越大小车受到的阻力
越小,因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。
由于小车是沿着曲线前进的,后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动,双轮差速驱动,单轮驱动。
双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑,由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量,同时小车前进受到过多的约束,无法确定其轨迹,不能够有效避免碰到障碍。
双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题,可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理,能较好的减少摩擦损耗,同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮,速度较慢的轮子成为主动轮,这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙,在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确,但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。
单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮,一个为导向轮,另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高,但前进速度不如差速器稳定,传动精度比利用单向轴承高。
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综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸,可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案,如果规则允许可以采用单轮驱动。
2.6微调机构
一台完整的机器包括:原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用曲柄连杆+摇杆
方案,由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感,因此就必须加上微调机构,对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一,其二是为了调整小车的轨迹(幅值,周期,方向等),使小车走一条最优的轨迹。
微调机构可以采用下面两种方式微调螺母式、滑块式如图五
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图五
由于理论分析与实际情况有差距,只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。因此我们设计了一种机构简单的小车,通过小部分的改动便可以改装成其它方案,再通过试验比较得到最优的小车。
三 技术设计
技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。
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3.1建立数学模型及参数确定
通过对小车建立数学模型,可以实现小车的参数化设计和优化设计,提高设计的效率和得到较优的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。
3.1.1能耗规律模型
为了简化分析,先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为
1??,即小车能量的传递效率为?。小车轮与地面的摩阻系数为?,理想情况
下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有
?Ni*???Risi??mgh?i?1?3?N?mg ?i总??i?1Ni为第i个轮子对地面的压力。 Ri为第i个轮子的半径。 Si为第i个轮子行走的距离 m总为小车总质量
3为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.小车能量转换效率。四方面考虑。
通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。下图为当车轮半径分别为(222mm,70mm)摩阻系数分别为0.3,0.4,0.5.....mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图(图六)
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