攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计
2.4.2 传动轴的设计
由于小车是一级齿轮组传动，曲柄连杆摇杆机构导向，所以我们只需要两根传动轴，这样既减轻了小车的质量又减小了传动误差。两根传动轴的材料选用硬铝，采用阶梯轴的方式对轴上零件进行轴向定位，另外利用轴套对齿轮，绕绳轮，曲柄盘和后轮进行径向定位。
图2.6 轴上零件的布置
两根传动轴的中心距a的计算
a?m(z1?z2)0.75?(96?16)??42
22小车轴上零件的布置如图2.6所示。
2.5 导向机构的设计
导向机构的选择是无碳小车设计的关键部分，这直接决定着无碳小车的使用功能。导向机构的结构也同样需要尽可能的减少摩擦和耗能，机构结构必须要简单，零
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部件已获得等基本条件，另外还需要有特殊的运动特性。该机构的功能要求能够将旋转运动转化为满足校车转向基本要求的来回摆动，带动前轮轮来回转动以实现拐弯避过障碍物的功能。
根据题意，小车在前行时要求能够自动避开赛道上每间隔1米，放置的一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒，说明小车行驶的路线是周期性变化的。根据《机械设计》所学知识，只要能实现周期性运动的机构均可实现这个动作，所以平面四连杆机构、曲柄摇杆机构、涡轮蜗杆机构、圆柱凸轮、端面凸轮等均可。但是考虑到各种机构的优点和缺点，以及加工的工艺，难易程度和制造成本，我们必须对小车的导向机构进行正确的选择。选择要求是稳定性好，导向精度高加工方便等。于是我们对主要的导向机构做了分析。
（1）凸轮机构，凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮运动时，可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点：该机构只需设计适当的凸轮轮廓，便可让从动件得到任意的预期运动，而且考虑到运动的对称性，我们将可以将凸轮设计成外凸轮，他的形状应该为一个椭圆，这样加工可以比较简单。而且可以省去了中间环节，另外还可以简化机构，提高传递效率。在条件允许下，可以采用此结构。
缺点：凸轮轮廓的加工要求的精度相当高，一旦磨损变形，则不能达到预期运动轨迹，另外由于凸轮机构无法微调，磨损后直接报废，间这样就接提高了校车的成本。因此建议如果没有更适合机构，可选择此机构。
（2）曲柄连杆摇杆机构
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辅助力封闭来保持接触。
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大，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性爷比较大；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。
小车在前行时要求能够自动避开赛道上间隔1米，放置的一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒，小车行驶的路线是周期性变化的，根据《机械设计基础》所述，只要能实现周期性运动的机构均可实现这个动作。
我们最初选用的是双凸轮机构，凸轮机构的从动件分别连接在前轮轴上的左右侧，两个凸轮安装在后轮轴上，起始角度相差180°，以此达到前轮转向的目的。但是凸轮形状不易确定，需在实际运动中进行校正，工作量太大；高副接触，摩擦力大，使小车转向不稳定，不容易控制；同时高副接触也使凸轮容易磨损，稳定性不高。另
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外还考虑了使用圆柱凸轮的方案，但因其车身宽度、传动比的限制，使其转向摆角不大，且成型后不易再改进等原因未被采纳。最终，我们选择了曲柄连杆摇杆机构，摇杆以前叉中心为摆动中心，连杆一端与曲柄连接，另一端在固定于车架上的关节球轴承，并推动摇杆摆动，带动前轮转向。
在设计时主要通过减少曲柄长度，增大连杆长度，来使摇杆摆动加速、减速对称，从而使小车走光滑对称的“S”型路线。为了调试时便于调整，曲柄摇杆机构的曲柄、连杆长度都可以调整。以调整小车行驶时轨迹振幅的大小。两后轮在小车避障转弯处行驶路径不等，依据三轮车的驱动原理，我们选择采用单边驱动的方式使小车实现转向。
根据比较各种导向机构的有点和缺点，并结合学校的实际情况，我们选择曲柄连杆摇杆机构作为无碳越障小车的导向机构。尽管安装苦难，但是通过长时间的调试，我们依然能够很准确的找到使小车绕过不同间距障碍物的连杆长度。而且由于曲柄连杆摇杆机构的曲柄调节特别方便，所以实际花去的总时间也和其他导向机构相差不大。对于曲柄摇杆机构，在设计时为了便于调试，曲柄、连杆长度均可以调整。而且在设计时，为了减少急回特性的影响，我们采取了增大摇杆长度，减小曲柄长度。
由于该机构为空间机构，我们把机构通过球面副连接。根据市面上现有的标准球面副，为了保证小车的质量轻便，在零件的选择上就要首选质量轻，体积小的零件。通过对一些五金店的产品进行比较，我们选择和杆端关节轴承SA3T/K POSA3T/K球头直径3mm外螺纹正牙作为连接连杆，曲柄和摇杆三者的运动副。两种关节轴承的球孔均为3mm。
连杆应具备使关节轴承在轴上固定并可调节位置的功能。因此连杆使用3mm的自行车条幅，两端用板牙车丝。如图2.6所示为无碳小车的导向机构的三维模型。
图2.6 小车导向机构三维模型
2.6 行走机构的设计
2.6.1 行走机构方案的选择
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。
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（1）双轮同步驱动虽然行走比较稳定，但在转弯时，外轮会与地面产生滑动，我们都知道滑动摩擦远比滚动摩擦更加损耗能量，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，故不选择此驱动。
（2）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。
（3）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。就如一辆儿童自行车外加两个车轮，既保证了前进，我保证了初学者能在一个比较稳定的环境下骑车。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。
小车的前进方式有单轮驱动和双轮驱动两种。由于小车的轨迹为正弦曲线，所以两后轮一个周期行驶的距离不等，所以需要采用单轮驱动。最先考虑采用在后轮轴上安装差速器，两轮交替单独驱动，在原理上不存在问题，但差速器加工困难，网上可以买差速器，但必须设计与后轮连接的部分，增加了制造零件的个数、这部分的制造精度要求也较高，增加了整个小车的成本。而且实际运行时转向机构出现了精度过高不宜调整的问题，不满足单件生产的精确性和大批量生产的流水作业；调整为一根后轮轴装两个后轮，采用单边为主动轮驱动，前轮受转向机构控制而转向，在未排除其他机构的机械调试影响之前行驶路线稍显不稳定，反复的试验后证明该方法简单有效。
2.6.2 后轮尺寸的计算
由1.3可知，无碳越障小车的前进路线近似于余弦函数
y?Acos?x
我们以障碍物间距为1mm为基准，A=0.3时函数关系为
y?0.3cos?x
对函数求导
y'?dy?0.3?sin?x dx2对这个函数进行曲线积分
2S??0?dy?21???dx??1??0.3?sin?x??2.8 ?dx?015
2由式可知小车每个周期前进的距离S=2.8m，小车的传动比为1:6。可以计算小车后
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轮直径d
S?i?d?6?d?2.8
解之得d=148mm。
小车行驶一个周期时后轮转动的圈数为6，而前轮转向机构往复一次。为了使小车前行距离远，理论上后轮的直径越大越好，但后轮太大，启动时所需力矩较大且消耗的能量也大。
假定小车行驶曲线顶峰离障碍物的安全距离为300mm，障碍物间距1000mm,推算出一个周期内小车的运动轨迹长s=2827mm。在前进过程中，一个周期小车的导向机构往复一次，根据计算，取传动比为i=6:1，可由公式（d=s/iπ）计算，后轮直径取d=150mm。
2.7 微调机构的选择
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，原因之二是为了调整无碳小车的轨迹（幅值，周期，方向等），只有这样才能够使小车在运行时能够行走出一条最优的轨迹。
图2.7 曲柄盘
另外根据题目的要求，无碳小车需要绕过不同距离的障碍物。这就需要我们通过改变曲柄的长度来改变小车的路线。常用的曲柄长度调节装置有：曲柄，曲柄盘，微
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