攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计
通过对毕业设计的题目分析可知小车的前进路线，我们可以将它近似地看成余弦函数
y?Acos?x
其中A为振幅，ω为频率。函数的图像就类似于小车前进的路线，如图1.3,1.4,1.5为障碍物间距不同时对应的函数图像。
由于小车要适应不同距离的障碍物的场地，所以函数的周期是变化的，因此对应的函数图像也是不同的。由MATLAB可以算出不同间距时对应的轨迹的振幅及周期长度，作出间距变化对应距离表1.1。
表1.1为小车在障碍物取不同间距时在场地上行走时对应的实际前进的距离。通过分析表1.1中的数据可取小车行走一个周期的距离S约为2800mm，以保证当障碍物间距在900-1100mm 范围内时，通过调节导向机构我们可以使小车能够准确的绕过障碍物。
表1.1 不同间距对应的余弦函数图像长度
图1.3,1.4,1.5为当小车场地的障碍物取不同的间距时小车行走一个周期所经过的路程的轨迹。为了保证小车顺利的绕过障碍物，并且尽可能的前进更远的路程，通过表1.1我们可以确定小车的起始位置，即距离中线300mm～500mm的范围内，以满足小车越障要求。
2.3 原动机构的设计
2.3.1 滑轮的设计
小车的原动机构采用滑轮悬挂，其上挂有一根伸缩性较小棉线，在棉线的一端挂有一重块，另一端则缠绕在小车驱动轴的绕线筒上，中间悬挂在支撑架上的滑轮上。当重块下落时通过棉线拉动动滑轮转动，带动绕线筒旋转，以此通过传动机构驱动小车后轮旋转，驱动小车向前行驶。
带轮设计成锥形，在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。起动后，原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。当物块距小车很近时，原动轮的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，
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直到停止，物块停止下落，正好接触小车。
小车上的定滑轮由3根直径为6mm的碳钢丝杆支撑，将提供能量的重物通过定滑轮悬挂在有效高度为400±2mm的重物支撑架上使其自由落下，为小车前进提供能量。同时保证重物在下落的过程中不会晃动。
图2.1 不同力臂时力矩示意图
由于质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）通过棉线绕过定滑轮转动时，在定滑轮上形成一个驱动力矩M，原理如图2.1所示。由公式：
M?FR
可知滑轮半径（动力臂）越大，形成的驱动力矩就越大。根据这个结论，我们可
以在保证车身长度一定的前提下，把定滑轮的半径尽可能的取得大的值。
图2.2 小车的滑轮
为保证重物在下落过程中保持匀速，在滑轮上绕棉线时，在滑轮上多绕几圈，这样可以有效减慢重物下降的速度，提高能量的利用率。图2.2为滑轮的三维模型。
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2.3.2 绕绳轮的设计
驱动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。在我们所学过得架构中能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对绕绳轮还有其它的具体要求。
（1）驱动力要适中，这样才不至于在小车拐弯时速度过大发生倾翻，或者是重块晃动厉害影响小车的行走。
（2）应该使重物块的动能尽可能的转化到驱动无碳小车的前进上，但是如果重物块在竖直方向上的速度比较大，重物本身就会还有较多动能未释放，这样的后果就是能量利用率不高。所以我们要控制重物下落的速度。
（3）到小车在到达终点前重块在竖直方向上的速度要尽可能小，这样能够避免发生碰撞而造成损失能量。
（4）由于不同的场地对轮子的摩擦不一样，在不同的场地上面无碳小车小车是需要的驱动力也不一样的。因此在调试的时候也不知道需要多大的驱动力才能恰到好处。因此驱动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。
（5）机构简单，效率高。绕绳轮设计有大直径轮，便于小车启动，重物下落时，直接带动小车轴转动，从而带动小车前进，这种方法很易实现，又方便制作。也可以通过调整使小车的速度平缓的前进，同时也方便转向。
同时为了防止重物因转向等的原因摇摆导致小车倒翻，在重物下落垂直上用丝杆固定重物下落轨迹。传动机构上我们设置的传动比是1:6，这样能使重物下落相同高度能有更远的行驶路程。因为整体小车摩擦很小，所以我们的绕线部分直接缠绕在直径10mm的绕绳轮上使小车达到更远的行驶路程。绕线轮模型如图2.3。
图2.3 小车绕绳轮模型
2.3.3 重物支撑架的设计
重物支撑架的作用是固定滑轮，悬挂重物的支架。重物支撑架的设计包括两个部分：重物支撑杆和重物支撑架。
重物支撑杆支架采用3根M5的碳钢丝杆成等边三角形分布，可以防止重物在下
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降的过程中晃动。支撑杆的长度为450mm。
重物支撑架采用硬铝制成，要求三个孔的相对位置要完全和地板上的三个孔的位置匹配，不然重物支撑杆就会倾斜，影响小车的正常运行。重物支撑板的三个空的直径为6mm，通过螺母在重物支撑杆上固定。支撑架上有两个5mm的孔，用于滑轮的轴的径象定位。重物支撑板的结构如图2.4。
图2.4 重物支撑架
2.4 传动机构的设计
2.4.1 齿轮的设计
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。常用的传动方式包括：齿轮传动、链传动、带传动、蜗杆涡轮传动。由表2.2的各种传动方式的优缺点比较，我们选择一级齿轮组传动作为无碳越障小车的传动机构。选择一级齿轮组可以避免二级齿轮传动带来的较大的阻力和较大的传动误差。
图2.5 齿轮的三维模型
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。按照传动比的选择原则，同时考虑到小车在行驶时要求传动
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比准确和加工工艺性，将传动比初步确定为1：6，大齿轮齿数为96，小齿轮齿数为16。即带轮转一圈车轮转6圈，较大的传动比和后轮直径可以使小车前进更远的距离。
表2.1 齿轮参数 序号 大齿轮 小齿轮 模数 0.75 0.75 齿数 96 16 中心孔/mm 20 6 分度圆直径/mm 72 12 厚度/mm 3 5 为了减轻小车的重量，将大齿轮确定为3mm厚的片齿轮，质量为硬铝。选择小模数齿轮可以有效的减小小车前进时的阻力， 模数太小又会增加制造难度、加工成本和齿轮的使用寿命。所以，将齿轮的模数确定为0.75。齿轮通过轴套与轴配合，这样可以保证齿轮的轴向和径向定位。考虑到现有的加工能力，齿轮采用线切割机床进行加工。表2.2为选择的一对齿轮参数，图2.5齿轮的三维模型。
表2.2 各种传动方式的优缺点
传动方式 优点 缺点 齿轮传动平稳，传动比精要求较高的制造和安装精确，工作可靠、效率高、寿命长，度，成本较高；不适宜远距离两使用的功率、速度和尺寸范围轴之间传动 大。 和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率较高,一般可达0.95～0.97 结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用 链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等 齿轮传动 链传动 带传动 不能保证精确的传动比；带轮材料一般是铸铁等；质量较大 蜗杆涡轮传动 有比较大的传动比，非常紧传动摩擦损失比较大，效率凑的结构；传动平稳；噪声小； 也很低，不适合传递大功率和长 能够自锁； 期连续工作；成本比较大；蜗杆传动置适用传动比大；传递功率低得机械上
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