S曲线无碳小车毕业设计方案沈阳综合项目工程学院.doc

S曲线无碳小车设计
I

摘要

S曲线无碳小车来自全国大学生工程训练综合能力竞赛命题，本文经过认
真分析任务要求，确定小车应有功效，完成了方案设计、技术设计和加工装
配调试三个阶段，制作出了行驶平稳轻巧，效率高且转弯半径、周期可调小
车，并提出了提升零件精度和增加赛道校准装置改善方向。
在方案设计中，依据功效性需求，小车按模块化设计可分为六个部分：车
架、原动机构、传动机构、转向机构、驱动系统、微调机构，对每个部分采取
扩展性思维寻求多个可行方案，并综合考虑功效实现、加工装配、成本可行性
等原因进行优化设计。
其中，车架为骨架式玻纤板，原动机构采取滑轮组和变径绕线轴、转向机
构采取关节轴承连接曲柄连杆机构、驱动系统采取单轮差速、微调机构采取
细螺纹调整摇杆和连杆长度和微调圆盘调整曲柄长度。
在技术设计中，采取现代机械设计方法，经过MATLAB建模做能耗规律
和运动学分析，设计关键参数，并使用SolidWorks仿真分析，绘制图纸。

关键词 模块化设计，matlab建模，solidworks仿真，曲柄连杆机构，单轮差
速

沈阳工程学院毕业设计（论文）
II

Abstract

The non-carbon car of S curve is from the national comprehensive ability
training contest of college students of engineering, in this paper, through careful
analysis of mission requirements, the car's function is determined. It completed the
three phase of technical design and assembly design, debugging, produced a stable
running lightweight, high efficiency and turning radius, adjustable cycle cart, and
put forward the improvement direction of improving the accuracy of parts and
adding the track calibration device.
In the design of the scheme, concerning the functional requirements, according
to the modular designing,the car can be divided into six parts: frame, driving
mechanism, transmission mechanism, a steering mechanism, driving system,
adjustment mechanism. For each part, it used the extended thinking to seek a
variety of options, andconsider factors, such as the realization of the function,
processing and assembling, cost and feasibility, to optimize the design.
Among them, the frame is frame type of glass plate, driving mechanism adopts
group and variable diameter pulley spool, the steering mechanism adopts a crank
connecting rod mechanism, connected by joint bearing, driving system has a
differential single wheel, adjusting mechanism uses fine thread to adjust the length
of rocker and the connecting rod, and the trimming disc to adjust crank length.
In the technical design, using the modern design method, it made energy
consumption analysis of law and kinematics by the MATLAB modeling, designed
key parameters, then did SolidWorks simulation, and produced drawings.

Key Words modular designing, matlab modeling, SolidWorks simulation, crank
connecting rod mechanism, single differential wheel

S曲线无碳小车设计
III

目录

摘要 ........................................................................................................................ I
Abstract ................................................................................................................. II
1 绪论............................................................................................................... - 1 -
1.1 小车设计要求............................................................................... - 1 -
1.2 小车设计方法............................................................................... - 2 -
2 方案设计....................................................................................................... - 4 -
2.1 车架................................................................................................... - 7 -
2.2 原动机构........................................................................................... - 7 -
2.3 传动机构......................................................................................... - 10 -
2.4 转向机构......................................................................................... - 13 -
2.5 驱动系统......................................................................................... - 15 -
2.6 微调机构......................................................................................... - 18 -
3 技术设计..................................................................................................... - 20 -
3.1 数学模型建立及参数确定......................................................... - 20 -
3.1.1 能耗规律模型..................................................................... - 20 -
3.1.2 运动学分析模型................................................................. - 23 -
3.1.3 确定零件尺寸..................................................................... - 27 -
3.2 零部件设计..................................................................................... - 29 -
3.2.1 标准件及材料明细表......................................................... - 29 -

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IV
3.2.2需加工零件...................................................................... - 30 -
3.3 整体设计......................................................................................... - 31 -
3.3.1 整体装配图......................................................................... - 31 -
3.3.2 小车运动仿真分析............................................................. - 33 -
4 小车加工、装配和调试......................................................................... - 34 -
4.1 小车零件加工............................................................................. - 34 -
4.2 小车装配..................................................................................... - 35 -
4.3 小车调试......................................................................................... - 36 -
5 评价分析及总结......................................................................................... - 37 -
5.1 小车设计结果................................................................................. - 37 -
5.2 小车设计优缺点......................................................................... - 37 -
5.3 改善方向......................................................................................... - 38 -
5.4 总结和体会..................................................................................... - 38 -
参考文件......................................................................................................... - 39 -
附录................................................................................................................. - 40 -
附录1 S曲线无碳小车命题要求......................................................... - 40 -
附录2 耗能分析程序............................................................................ - 41 -
附录3 运动学分析程序........................................................................ - 42 -

S曲线无碳小车设计
- 1 -

1 绪论

1.1 小车设计要求

S曲线无碳小车需要采取三轮结构，其前进和转向能量起源必需来自给
定重力势能，即重量1Kg重块（f50×65mm，一般碳钢）垂直下降400±2mm
取得4J能量，重锤下落后需要同小车一起运动，不能脱离车身。

图1.1 小车标准要求
要求小车一边前进，一边自动绕过障碍物，以小车避开障碍物数量和前
进距离来综合评定优劣。障碍物为每隔1米放置直径f20mm、高200mm
弹性圆棒（图1.2）。

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图1.2 小车绕障要求

1.2 小车设计方法

首先认真对小车任务要求（详见附录1）进行分析，得到小车明确设计
思绪，下面是小车设计步骤。（图1.3）

S曲线无碳小车设计
- 3 -

图1.3 设计步骤图

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- 4 -

2 方案设计

经过分析，小车应含有基础功效有：重力势能转换、驱动本身前进、
自动避开障碍物，而且要在一定能量下尽可能提升前进距离和绕杆数量。
依据小车功效性需求，进行模块化设计。小车设计划分为六个部分：
车架、原动机构、传动机构、转向机构、驱动系统、微调机构。采取扩展性思
维设计每一个模块，寻求多个可行方案并优化设计。
下面为设计图框（图2.1）。

S曲线无碳小车设计
- 5 -

图2.1 设计图框
在选择方案时应综合考虑功效实现、加工制做、成本等各方面原因（图
2.2），提出多个方案，不轻易做最终实施，从而得到最优设计方案。

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- 6 -

图2.2 方案设计原因

S曲线无碳小车设计
- 7 -
2.1 车架

车架是其它支承件连接基础，是最关键支承件，其结构设计必需合理、
巧妙。车架体积不需要很大，所承载负荷比较小，受力不是很大，关键部件
尺寸也全部较小。所以能够采取玻璃纤维板材，经雕刻机加工成所需形状，钳工
修磨后，拼接粘合成三角式车架和其它各个组件。加工简单，质量可靠，成本
低，重量轻。

2.2 原动机构

原动机构作用关键是将铁锤下降重力势能转化为小车前进动能。可
以实现这一目标方案有很多，如绕线轮和齿轮齿条机构，但后者需要较长
空间，不轻易实现，从效率和简练性来看，采取线轮最好。经过滑轮和尼龙线
将动力传输到绕线轴上，实现能量转化。
另外，原动机构还应满足以下具体要求：
1.确保小车驱动力大小合适，减小车速，使小车在转向时不会因重锤惯
性或摆动而失稳，甚至倾翻。
2.地面对轮子摩擦系数可能不一样，所以在不一样场地小车是需要动力
也不一样。在调试时，原动机构还需要能依据不一样需要调整其驱动力。
3.机构简练可靠，能量转化效率高。
综上分析，本文提出了一个驱动力可调变径线轴原动机构。
以下图2.3所表示，重锤拴在线绳一端，由两个定滑轮支撑，能够垂直在
笼中平稳下降，为绕线轴提供平稳而连续动力。

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- 8 -

图2.3 滑轮组
为了避免小车在拐弯时因速度过大而发生倾翻，或重块猛烈摇摆影响其
运动。必需限制重块晃动，使其重心竖直方向一直经过小车三个轮组成三
角形内，所以采取质量较轻碳纤维杆和玻纤板材围成一个直径适宜笼状结
构（图2.4），确保重块在“笼”中平稳下落，维持车体平衡。另外，碳纤和
玻纤材料使用极大减轻了小车重量，同时降低小车重心高度，确保小
车运动中车身稳定。

S曲线无碳小车设计
- 9 -

图2.4 重锤在笼状直筒中下降
线轮轴在小车动力传输机构中起到了重力势能到动能转换作用。线轮轴
粗细将直接对小车驱动力大小，前进速度和加速度产生影响。而线轮轴上
绕线位置将影响线绳对小车车身力矩，影响两驱动轮所受摩擦力分配，
进而影响小车前进方向和差速效果。
因为最大静摩擦通常情况下大于动摩擦因数，起步所需驱动力也应略大
于正常前进所需驱动力。
假如将线轮轴设计成圆柱，当线轮轴直径过小时，将造成重物下落为小
车提供扭矩不足，小车可能会难以起步。当线轮轴直径增大到能够顺利起
步时，小车在以后加速度将会过大，使小车不停加速，行驶过快，影响到车
身前进平稳性，出现侧向滑动，甚至有可能出现侧翻，另外线轮轴过粗会使
绕线圈数降低，也会降低小车绕杆数量和缩短前进距离。

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经过上述分析和反复试验改善后，将线轮轴设计成中间一段圆锥面形
式，并改变线绳缠绕方法，起步时将线绕在直径大一段圆柱面上，开启后
工作在直径逐步减小圆锥面，经短暂过渡后再工作在直径小轴上。该机构
（图2.5）能够依据变径线轴和线绳相切处直径大小，调整扭矩大小。

图2.5 变径线轴
该机构（图2.5）能够经过改变绳子绕在变径线轴上部位不一样，调整
驱动力输出。

2.3 传动机构

S曲线无碳小车设计
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把动力按正确传动比传输到转向机构和两个驱动轮上，是传动机构主
要作用。为了实现小车更远行驶，更多绕杆和正确绕杆，传动机构需要满
足传动比可靠、传输效率高、结构简单、重量轻特点。
确保传动链和实施件之间严格传动比，尽可能缩短传动链，降低传动件
个数，缩小传动误差，尽可能降低能量转换次数会有效地提升能量利用率。由
绕线轴直接驱动两个驱动轮，结构最简单、效率最高。这是在不考虑其它条件
时最优方法，但这显然不满足变速和行程及扭矩需要。所以，只能在考虑
到结构合理前提下，尽可能降低传动副数量。

图2.6 传动机构

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实现小车周期性转向，必需将绕线轴动力按正确传动比输出到后轮
轴和转向机构上，使前进和转向严格协调。齿轮传动结构紧凑、工作可靠、传
动比稳定。齿轮传动效率最高可达98%，所以能够很好提升能量利用效率。
考虑到传动所需载荷较小，金属齿轮成本较高且重量大，所以选择工程塑料齿
轮即可。
带轮含有传动距离远、缓冲吸震等特点。所以从小车结构设计上考虑，在
动力传输到转向机构最终一环，选择带轮传动。
各传动轴材料要有足够支承刚度，降低受载后弯曲变形，在部署上
也要考虑轴两支承跨距要尽可能小，使齿轮尽可能靠近支承处，从而提升传动机
构工作精度。
绕线轴和驱动轴之间采取一级齿轮增速（图2.7）。在两根传动轴上安装
能够相互啮合一对直齿轮，前轴（驱动轴）上安装小齿轮，在后轴上安装大
齿轮，把重物绕线绕于后轴，经过齿轮传动传动比将重物下降行程放大。

S曲线无碳小车设计
- 13 -

图2.7 增速齿轮副

2.4 转向机构

转向机构是无碳小车设计中一个关键。它需要尽可能降低能量损失和可加
工性好等基础条件，同时还需要能够将旋转运动转化为满足要求往返摆动，
带动前轮导向，从而实现越障功效。能实现该功效机构有：直动推杆盘式
凸轮机构、圆柱凸轮机构、曲柄连杆机构等。

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图2.8 小车俯视图
依靠直动推杆盘式凸轮机构转向：经过含有一定曲线轮廓凸轮，推进转
向杆实现周期性连续或不连续任意预期往复运动，控制前轮摆动，以实现
按预定轨迹转向。其优点是结构简单紧凑、设计过程简单，只需给出合理
凸轮轮廓，就能够控制运动，但加工过程比较困难。
依靠圆柱凸轮机构转向：经过含有一定曲线凹槽凸轮连接构件，使从动
件取得连续或不连续规律性摆动。优缺点和直动推杆盘式凸轮机构相同，加
工更困难，且精度难以确保、尺寸微调困难，所以不采取。
依靠曲柄连杆机构转向。依靠曲柄连杆机构推进转向杆实现周期性往复
转动，以控制前轮预定往复运动。运动副单位面积所受压力较小，而且摩擦耗
能小，能够使用市场上供给关节轴承；两构件之间连接类型属于几何封闭，
不像凸轮机构有时需利用外加弹簧来保持接触。
不过曲柄连杆机构通常情况下只能近似实现给定运动轨迹，且设计较为
复杂；机构作往复运动有较大惯性力，尤其是在高速时将引发较大振动和
动载荷，故曲柄连杆机构常见于低速场所。

S曲线无碳小车设计
- 15 -

图2.8 转向机构
因为本小车设计速度和传输力不大，零件质量较轻，能够忽略惯性力。
而且机构并不复杂，能够用MATLAB和SoildWorks软件进行参数化设计。而
且有现成标准件和工具能够改造，其中连杆和曲柄也便于制作微调机构，
所以选择该方案。

2.5 驱动系统

驱动系统即为三个轮子，是小车前进和绕障运动最终实施装置。需要控
制参数有差速装置和轮子材料、直径、厚度、结构强度等。
依据摩擦理论，摩擦力矩和正压力关系为
d×=
NM
（2.1）
对于固定材料d为常数，滚动摩擦力为

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R
N
R
M
f
d×
== （2.2）
由等式（2.2）可知，轮子直径越大，小车受到阻力越小，所以行驶
距离和绕杆数目越多。但尺寸还需要考虑材料、加工、安装等等问题，后面将
做深入分析确定。
后轮能够采取方案有双轮同时驱动，使用差速器双轮差速驱动，使用
单向轴承双轮差速驱动，单轮差速驱动。
因为小车是沿着曲线前进，后轮肯定会产生差速。车辆在拐弯时车轮
轨迹是圆弧，假如车辆向左转弯，圆弧圆心在左侧，同一时间内右侧轮子
旅程比左侧轮子长。若两侧车轮固定于同一刚性转轴上，以同一角速度转动，
则内侧或外侧车轮在滚动中肯定发生滑移。为了降低滑移带来能量损失，必
须经过动力控制，使左边车慢于右边车轮，用不一样转速来填补距离差异，
降低轮子和地面打滑，优化转向过程。

图2.9 差速原理图
双轮同时驱动肯定会产生轮子和地面打滑，前进受到过多约束，能量
损耗加大，所以应进行优化。
使用差速器双轮差速驱动能够避免双轮同时驱动出现问题，这种差速
方法能较多降低摩擦损耗，实现预期运动。不过，它需要采取将连接两轮
车轴断开半轴结构，增加了装配难度，而且车身结构也将变得复杂。

S曲线无碳小车设计
- 17 -
使用单向轴承双轮差速驱动，其原理是依据速度调整阻力，自动使速度
较大轮子成为从动轮，速度较慢轮子成为主动轮，从而交替转弯。不过，
因为单向轴承存在侧隙，在主动轮和从动轮切换过程中将出现误差，影响运
动精度。
使用单轮差速驱动是固定用一个轮子作主动轮，另一个为从动轮。就像一
辆自行车后轮在旁边装上一个支撑轮。前进方向改变完全由前轮控制，转弯
圆弧内侧轮子阻力一直大于外侧，从而实现差速。其结构简单易行，传动精
度比利用单向轴承高，能量利用效率也比差速器高，但速度没有使用差速器
双轮差速驱动稳定。

图2.10 单轮差速
综上，在本文设计驱动系统中，轮子直径、厚度等尺寸应合适，采取单
轮差速驱动。

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2.6 微调机构

机械装置通常包含：原动机构、传动机构、实施机构、控制部分和辅助设
备。而微调机构就属于小车控制部分。其关键作用是调整小车轨迹（幅值，
方向，周期等），优化小车轨迹。另外，因为加工误差和装配误差对曲柄连
杆机构影响很大，所以必需对误差进行修正。
本文设计曲柄连杆机构包含了一个微调机构，该机构由微调摇杆、微调
连接杆、和微调曲柄组成。其中微调曲柄由一个固定在带轮轴上调整圆盘
和在圆盘上能够调整径向位置月牙板组成（图2.11）。
转向轴承为杆端关节轴承，能够满足一定角度空间任意方向全尺寸旋
转，因为标准件可直接购置，降低了制作成本。

图2.11 微调连杆和微调曲柄
微调摇杆和微调连杆长度改变能够实现小车出发时前轮转角位置精
确调整，从而确保整个轨迹中位线方向和赛道平行，影响小车前进轨迹。
其微调由螺距很小螺纹连接实现，能够正确调整其长度。

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- 19 -
调整曲柄长度能够对转向轮摆角幅度进行调整，从而控制小车转弯轨迹，
确保不撞杆，同时实现路线最短最优。调整月牙板在调整圆盘上径向位置就
能够改变曲柄长度。
而对不一样障碍间距适应，需要改变传动机构传动比，进而改变曲柄运
动周期和角速度，这一点能够对带轮直径进行微调修配或更换带轮来实
现。

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3 技术设计

在技术设计中，关键任务是将方案付诸实施，具体确定各个零部件具体
尺寸参数，并完成加工，装配和调试等过程。

3.1 数学模型建立及参数确定

使用MATLAB软件对小车进行数学建模，能够模拟小车在不一样参数下
运动和能耗情况，从而对其参数进行优化，得到适合给定轨迹零件参数，并
提升小车能量利用效率。

3.1.1 能耗规律模型

在润滑良好情况下，小车内部摩擦耗能很小，为分析方便起见，简化能
耗模型，仅考虑车轮和地面摩擦阻力。
设小车能量利用效率为x，轮子和地面摩擦系数为d。则有

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- 21 -
ï
ï
î
ï
ï
í
ì
=
=
å
å
=
=
3
1
3
1
*
i
i
i
iR
N
gmN
mghs
i
i
总
x
d
（3.1）
式中
iN
为第i个轮子对地面压力；
iR
为第i个轮子半径；
iS
为第i个轮子行走距离；
总
m
为小车质量。
下面具体模拟小车参数改变和前进距离关系，分别从轮子半径和小
车重量两个参数考虑其影响。（MATLAB程序详见附录2）
图3.1为摩擦系数为0.5，车轮半径依次增加10mm时，小车前进距离和
小车驱动效率关系图。
图3.2为摩擦系数为0.5，重量依次增加0.2kg时，小车前进距离和小车驱
动效率关系图。

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图3.1 小车在不一样车轮半径下前进距离和驱动效率关系

图3.2 小车在不一样重量下前进距离和驱动效率关系
由图可知，当伴随车轮半径增加和重量减小，小车前进距离将变大。
所以，在设计时应尽可能使用大车轮半径和轻车身。

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- 23 -

3.1.2 运动学分析模型

（1）变量申明（图3.3）：
后轮半径
R

后轮A和前轮转动中心横向偏距1
a

后轮B和前轮转动中心横向偏距2
a

驱动轴和前轮转动中心距离
d

曲柄轴和前轮转动中心距离
b

摇杆长
c

连杆长
l

曲柄长0
r

绕线轴和线绳相切处截面圆半径1
r

小带轮基准半径4
r

大带轮基准半径5
r

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图3.3 小车参数符号说明
a、驱动模型：
当重块下降
dh
时，绕线轴转过角度为1
d
q，有
1
1
dh
d
r
q= （3.2）
驱动轴转过角度为2
d
q，则
1
2
12
d
d
i
q
q= （3.3）
小车移动距离为

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- 25 -
2
dsRd
q=× （3.4）

b、转向模型：
由传动机构可得
2
25
324
52
543
i
zzdr
dd
rzz
q
qq=
¢
=××
（3.5）
设绕线轴和转向杆夹角为a时，曲柄转过角度为5q
则a和5q关系可用方程表示为：
55
22222
00(cos)(sinsin)cos
lccbrcr
qqaa=-×+-×+×+× （3.6）
解方程得a相关5q函数关系式
()5
f
aq= （3.7）
c、小车运动轨迹模型
当转向轮转过角度a时，A轮为驱动轮，B轮为从动轮。
则小车转弯曲率半径为
1
tan
d
a
r
a
=+
（3.8）
小车前进
ds
时，整体转过角度为
ds
d
b
r
=
（3.9）
当小车转过角度为b时，有

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sin
cos
dxds
dyds
b
b
=-×ì
í
=×î
（3.10）
d、小车其它轮轨迹
以A轮中心为原点，构建小车运动坐标系，
B轮中心坐标为()12,0
Baa
--
C轮中心坐标为()1,
Cad
-
所以，当小车转过角度为b时，有
()
()
12
12
cos
sin
BA
BA
xxaa
yyaa
b
b
=-+×ìï
í
=-+×ïî （3.11）
1
1
cossin
cossin
CA
CA
xxad
yyda
bb
bb
=-×-×ì
í
=+×-×î （3.12）
将微分方程改成差分方程来求解，并绘制三个车轮运动曲线（MATLAB
程序详见附录3），即可得到小车运动轨迹，图3.4所表示即为一组参数下小
车运动轨迹。

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图3.4 小车轨迹模拟

3.1.3 确定零件尺寸

经过理论计算和软件模拟，并分析结构合理性，最终确定小车各个机构
零件具体尺寸（单位：mm）。
后轮半径30
R
=

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后轮A和前轮转动中心横向偏距148
a
=
后轮B和前轮转动中心横向偏距248
a
=
驱动轴和前轮转动中心距离150
d
=
曲柄旋转中心和前轮转动中心距离87
b
=
摇杆长53
c
=
连杆长87.4
l
=
曲柄长08
r
=
绕线轴和线绳相切处截面圆半径12
r
=
小带轮基准半径42
r
=
大带轮基准半径518.2
r
=

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图3.5 尺寸符号示意图

3.2 零部件设计

3.2.1 标准件及材料明细表
表3.1 标准件及材料明细表
编号 材料及标准件
毛坯
种类
毛坯尺寸 毛坯数 每台件数 型号
1 玻璃纤维 板料 200×200×3 5 5
2 碳纤维 棒料 Φ3×1000 12 12
3 碳纤维 棒料 Φ4×100，内径2 1 1
4 45钢 棒料 Φ10×500 1 5
5 深沟球轴承
2.5*6*2.6
(d*D*B)
3 3
NMB
682XZZ
6 深沟球轴承
2*5*2.3
(d*D*B)
10 10
NMB
682ZZ
7 滑轮轴承
3*10*3
(d*D*B)
2 2 V623
8
内螺纹杆端
关节轴承

2*4*3*6*10*2
(dxBxC1xd2xhxd3)
2 2
9 推力球轴承
3*8*3.5
(d*D*B)
2 2 F3-8
10 直齿轮 m=0.5，z=40 1 1
11 直齿轮 m=0.5，z=38 1 1
12 双联直齿轮
m=0.5，z1=34，
z2=12
1 1
13 直齿轮 m=0.5，z=18
14 垫片 M2×1 30 30
15 螺栓 M2×20 20 20
16 螺母 M2 20 20
17 轴套
2*5*2.3
(d*D*B)
7 7

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3.2.2需加工零件

1、驱动轴