S曲线无碳小车设计-毕业设计.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，本文通过认
真分析任务要求，确定小车应有的功能，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、周期可调的小
车，并提出了提高零件精度和增加赛道校准装置的改进方向。
在方案设计中，根据功能性需求，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，对每个部分采用
扩展性思维寻求多种可行方案，并综合考虑功能实现、加工装配、成本可行性
等因素进行优化设计。
其中，车架为骨架式玻纤板，原动机构采用滑轮组和变径绕线轴、转向机
构采用关节轴承连接的曲柄连杆机构、驱动系统采用单轮差速、微调机构采用
细螺纹调节摇杆与连杆长度以及微调圆盘调节曲柄长度。
在技术设计中，采用现代机械设计方法，通过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 小车的设计要求............................................................................... - 1 -
1.2 小车的设计方法............................................................................... - 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 数学模型的建立及参数确定......................................................... - 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需加工的零件...................................................................... - 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 小车的加工、装配和调试......................................................................... - 34 -
4.1 小车零件的加工............................................................................. - 34 -
4.2 小车的装配..................................................................................... - 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 小车设计的优缺点......................................................................... - 37 -
5.3 改进方向......................................................................................... - 38 -
5.4 总结和体会..................................................................................... - 38 -
参考文献......................................................................................................... - 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 小车的设计要求

S曲线无碳小车需要采用三轮结构，其前进和转向的能量来源必须来自给
定的重力势能，即重量1Kg的重块（f50×65mm，普通碳钢）垂直下降400±2mm
获得的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，以小车避开障碍物的数量和前
进的距离来综合评定优劣。障碍物为每隔1米放置的直径f20mm、高200mm
的弹性圆棒（如图1.2）。

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- 2 -

图1.2 小车绕障要求

1.2 小车的设计方法

首先认真对小车任务要求（详见附录1）进行分析，得到小车明确的设计
思路，下面是小车设计的流程。（如图1.3）

S曲线无碳小车设计
- 3 -

图1.3 设计流程图

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2 方案设计

通过分析，小车应具备的基本功能有：重力势能的转换、驱动自身前进、
自动避开障碍物，并且要在一定的能量下尽可能提高前进距离和绕杆数量。
根据小车的功能性需求，进行模块化设计。小车的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。采用扩展性思
维设计每一个模块，寻求多种可行的方案并优化设计。
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能实现、加工制做、成本等各方面因素（如图
2.2），提出多种方案，不轻易做最终实施，从而得到最优的设计方案。

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- 6 -

图2.2 方案设计因素

S曲线无碳小车设计
- 7 -
2.1 车架

车架是其他支承件连接的基础，是最重要的支承件，其结构设计必须合理、
巧妙。车架体积不需要很大，所承载的负荷比较小，受力不是很大，主要部件
尺寸也都较小。因此可以采用玻璃纤维板材，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他各个组件。加工简单，质量可靠，成本
低，重量轻。

2.2 原动机构

原动机构的作用主要是将铁锤下降的重力势能转化为小车前进的动能。可
以实现这一目的的方案有很多，如绕线轮和齿轮齿条机构，但后者需要较长的
空间，不容易实现，从效率和简洁性来看，采用线轮最佳。通过滑轮和尼龙线
将动力传递到绕线轴上，实现能量的转化。
此外，原动机构还应满足以下具体要求：
1.确保小车的驱动力大小恰当，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.地面对轮子的摩擦系数可能不同，因此在不同的场地小车是需要的动力
也不一样。在调试时，原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。
3.机构简洁可靠，能量转化效率高。
综上分析，本文提出了一种驱动力可调的变径线轴原动机构。
如下图2.3所示，重锤拴在线绳的一端，由两个定滑轮支撑，可以垂直在
笼中平稳下降，为绕线轴提供平稳而持续的动力。

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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，或重块的剧烈摇晃影响其
运动。必须限制重块的晃动，使其重心竖直方向始终经过小车三个轮构成的三
角形内，因此采用质量较轻的碳纤维杆和玻纤板材围成一个直径合适的笼状结
构（图2.4），保证重块在“笼”中平稳下落，维持车体的平衡。此外，碳纤和
玻纤材料的使用极大的减轻了小车的重量，同时降低小车的重心高度，保证小
车运动中的车身稳定。

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递机构中起到了重力势能到动能的转换作用。线轮轴
的粗细将直接对小车的驱动力大小，前进速度和加速度产生影响。而线轮轴上
的绕线位置将影响线绳对小车车身的力矩，影响两驱动轮所受的摩擦力分配，
进而影响小车前进方向和差速效果。
由于最大静摩擦一般情况下大于动摩擦因数，起步所需的驱动力也应略大
于正常前进所需的驱动力。
如果将线轮轴设计成圆柱，当线轮轴的直径过小时，将导致重物下落为小
车提供的扭矩不足，小车可能会难以起步。当线轮轴的直径增大到能够顺利起
步时，小车在后来的加速度将会过大，使小车不断加速，行驶过快，影响到车
身前进的平稳性，出现侧向滑动，甚至有可能出现侧翻，此外线轮轴过粗会使
绕线的圈数减少，也会减少小车的绕杆数量和缩短前进距离。

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- 10 -
经过上述分析和反复的实验改进后，将线轮轴设计成中间一段圆锥面的形
式，并改变线绳的缠绕方式，起步时将线绕在直径大的一段圆柱面上，启动后
工作在直径逐渐减小的圆锥面，经短暂过渡后再工作在直径小的轴上。该机构
（如图2.5）可以根据变径线轴与线绳相切处的直径大小，调整扭矩的大小。

图2.5 变径线轴
该机构（如图2.5）可以通过改变绳子绕在变径线轴上的部位不同，调整
驱动力的输出。

2.3 传动机构

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- 11 -
把动力按准确的传动比传递到转向机构和两个驱动轮上，是传动机构的主
要作用。为了实现小车更远的行驶，更多的绕杆和精确绕杆，传动机构需要满
足传动比可靠、传递效率高、结构简单、重量轻的特点。
保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短传动链，减少传动件的
个数，缩小传动误差，尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。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
时最优的方式，但这显然不满足变速和行程及扭矩的需要。因此，只能在考虑
到结构合理的前提下，尽量减少传动副的数量。

图2.6 传动机构

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实现小车的周期性转向，必须将绕线轴的动力按精确的传动比输出到后轮
轴和转向机构上，使前进与转向严格协调。齿轮传动结构紧凑、工作可靠、传
动比稳定。齿轮的传动效率最高可达98%，因此可以很好的提高能量利用效率。
考虑到传动所需载荷较小，金属齿轮成本较高且重量大，因此选用工程塑料齿
轮即可。
带轮具有传动距离远、缓冲吸震等特点。因此从小车结构设计上考虑，在
动力传递到转向机构的最后一环，选用带轮传动。
各传动轴的材料要有足够的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置上
也要考虑轴的两支承跨距要尽量小，使齿轮尽量靠近支承处，从而提高传动机
构的工作精度。
绕线轴和驱动轴之间采用一级齿轮增速（如图2.7）。在两根传动轴上安装
能够相互啮合的一对直齿轮，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，通过齿轮传动的传动比将重物下降的行程放大。

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的一个关键。它需要尽量减少能量损失和可加
工性好等基本条件，同时还需要能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，
带动前轮导向，从而实现越障的功能。能实现该功能的机构有：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：通过具有一定曲线轮廓的凸轮，推动转
向杆实现周期性的连续或不连续的任意预期往复运动，控制前轮摆动，以实现
按预定轨迹的转向。其优点是结构简单紧凑、设计过程简单，只需给出合理的
凸轮轮廓，就可以控制运动，但加工过程比较困难。
依靠圆柱凸轮机构转向：通过具有一定曲线凹槽的凸轮连接构件，使从动
件获得连续或不连续的规律性摆动。优缺点与直动推杆盘式凸轮机构相同，加
工更困难，且精度难以保证、尺寸微调困难，因此不采用。
依靠曲柄连杆机构转向。依靠曲柄连杆机构推动转向杆实现周期性的往复
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，可以使用市场上供应的关节轴承；两构件之间的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。
但是曲柄连杆机构一般情况下只能近似实现给定的运动轨迹，且设计较为
复杂；机构作往复运动有较大的惯性力，尤其是在高速时将引起较大的振动和
动载荷，故曲柄连杆机构常用于低速场合。

S曲线无碳小车设计
- 15 -

图2.8 转向机构
由于本小车设计的速度和传递的力不大，零件质量较轻，可以忽略惯性力。
而且机构并不复杂，可以用MATLAB和SoildWorks软件进行参数化设计。而
且有现成的标准件和工具可以改造，其中的连杆和曲柄也便于制作微调机构，
因此选用该方案。

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的最终执行装置。需要控
制的参数有差速装置和轮子的材料、直径、厚度、结构强度等。
根据摩擦理论，摩擦力矩与正压力的关系为
d×=
NM
（2.1）
对于固定的材料d为常数，滚动摩擦力为

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- 16 -
R
N
R
M
f
d×
== （2.2）
由等式（2.2）可知，轮子的直径越大，小车受到的阻力越小，因此行驶
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
做进一步分析确定。
后轮可以采用的方案有双轮同步驱动，使用差速器的双轮差速驱动，使用
单向轴承的双轮差速驱动，单轮差速驱动。
由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。车辆在拐弯时车轮的
轨迹是圆弧，如果车辆向左转弯，圆弧的圆心在左侧，同一时间内右侧轮子的
路程比左侧轮子长。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必然发生滑移。为了减少滑移带来的能量损失，必
须通过动力控制，使左边车慢于右边车轮，用不同的转速来弥补距离的差异，
减少轮子与地面的打滑，优化转向过程。

图2.9 差速原理图
双轮同步驱动必定会产生轮子与地面的打滑，前进受到过多的约束，能量
损耗加大，因此应进行优化。
使用差速器的双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，这种差速
方法能较多的减少摩擦损耗，实现预期运动。但是，它需要采用将连接两轮的
车轴断开的半轴结构，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 -
使用单向轴承的双轮差速驱动，其原理是根据速度调节阻力，自动使速度
较大的轮子成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，从而交替转弯。但是，
由于单向轴承存在侧隙，在主动轮和从动轮的切换过程中将出现误差，影响运
动的精度。
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。前进方向的改变完全由前轮控制，转弯
圆弧内侧的轮子阻力始终大于外侧，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的
双轮差速驱动稳定。

图2.10 单轮差速
综上，在本文设计的驱动系统中，轮子直径、厚度等尺寸应恰当，采用单
轮差速驱动。

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2.6 微调机构

机械装置通常包括：原动机构、传动机构、执行机构、控制部分和辅助设
备。而微调机构就属于小车的控制部分。其主要作用是调整小车的轨迹（幅值，
方向，周期等），优化小车的轨迹。此外，由于加工误差和装配误差对曲柄连
杆机构的影响很大，因此必须对误差进行修正。
本文设计的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。其中的微调曲柄由一个固定在带轮轴上的调节圆盘
和在圆盘上可以调节径向位置的月牙板组成（如图2.11）。
转向轴承为杆端关节轴承，可以满足一定角度的空间任意方向的全尺寸旋
转，因为标准件可直接购买，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的改变可以实现小车出发时前轮转角位置的精
确调节，从而保证整个轨迹的中位线方向与赛道平行，影响小车的前进轨迹。
其微调由螺距很小的螺纹连接实现，可以精确调节其长度。

S曲线无碳小车设计
- 19 -
调节曲柄长度可以对转向轮摆角幅度进行调整，从而控制小车转弯轨迹，
保证不撞杆，同时实现路线最短最优。调节月牙板在调节圆盘上的径向位置就
可以改变曲柄长度。
而对不同障碍间距的适应，需要改变传动机构的传动比，进而改变曲柄运
动的周期和角速度，这一点可以对带轮直径进行微调修配或者更换带轮来实
现。

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3 技术设计

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

3.1 数学模型的建立及参数确定

使用MATLAB软件对小车进行数学建模，可以模拟小车在不同参数下的
运动和能耗情况，从而对其参数进行优化，得到适合给定轨迹的零件参数，并
提高小车的能量利用效率。

3.1.1 能耗规律模型

在润滑良好的情况下，小车内部摩擦耗能很小，为分析方便起见，简化能
耗模型，仅考虑车轮与地面的摩擦阻力。
设小车的能量利用效率为x，轮子与地面的摩擦系数为d。则有

S曲线无碳小车设计
- 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个轮子对地面的压力；
iR
为第i个轮子的半径；
iS
为第i个轮子行走的距离；
总
m
为小车的质量。
下面详细模拟小车的参数变化与前进距离的关系，分别从轮子的半径和小
车的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，小车前进距离与
小车驱动效率的关系图。
图3.2为摩擦系数为0.5，重量依次增加0.2kg时，小车前进距离与小车驱
动效率的关系图。

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图3.1 小车在不同车轮半径下前进距离与驱动效率的关系

图3.2 小车在不同重量下前进距离与驱动效率的关系
由图可知，当随着车轮半径的增加和重量的减小，小车前进距离将变大。
所以，在设计时应尽量使用大的车轮半径和轻的车身。

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- 23 -

3.1.2 运动学分析模型

（1）变量声明（如图3.3）：
后轮半径
R

后轮A与前轮转动中心横向偏距1
a

后轮B与前轮转动中心横向偏距2
a

驱动轴与前轮转动中心的距离
d

曲柄轴与前轮转动中心的距离
b

摇杆长
c

连杆长
l

曲柄长0
r

绕线轴与线绳相切处的截面圆半径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，绕线轴转过的角度为1
d
q，有
1
1
dh
d
r
q= （3.2）
驱动轴转过的角度为2
d
q，则
1
2
12
d
d
i
q
q= （3.3）
小车移动的距离为

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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）
设绕线轴与转向杆的夹角为a时，曲柄转过的角度为5q
则a与5q的关系可用方程表示为：
55
22222
00(cos)(sinsin)cos
lccbrcr
qqaa=-×+-×+×+× （3.6）
解方程得a关于5q的函数关系式
()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。
则小车转弯的曲率半径为
1
tan
d
a
r
a
=+
（3.8）
小车前进
ds
时，整体转过的角度为
ds
d
b
r
=
（3.9）
当小车转过的角度为b时，有

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sin
cos
dxds
dyds
b
b
=-×ì
í
=×î
（3.10）
d、小车其他轮的轨迹
以A轮中心为原点，构建小车的运动坐标系，
B轮中心的坐标为()12,0
Baa
--
C轮中心的坐标为()1,
Cad
-
因此，当小车转过的角度为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，并绘制三个车轮的运动曲线（MATLAB
程序详见附录3），即可得到小车的运动轨迹，如图3.4所示即为一组参数下小
车的运动轨迹。

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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，并分析结构的合理性，最终确定小车各个机构
零件的具体尺寸（单位：mm）。
后轮半径30
R
=

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后轮A与前轮转动中心横向偏距148
a
=
后轮B与前轮转动中心横向偏距248
a
=
驱动轴与前轮转动中心的距离150
d
=
曲柄旋转中心与前轮转动中心的距离87
b
=
摇杆长53
c
=
连杆长87.4
l
=
曲柄长08
r
=
绕线轴与线绳相切处的截面圆半径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