第三届XX省学生工程训练
综合力竞赛
碳车设计说明书
参赛者：
指导老师：
学校：XX工程学院
点：XX 福州
时间：20XX年1月12日
摘
第三届XX省学生工程训练综合力竞赛命题题碳车越障竞赛接第四届国赛做准备设计车程中特注重设计方法力求通命题分析清晰开阔设计思路作品设计做系统性规范性创新性设计程中综合考虑材料 加工 制造成等方面素鉴参数化设计 优化设计 系统设计等现代设计发发明理方法采MATLABPROECATIA等软件辅助设计
车设计分三阶段：方案设计技术设计制作调试通阶段深入分析层层关设计优设计拢
方案设计阶段根车功求根机器构成（原动机构传动机构执行机构控制部分辅助部分）车分车架 原动机构 传动机构 转机构 行走机构 微调机构六模块进行模块化设计分针模块进行方案设计通综合选择出优方案组合方案：车架采三角底板式原动机构采锥形轴传动机构采齿轮转机构采曲柄连杆行走机构采双轮驱动微调机构采微调螺母螺钉中转机构利调心轴承关节轴承
技术设计阶段先方案建立数学模型进行理分析助MATLAB分进行耗规律分析运动学分析动力学分析灵敏度分析进出车具体参数运动规律接着应PROE软件进行车实体建模部分运动仿真实体建模基础零件进行详细设计综合考虑零件材料性加工工艺成等
车零件标准件购买时部分求加工精度高部分需特殊加工外数通手工加工出塑料会采制电锯’切割车受力量采胶接简化零件零件装配调试程会通微调等方式改变车参数进行试验试验基础验证车运动规律时确定车优参数
关键字：碳车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构 灵敏度分析
目录
摘 2
绪 5
11届竞赛题命题 5
12车功设计求 5
13车整体设计求 6
14车设计方法 6
二 方案设计 7
21车架 9
22原动机构 9
23传动机构 10
24转机构 10
25行走机构 12
26微调机构 13
三 技术设计 14
31建立数学模型参数确定 14
311耗规律模型 15
312运动学分析模型 17
313动力学分析模型 21
314灵敏度分析模型 23
315参数确定 24
32零部件设计 25
33整体设计 27
331整体装配图 27
332车运动仿真分析 27
四 车制作调试改进 28
41车制作流程 28
详见工艺分析方案报告 28
42车调试方法 28
43车改进方法 28
五 评价分析 29
51车优缺点 29
52动行走赛时前行距离估计 29
53改进方 29
六 参考文献 29
七附录
71装配图 30
72 爆炸图30
73耗分析程序 31
74运动学分析程序 32
75动力学分析程序 34
76灵敏度分析程序 37
绪
11届竞赛题命题
参第四届全国学生工程训练综合力竞赛命题届赛题碳车越障竞赛命题重力势驱动具方控制功行车 分省区预赛求进行
12车功设计求
定重力势根量转换原理设计种该重力势转换机械驱动车行走装置该行车前行时够动避开赛道设置障碍物（间隔7001300mm抽签产生间距放置直径20mm高200mm弹性障碍圆棒）车前行距离远避开障碍少综合评定成绩
定重力势5焦耳（取g10ms2）竞赛时统质量1Kg重块（50×65 mm普通碳钢）铅垂降获落差500±2mm重块落须车承载车起运动允许掉落
求车前行程中完成动作需量均量转换获量形式
车求采三轮结构（1转轮2驱动轮）具体结构造型材料选均参赛者设计完成求满足：①车面装载件外形尺寸60×20 mm实心圆柱型钢制质量块作载荷质量应750克车行走程中载荷允许掉落②转轮外径应30mm
13车整体设计求
车设计程中需完成：机械设计工艺方案设计济成分析工程理方案设计命题中工程理力项求综合考虑材料加工制造成等方面素提出合理工程规划设计力项求参赛作品设计具创新性规范性命题中制造工艺力项求综合运加工制造工艺知识力
14车设计方法
车设计定做目标明确通命题分析较清晰开阔设计思路作品设计需系统性规范性创新性设计程中需综合考虑材料 加工 制造成等方面素
车设计提高车性关键设计方法鉴参数化设计 优化设计 系统设计等现代设计发发明理方法采MATLABPROE等软件辅助设计面设计车流程（图）
图
二 方案设计
通车功分析车需完成重力势转换驱动身行走动避开障碍物方便设计里根车完成功车划分五部分进行模块化设计（车架 原动机构 传动机构 转机构 行走机构 微调机构）令满意方案采扩展性思维设计模块寻求种行方案构思面设计图框（图二）
图二
选择方案时应综合考虑功材料加工制造成等方面素时量避免直接决策减少决策时观素选择方案够综合优
图三
21车架
车架承受力精度求低考虑重量加工成等车架采尼龙板加工制作成底板
22原动机构
原动机构作重块重力势转化车驱动力实现功方案种效率简洁性绳轮优车原动机构具体求1驱动力适中车拐弯时速度倾翻重块晃动厉害影响行走2达终点前重块竖直方速度避免车击时重块动转化驱动车前进果重块竖直方速度较重块身较动未释放量利率高3场轮子摩擦摩擦样场车需动力样调试时知道驱动力恰处原动机构需根需调整驱动力4机构简单效率高
基分析提出输出驱动力调绳轮式原动机构图四
图四
图通改变绳子绕绳轮位置改变输出动力
23传动机构
传动机构功动力运动传递转机构驱动轮车行驶更远设计轨道精确行驶传动机构必需传递效率高传动稳定结构简单重量轻等
1额外传动装置直接动力轴驱动轮子转机构种方式效率高结构简单考虑条件时优方式
2带轮具结构简单传动稳价格低廉缓吸震等特点效率传动精度高适合车设计
3齿轮具效率高结构紧凑工作传动稳定价格较高第种方式够满足求情况优先考虑齿轮传动
24转机构
转机构车设计关键部分直接决定着车功转机构样需减少摩擦耗结构简单零部件已获等基条件时需特殊运动特性够旋转运动转化满足求回摆动带动转轮左右转动实现拐弯避障功实现该功机构：凸轮机构+摇杆曲柄连杆+摇杆曲柄摇杆差速转弯等等
凸轮：凸轮具定曲线轮廓凹槽构件运动时通高副接触动件获连续连续意预期复运动
优点：需设计适凸轮轮廓便动件意预期运动结构简单紧凑设计方便缺点：凸轮轮廓加工较困难
车设计中：凸轮轮廓加工较困难尺寸够逆改变精度难保证重量较效率低量损失（滑动摩擦）采
曲柄连杆+摇杆
优点：运动副单位面积受压力较面接触便润滑磨损减制造方便已获较高精度两构件间接触身封闭维系凸轮机构时需利弹簧等力封闭保持接触
缺点：般情况似实现定运动规律运动轨迹设计较复杂定运动求较较复杂时需构件数运动副数较样机构结构复杂工作效率降低仅发生锁性增加机构运动规律制造安装误差敏感性增加机构中做面复杂运动作复运动构件长生惯性力难衡高速时引起较振动动载荷连杆机构常速度较低场合
车设计中车转频率传递力机构做较轻忽略惯性力机构复杂利MATLAB进行参数化设计困难加链接利轴承减摩擦损耗提高效率安装误差敏感性问题增加微调机构解决
曲柄摇杆
结构较简单凸轮样滑动摩擦副效率低急回特性导致难设计出较机构
差速转弯
差速拐利两偏心轮作驱动轮两轮子角速度样转动半径样两轮子速度样产生差速车通差速实现拐弯避障
差速转弯理车走远设计方案凸轮样轮子加工精度求高加工出法根需调整轮子尺寸（加工装配误差避免）
综合面分析选择曲柄连杆+摇杆作车转机构方案
25行走机构
行走机构三轮子轮子厚薄分材料需综合考虑
摩擦理知道摩擦力矩正压力关系
相材料定值
滚动摩擦阻力轮子越车受阻力越够走更远加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需进步分析确定
车着曲线前进轮必定会产生差速轮采双轮步驱动双轮差速驱动单轮驱动
双轮步驱动必定轮子会面滑滑动摩擦远滚动摩擦会损失量量时车前进受约束法确定轨迹够效避免碰障碍
双轮差速驱动避免双轮步驱动出现问题通差速器单轴承实现差速差速器涉耗原理较减少摩擦损耗时够实现满足运动单轴承实现差速原理中轮子速度较时便成动轮速度较慢轮子成动轮样交变换着单轴承存侧隙动轮动轮切换程中出现误差导致运动准确影响会会影响车功需进步分析
单轮驱动利轮子作驱动轮导轮动轮辆行车外加车轮样动轮驱动轮间差速面运动约束确定效率利差速器高前进速度差速器稳定传动精度利单轴承高
综述行走机构轮子应恰尺寸果条件通实验确定实现差速机构方案果规允许采单轮驱动
26微调机构
台完整机器包括：原动机传动机执行机构控制部分辅助设备微调机构属车控制部分前面确定转采曲柄连杆+摇杆方案曲柄连杆机构加工误差装配误差敏感必须加微调机构误差进行修正采微调机构原二调整车轨迹（幅值周期方等）车走条优轨迹
微调机构采面两种方式微调螺母式滑块式图五
图五
理分析实际情况差距通理分析出较优方案优方案设计种机构简单车通部分改动便改装成方案通试验较优车
三 技术设计
技术设计阶段目标完成详细设计确定零部件尺寸设计时综合考虑材料加工成等素
31建立数学模型参数确定
通车建立数学模型实现车参数化设计优化设计提高设计效率较优设计方案充分发挥计算机辅助设计中作
311耗规律模型
简化分析先考虑车部耗机理设车部耗系数车量传递效率车轮面摩阻系数理想情况认重块重力势车克服阻力前进
第i轮子面压力
第i轮子半径
第i轮子行走距离
车总质量
更全面理解车参数变化车前进距离变化面分1轮子面滚动摩阻系数2轮子半径3车重量4车量转换效率四方面考虑
通查阅资料知道般材料滚动摩阻系数0108间图车轮半径分（222mm70mm）摩阻系数分030405mm时车行走距离车部转换效率坐标图（图六）
图六知滚动摩阻系数车运动影响非常显著设计车时特注意考虑轮子材料轮子刚度面摩阻系数
时车轮子提供量效率提高倍车前进距离提高倍应减少车部摩擦损耗简化机构充分润滑
图七摩阻系数05mm车轮半径次增加10mm时车行走距离车部转换效率坐标图
图六
图七
图知车半径增加1cm车便前进1m2m设计时应考虑增轮子半径
312运动学分析模型
符号说明：
驱动轮半径
齿轮传动
驱动轮A转轮横偏距
驱动轮B转轮横偏距
驱动轴（轴2）转轮中心距离
曲柄轴（轴1）转轮中心距离
曲柄旋转半径
摇杆长
连杆长
轴绳轮半径
a驱动：
重物降时驱动轴（轴2）转角度
曲柄轴（轴1）转角度
车移动距离（A轮参考）
b转：
转杆驱动轴间夹角时曲柄转角度
满足关：
解述方程函数关系式
c车行走轨迹
A轮驱动轮转轮转角度时图：
车转弯曲率半径
车行走程中车整体转角度
车转角度时
d车轮轨迹
轮A参考车运动坐标系中B坐标
C坐标
面坐标系中
整理述表达式：
求解方程述微分方程改成差分方程求解通设定合理参数车运动轨迹（图六）
图六
313动力学分析模型
a驱动
图：重物加速度加速运动绳子拉力
产生扭矩（中考虑摩擦产生影响设置系数）
驱动轮受力矩曲柄轮受扭矩驱动轮A受压力驱动轮A提供动力
（中考虑摩擦产生影响设置系数）
b转
假设车转程中转轮受阻力矩恒赫兹公式求
b较
连杆拉力
c车行走受力分析
设车惯量质心时旋转中心惯量
（行轴定理）
车加速度：
整理述表达式：
314灵敏度分析模型
车旦设计出改变参数条件车轨迹已确定加工误差装配误差存装配车会出现轨迹预先设计轨迹偏离需纠正次开始设计轨迹许优需通调试试验确定优路径着样需改变车某参数改变参数车运行轨迹影响指导调试里
车参数进行灵敏度分析通MATLAB编程
幅值
周期
方
i
00117
009158
528135
b
1765727
353795
57882
R
03163
1639132
5281437
a1
1465469
027592
5285547
曲柄半径r1
2371445
189437
5353565
d
0040819
117738
5281465
转杆长
163769
3525236
5275711
连杆长度
176955
196268
4773561
315参数确定
单位：m
转轮曲柄轴轴心距 b015
摇杆长c006
驱动轮直径D0355
驱动轮A转轮横偏距a1008
驱动轮B转轮横偏距a2008
驱动轴转轮距离d018
曲柄长r1001347
绳轮半径r20006
32零部件设计
需加工零件：
a．驱动轴
6061空心铝合金外径6mm 径3mm
b．车轮
聚甲醛板（POM板材）厚度：8mm规格尺寸：600*1200mm
22购买标准件：
a．单离合器轴承2
型號
Bearing Number
外型尺寸(mm)
FC系列
D
D
FC6K(2)
6
10
c．调心球轴承1
轴承代号
D
D
B
135
5
19
6
d．深沟球轴承1
型号
径(d)
外径(D)
R85zz
5
8
d．圆柱直齿轮1
齿轮：模数1齿数15外径17mm孔3mm
厚度：65mm
齿轮：模数1齿数45外径47mm径10mm
厚度10mm
材质：夹布塑料
33整体设计
331整体装配图
332车运动仿真分析
进步分析方案行性利proeMATLAB进行动态仿真详见视频
四 车制作调试改进
41车制作流程
详见工艺分析方案报告
42车调试方法
车调试重程量理支撑必须量实践验证车调试涉容车速快慢绕障碍物车整体协调性车前进距离等
（1）车速度调试：通车指定赛道行走测量通指定点时间组数出车行驶速度通试验发现车半程速度较快整体协调性太车绕绳驱动轴减驱动力时增车前进距离
（2）车避障调试：然组车机构相说较简单损耗量较少避障时车设计时采组微调机构通观察车指定赛道行走时避障特点微调螺母慢慢车避障性改善做标记
43车改进方法
组车采胶水黏贴处然少许加工成费避免量损耗车会时出现脱胶现象导致法前进想法改进车量损失减少时障出现次数减少稳定性较避障前进远
外组采微调机构通计算编程发现求精度非常高改变0001mm车偏离原轨道想法改进车精度降低加工成减低
五 评价分析
51车优缺点
优点：（1）车机构简单单级齿轮传动损耗量少
（2）处采微调机构便纠正轨迹避开障碍物
（3）采驱动轮滚阻系数行走距离远
（4）采磁阻尼车稳定性提高致车速快
缺点： 车精度求高加工零件成高微调机构费时避障稳定行差时偏左时偏右
52动行走赛时前行距离估计
通理实践结合车行走距离（包括绕开障碍物）约2025米
53改进方
车缺点精度求非常高改进车精度求调整简单车便达行走效果
六 参考文献
七 附录
71装配图
72爆炸图
73耗分析程序
clear
clc
tic
符号定义
重物降高度h
车行驶路程s
部耗系数ypxl
n10000
h05
nn1000
ypxllinspace(051n)
R2111nn
R135nn
m1
g98
mz2
sgm05nn
for i110
sgm(01*i+02)nn
mz17502+02*i
R1R1+20nn
R2R2+20nn
sypxl*m*h(mz*(1R1+2R2)*sgm)
ss1045615886000699
plot(ypxls)
hold on
grid on
end
plot(050)
toc
74运动学分析程序
clear
clc
tic
符号定义
重物降高度h
驱动轴转角度sd2
驱动轴传动ii
转轮轴心距b
转杆长c
转轮转角度af
驱动轮半径R
驱动轮A转轮横偏距a1
驱动轮B转轮横偏距a2
驱动轴转轮距离d
车行驶路程s
车x方位移x
车y方位移y
轨迹曲率半径rou
曲柄半径r1
绳轮半径r2
参数输入
n1000
hlinspace(005n)
ii3
b015
R0111
驱动轮A转轮横偏距a1
a1008
驱动轮B转轮横偏距a2
a2008
曲柄半径r1
r1001347
绳轮半径r2
r20006
驱动轴转轮距离d
d018
转杆长c
c006
lsqrt(b^2+r1^2)+(0351)1000
算法
g10
sd2hr2
sd1sd2ii+pi2
Cl^22*c^2r1^2*(cos(sd1))^2(br1*sin(sd1))^2
A2*c*(br1*sin(sd1))
B2*c^2
afasin(Csqrt(A^2+B^2))atan(BA)
format long
roua1+(d)(tan(af))
ssd2*R
dss(2)s(1)
dbdds(rou)
bdcumsum(dbd)
dyds*cos(bd)
dxds*sin(bd)
xcumsum(dx)
ycumsum(dy)
xbx(a1+a2)*cos(bd)
yby(a1+a2)*sin(bd)
xcxa1*cos(bd)d*sin(bd)
ycya1*sin(bd)+d*cos(bd)
plot(xy'b'xbyb'b'xcyc'm')
hold on
grid on
for i19
t00012*pi
xy001*cos(t)023
yy001*sin(t)+i
plot(xyyy)
hold on
end
toc
75动力学分析程序
clear
clc
tic
n1000
hlinspace(005n)
ii3
b015
R0111
驱动轮A转轮横偏距a1
a1008
驱动轮B转轮横偏距a2
a2008
曲柄半径r1
r1001347
绳轮半径r2
r20006
驱动轴转轮距离d
d018
转杆长c
c006
lsqrt(b^2+r1^2)+(0351)1000
算法
g10
sd2hr2
sd1sd2ii+pi2
Cl^22*c^2r1^2*(cos(sd1))^2(br1*sin(sd1))^2
A2*c*(br1*sin(sd1))
B2*c^2
afasin(Csqrt(A^2+B^2))atan(BA)
format long
roua1+(d)(tan(af))
ssd2*R
dss(2)s(1)
dbdds(rou)
bdcumsum(dbd)
dyds*cos(bd)
dxds*sin(bd)
xcumsum(dx)
ycumsum(dy)
xbx(a1+a2)*cos(bd)
yby(a1+a2)*sin(bd)
xcxa1*cos(bd)d*sin(bd)
ycya1*sin(bd)+d*cos(bd)
toc
动力学分析
参数输入
重物质量
m1
车总质量
mc16+1
Nc98*mc3
车惯量
rc007
Imc*rc^2
a3005
III+m*((roua1)^2+a3^2)
传动效率
lmd05
前轮半径
RC005
前轮宽度
B21000
弹性模量
E1100*1000000000
E2150*1000000000
mu02
接触应力
sgmcsqrt((NcBRC)(2*pi*(1mu^2)E1))
bcNcsgmc2B
摩擦素muc
muc01
摩擦力矩Mc
Mcsgmc*muc*bc*B^24
摩阻系数
sgm051000
mMNrou*(m*98*r2*lmdNc*sgm)R
Krou*m*r2^2*lmdR^2
NCNBNc*sgm*sqrt((roua1)^2+d^2)RC+Nc*sgm*(roua1a2)
RIAIIrou
NRANCNB*Rrou
aa(mMNNCNB)(K+RIA)
plot(yaa)
hold on
76灵敏度分析程序
clear
tic
符号定义
重物降高度h
驱动轴转角度sd2
驱动轴圆柱凸轮轴传动ii
转轮圆柱凸轮轴心距b
转杆长c
转轮转角度af
驱动轮半径R
驱动轮A转轮横偏距a1
驱动轮B转轮横偏距a2
驱动轴转轮距离d
车行驶路程s
车x方位移x
车y方位移y
轨迹曲率半径rou
曲柄半径r1
绳轮半径r2
参数输入
n10000
hlinspace(005n)
ii3
b015
R0111
驱动轮A转轮横偏距a1
a1008
驱动轮B转轮横偏距a2
a2008
曲柄半径r1
r1001347
绳轮半径r2
r20006
驱动轴转轮距离d
d018
转杆长c
c006
lsqrt(b^2+r1^2)+(0351)1000
aazeros(18)
kkzeros(38)
A1zeros(94)
ddc0000001
aa(11)ii
aa(12)b
aa(13)R
aa(14)a1
aa(15)r1
aa(16)r2
aa(17)c
aa(18)l
算法
for i19
if i>1
aa(1i1)aa(1i1)+ddc
end
iiaa(11)
baa(12)
Raa(13)
a1aa(14)
r1aa(15)
r2aa(16)
caa(17)
laa(18)
g10
sd2hr2
sd1sd2ii+pi2
Cl^22*c^2r1^2*(cos(sd1))^2(br1*sin(sd1))^2
A2*c*(br1*sin(sd1))
B2*c^2
afasin(Csqrt(A^2+B^2))atan(BA)
format long
roua1+(d)(tan(af))
ssd2*R
dss(2)s(1)
dbdds(rou)
bdcumsum(dbd)
dyds*cos(bd)
dxds*sin(bd)
xcumsum(dx)
ycumsum(dy)
plot(xy)
grid on
hold on
for jfix(65*n9)fix(85*n9)
if x(j)min(x(fix(65*n9)fix(85*n9)))
A1(i1)x(j)
A1(i2)y(j)
end
if x(j)max(x)
A1(i3)x(j)
A1(i4)y(j)
end
end
if i>1
aa(1i1)aa(1i1)ddc
end
end
for i29
kk(1i1)(A1(i1)A1(11))ddc14幅值
kk(2i1)(A1(i4)A1(14))ddc4波长
kk(3i1)A1(i3)ddc88角度
end
toc
kk'
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第三届XX省学生工程训练
综合力竞赛
碳车设计说明书
参赛者：
指导老师：
学校：XX工程学院
点：XX 福州
时间：20XX年1月12日
摘
第三届XX省学生工程训练综合力竞赛命题题碳车越障竞赛接第四届国赛做准备设计车程中特注重设计方法力求通命题分析清晰开阔设计思路作品设计做系统性规范性创新性设计程中综合考虑材料 加工 制造成等方面素鉴参数化设计 优化设计 系统设计等现代设计发发明理方法采MATLABPROECATIA等软件辅助设计
车设计分三阶段：方案设计技术设计制作调试通阶段深入分析层层关设计优设计拢
方案设计阶段根车功求根机器构成（原动机构传动机构执行机构控制部分辅助部分）车分车架 原动机构 传动机构 转机构 行走机构 微调机构六模块进行模块化设计分针模块进行方案设计通综合选择出优方案组合方案：车架采三角底板式原动机构采锥形轴传动机构采齿轮转机构采曲柄连杆行走机构采双轮驱动微调机构采微调螺母螺钉中转机构利调心轴承关节轴承
技术设计阶段先方案建立数学模型进行理分析助MATLAB分进行耗规律分析运动学分析动力学分析灵敏度分析进出车具体参数运动规律接着应PROE软件进行车实体建模部分运动仿真实体建模基础零件进行详细设计综合考虑零件材料性加工工艺成等
车零件标准件购买时部分求加工精度高部分需特殊加工外数通手工加工出塑料会采制电锯’切割车受力量采胶接简化零件零件装配调试程会通微调等方式改变车参数进行试验试验基础验证车运动规律时确定车优参数
关键字：碳车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构 灵敏度分析
目录
摘 2
绪 5
11届竞赛题命题 5
12车功设计求 5
13车整体设计求 6
14车设计方法 6
二 方案设计 7
21车架 9
22原动机构 9
23传动机构 10
24转机构 10
25行走机构 12
26微调机构 13
三 技术设计 14
31建立数学模型参数确定 14
311耗规律模型 15
312运动学分析模型 17
313动力学分析模型 21
314灵敏度分析模型 23
315参数确定 24
32零部件设计 25
33整体设计 27
331整体装配图 27
332车运动仿真分析 27
四 车制作调试改进 28
41车制作流程 28
详见工艺分析方案报告 28
42车调试方法 28
43车改进方法 28
五 评价分析 29
51车优缺点 29
52动行走赛时前行距离估计 29
53改进方 29
六 参考文献 29
七附录
71装配图 30
72 爆炸图30
73耗分析程序 31
74运动学分析程序 32
75动力学分析程序 34
76灵敏度分析程序 37
绪
11届竞赛题命题
参第四届全国学生工程训练综合力竞赛命题届赛题碳车越障竞赛命题重力势驱动具方控制功行车 分省区预赛求进行
12车功设计求
定重力势根量转换原理设计种该重力势转换机械驱动车行走装置该行车前行时够动避开赛道设置障碍物（间隔7001300mm抽签产生间距放置直径20mm高200mm弹性障碍圆棒）车前行距离远避开障碍少综合评定成绩
定重力势5焦耳（取g10ms2）竞赛时统质量1Kg重块（50×65 mm普通碳钢）铅垂降获落差500±2mm重块落须车承载车起运动允许掉落
求车前行程中完成动作需量均量转换获量形式
车求采三轮结构（1转轮2驱动轮）具体结构造型材料选均参赛者设计完成求满足：①车面装载件外形尺寸60×20 mm实心圆柱型钢制质量块作载荷质量应750克车行走程中载荷允许掉落②转轮外径应30mm
13车整体设计求
车设计程中需完成：机械设计工艺方案设计济成分析工程理方案设计命题中工程理力项求综合考虑材料加工制造成等方面素提出合理工程规划设计力项求参赛作品设计具创新性规范性命题中制造工艺力项求综合运加工制造工艺知识力
14车设计方法
车设计定做目标明确通命题分析较清晰开阔设计思路作品设计需系统性规范性创新性设计程中需综合考虑材料 加工 制造成等方面素
车设计提高车性关键设计方法鉴参数化设计 优化设计 系统设计等现代设计发发明理方法采MATLABPROE等软件辅助设计面设计车流程（图）
图
二 方案设计
通车功分析车需完成重力势转换驱动身行走动避开障碍物方便设计里根车完成功车划分五部分进行模块化设计（车架 原动机构 传动机构 转机构 行走机构 微调机构）令满意方案采扩展性思维设计模块寻求种行方案构思面设计图框（图二）
图二
选择方案时应综合考虑功材料加工制造成等方面素时量避免直接决策减少决策时观素选择方案够综合优
图三
21车架
车架承受力精度求低考虑重量加工成等车架采尼龙板加工制作成底板
22原动机构
原动机构作重块重力势转化车驱动力实现功方案种效率简洁性绳轮优车原动机构具体求1驱动力适中车拐弯时速度倾翻重块晃动厉害影响行走2达终点前重块竖直方速度避免车击时重块动转化驱动车前进果重块竖直方速度较重块身较动未释放量利率高3场轮子摩擦摩擦样场车需动力样调试时知道驱动力恰处原动机构需根需调整驱动力4机构简单效率高
基分析提出输出驱动力调绳轮式原动机构图四
图四
图通改变绳子绕绳轮位置改变输出动力
23传动机构
传动机构功动力运动传递转机构驱动轮车行驶更远设计轨道精确行驶传动机构必需传递效率高传动稳定结构简单重量轻等
1额外传动装置直接动力轴驱动轮子转机构种方式效率高结构简单考虑条件时优方式
2带轮具结构简单传动稳价格低廉缓吸震等特点效率传动精度高适合车设计
3齿轮具效率高结构紧凑工作传动稳定价格较高第种方式够满足求情况优先考虑齿轮传动
24转机构
转机构车设计关键部分直接决定着车功转机构样需减少摩擦耗结构简单零部件已获等基条件时需特殊运动特性够旋转运动转化满足求回摆动带动转轮左右转动实现拐弯避障功实现该功机构：凸轮机构+摇杆曲柄连杆+摇杆曲柄摇杆差速转弯等等
凸轮：凸轮具定曲线轮廓凹槽构件运动时通高副接触动件获连续连续意预期复运动
优点：需设计适凸轮轮廓便动件意预期运动结构简单紧凑设计方便缺点：凸轮轮廓加工较困难
车设计中：凸轮轮廓加工较困难尺寸够逆改变精度难保证重量较效率低量损失（滑动摩擦）采
曲柄连杆+摇杆
优点：运动副单位面积受压力较面接触便润滑磨损减制造方便已获较高精度两构件间接触身封闭维系凸轮机构时需利弹簧等力封闭保持接触
缺点：般情况似实现定运动规律运动轨迹设计较复杂定运动求较较复杂时需构件数运动副数较样机构结构复杂工作效率降低仅发生锁性增加机构运动规律制造安装误差敏感性增加机构中做面复杂运动作复运动构件长生惯性力难衡高速时引起较振动动载荷连杆机构常速度较低场合
车设计中车转频率传递力机构做较轻忽略惯性力机构复杂利MATLAB进行参数化设计困难加链接利轴承减摩擦损耗提高效率安装误差敏感性问题增加微调机构解决
曲柄摇杆
结构较简单凸轮样滑动摩擦副效率低急回特性导致难设计出较机构
差速转弯
差速拐利两偏心轮作驱动轮两轮子角速度样转动半径样两轮子速度样产生差速车通差速实现拐弯避障
差速转弯理车走远设计方案凸轮样轮子加工精度求高加工出法根需调整轮子尺寸（加工装配误差避免）
综合面分析选择曲柄连杆+摇杆作车转机构方案
25行走机构
行走机构三轮子轮子厚薄分材料需综合考虑
摩擦理知道摩擦力矩正压力关系
相材料定值
滚动摩擦阻力轮子越车受阻力越够走更远加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需进步分析确定
车着曲线前进轮必定会产生差速轮采双轮步驱动双轮差速驱动单轮驱动
双轮步驱动必定轮子会面滑滑动摩擦远滚动摩擦会损失量量时车前进受约束法确定轨迹够效避免碰障碍
双轮差速驱动避免双轮步驱动出现问题通差速器单轴承实现差速差速器涉耗原理较减少摩擦损耗时够实现满足运动单轴承实现差速原理中轮子速度较时便成动轮速度较慢轮子成动轮样交变换着单轴承存侧隙动轮动轮切换程中出现误差导致运动准确影响会会影响车功需进步分析
单轮驱动利轮子作驱动轮导轮动轮辆行车外加车轮样动轮驱动轮间差速面运动约束确定效率利差速器高前进速度差速器稳定传动精度利单轴承高
综述行走机构轮子应恰尺寸果条件通实验确定实现差速机构方案果规允许采单轮驱动
26微调机构
台完整机器包括：原动机传动机执行机构控制部分辅助设备微调机构属车控制部分前面确定转采曲柄连杆+摇杆方案曲柄连杆机构加工误差装配误差敏感必须加微调机构误差进行修正采微调机构原二调整车轨迹（幅值周期方等）车走条优轨迹
微调机构采面两种方式微调螺母式滑块式图五
图五
理分析实际情况差距通理分析出较优方案优方案设计种机构简单车通部分改动便改装成方案通试验较优车
三 技术设计
技术设计阶段目标完成详细设计确定零部件尺寸设计时综合考虑材料加工成等素
31建立数学模型参数确定
通车建立数学模型实现车参数化设计优化设计提高设计效率较优设计方案充分发挥计算机辅助设计中作
311耗规律模型
简化分析先考虑车部耗机理设车部耗系数车量传递效率车轮面摩阻系数理想情况认重块重力势车克服阻力前进
第i轮子面压力
第i轮子半径
第i轮子行走距离
车总质量
更全面理解车参数变化车前进距离变化面分1轮子面滚动摩阻系数2轮子半径3车重量4车量转换效率四方面考虑
通查阅资料知道般材料滚动摩阻系数0108间图车轮半径分（222mm70mm）摩阻系数分030405mm时车行走距离车部转换效率坐标图（图六）
图六知滚动摩阻系数车运动影响非常显著设计车时特注意考虑轮子材料轮子刚度面摩阻系数
时车轮子提供量效率提高倍车前进距离提高倍应减少车部摩擦损耗简化机构充分润滑
图七摩阻系数05mm车轮半径次增加10mm时车行走距离车部转换效率坐标图
图六
图七
图知车半径增加1cm车便前进1m2m设计时应考虑增轮子半径
312运动学分析模型
符号说明：
驱动轮半径
齿轮传动
驱动轮A转轮横偏距
驱动轮B转轮横偏距
驱动轴（轴2）转轮中心距离
曲柄轴（轴1）转轮中心距离
曲柄旋转半径
摇杆长
连杆长
轴绳轮半径
a驱动：
重物降时驱动轴（轴2）转角度
曲柄轴（轴1）转角度
车移动距离（A轮参考）
b转：
转杆驱动轴间夹角时曲柄转角度
满足关：
解述方程函数关系式
c车行走轨迹
A轮驱动轮转轮转角度时图：
车转弯曲率半径
车行走程中车整体转角度
车转角度时
d车轮轨迹
轮A参考车运动坐标系中B坐标
C坐标
面坐标系中
整理述表达式：
求解方程述微分方程改成差分方程求解通设定合理参数车运动轨迹（图六）
图六
313动力学分析模型
a驱动
图：重物加速度加速运动绳子拉力
产生扭矩（中考虑摩擦产生影响设置系数）
驱动轮受力矩曲柄轮受扭矩驱动轮A受压力驱动轮A提供动力
（中考虑摩擦产生影响设置系数）
b转
假设车转程中转轮受阻力矩恒赫兹公式求
b较
连杆拉力
c车行走受力分析
设车惯量质心时旋转中心惯量
（行轴定理）
车加速度：
整理述表达式：
314灵敏度分析模型
车旦设计出改变参数条件车轨迹已确定加工误差装配误差存装配车会出现轨迹预先设计轨迹偏离需纠正次开始设计轨迹许优需通调试试验确定优路径着样需改变车某参数改变参数车运行轨迹影响指导调试里
车参数进行灵敏度分析通MATLAB编程
幅值
周期
方
i
00117
009158
528135
b
1765727
353795
57882
R
03163
1639132
5281437
a1
1465469
027592
5285547
曲柄半径r1
2371445
189437
5353565
d
0040819
117738
5281465
转杆长
163769
3525236
5275711
连杆长度
176955
196268
4773561
315参数确定
单位：m
转轮曲柄轴轴心距 b015
摇杆长c006
驱动轮直径D0355
驱动轮A转轮横偏距a1008
驱动轮B转轮横偏距a2008
驱动轴转轮距离d018
曲柄长r1001347
绳轮半径r20006
32零部件设计
需加工零件：
a．驱动轴
6061空心铝合金外径6mm 径3mm
b．车轮
聚甲醛板（POM板材）厚度：8mm规格尺寸：600*1200mm
22购买标准件：
a．单离合器轴承2
型號
Bearing Number
外型尺寸(mm)
FC系列
D
D
FC6K(2)
6
10
c．调心球轴承1
轴承代号
D
D
B
135
5
19
6
d．深沟球轴承1
型号
径(d)
外径(D)
R85zz
5
8
d．圆柱直齿轮1
齿轮：模数1齿数15外径17mm孔3mm
厚度：65mm
齿轮：模数1齿数45外径47mm径10mm
厚度10mm
材质：夹布塑料
33整体设计
331整体装配图
332车运动仿真分析
进步分析方案行性利proeMATLAB进行动态仿真详见视频
四 车制作调试改进
41车制作流程
详见工艺分析方案报告
42车调试方法
车调试重程量理支撑必须量实践验证车调试涉容车速快慢绕障碍物车整体协调性车前进距离等
（1）车速度调试：通车指定赛道行走测量通指定点时间组数出车行驶速度通试验发现车半程速度较快整体协调性太车绕绳驱动轴减驱动力时增车前进距离
（2）车避障调试：然组车机构相说较简单损耗量较少避障时车设计时采组微调机构通观察车指定赛道行走时避障特点微调螺母慢慢车避障性改善做标记
43车改进方法
组车采胶水黏贴处然少许加工成费避免量损耗车会时出现脱胶现象导致法前进想法改进车量损失减少时障出现次数减少稳定性较避障前进远
外组采微调机构通计算编程发现求精度非常高改变0001mm车偏离原轨道想法改进车精度降低加工成减低
五 评价分析
51车优缺点
优点：（1）车机构简单单级齿轮传动损耗量少
（2）处采微调机构便纠正轨迹避开障碍物
（3）采驱动轮滚阻系数行走距离远
（4）采磁阻尼车稳定性提高致车速快
缺点： 车精度求高加工零件成高微调机构费时避障稳定行差时偏左时偏右
52动行走赛时前行距离估计
通理实践结合车行走距离（包括绕开障碍物）约2025米
53改进方
车缺点精度求非常高改进车精度求调整简单车便达行走效果
六 参考文献
七 附录
71装配图
72爆炸图
73耗分析程序
clear
clc
tic
符号定义
重物降高度h
车行驶路程s
部耗系数ypxl
n10000
h05
nn1000
ypxllinspace(051n)
R2111nn
R135nn
m1
g98
mz2
sgm05nn
for i110
sgm(01*i+02)nn
mz17502+02*i
R1R1+20nn
R2R2+20nn
sypxl*m*h(mz*(1R1+2R2)*sgm)
ss1045615886000699
plot(ypxls)
hold on
grid on
end
plot(050)
toc
74运动学分析程序
clear
clc
tic
符号定义
重物降高度h
驱动轴转角度sd2
驱动轴传动ii
转轮轴心距b
转杆长c
转轮转角度af
驱动轮半径R
驱动轮A转轮横偏距a1
驱动轮B转轮横偏距a2
驱动轴转轮距离d
车行驶路程s
车x方位移x
车y方位移y
轨迹曲率半径rou
曲柄半径r1
绳轮半径r2
参数输入
n1000
hlinspace(005n)
ii3
b015
R0111
驱动轮A转轮横偏距a1
a1008
驱动轮B转轮横偏距a2
a2008
曲柄半径r1
r1001347
绳轮半径r2
r20006
驱动轴转轮距离d
d018
转杆长c
c006
lsqrt(b^2+r1^2)+(0351)1000
算法
g10
sd2hr2
sd1sd2ii+pi2
Cl^22*c^2r1^2*(cos(sd1))^2(br1*sin(sd1))^2
A2*c*(br1*sin(sd1))
B2*c^2
afasin(Csqrt(A^2+B^2))atan(BA)
format long
roua1+(d)(tan(af))
ssd2*R
dss(2)s(1)
dbdds(rou)
bdcumsum(dbd)
dyds*cos(bd)
dxds*sin(bd)
xcumsum(dx)
ycumsum(dy)
xbx(a1+a2)*cos(bd)
yby(a1+a2)*sin(bd)
xcxa1*cos(bd)d*sin(bd)
ycya1*sin(bd)+d*cos(bd)
plot(xy'b'xbyb'b'xcyc'm')
hold on
grid on
for i19
t00012*pi
xy001*cos(t)023
yy001*sin(t)+i
plot(xyyy)
hold on
end
toc
75动力学分析程序
clear
clc
tic
n1000
hlinspace(005n)
ii3
b015
R0111
驱动轮A转轮横偏距a1
a1008
驱动轮B转轮横偏距a2
a2008
曲柄半径r1
r1001347
绳轮半径r2
r20006
驱动轴转轮距离d
d018
转杆长c
c006
lsqrt(b^2+r1^2)+(0351)1000
算法
g10
sd2hr2
sd1sd2ii+pi2
Cl^22*c^2r1^2*(cos(sd1))^2(br1*sin(sd1))^2
A2*c*(br1*sin(sd1))
B2*c^2
afasin(Csqrt(A^2+B^2))atan(BA)
format long
roua1+(d)(tan(af))
ssd2*R
dss(2)s(1)
dbdds(rou)
bdcumsum(dbd)
dyds*cos(bd)
dxds*sin(bd)
xcumsum(dx)
ycumsum(dy)
xbx(a1+a2)*cos(bd)
yby(a1+a2)*sin(bd)
xcxa1*cos(bd)d*sin(bd)
ycya1*sin(bd)+d*cos(bd)
toc
动力学分析
参数输入
重物质量
m1
车总质量
mc16+1
Nc98*mc3
车惯量
rc007
Imc*rc^2
a3005
III+m*((roua1)^2+a3^2)
传动效率
lmd05
前轮半径
RC005
前轮宽度
B21000
弹性模量
E1100*1000000000
E2150*1000000000
mu02
接触应力
sgmcsqrt((NcBRC)(2*pi*(1mu^2)E1))
bcNcsgmc2B
摩擦素muc
muc01
摩擦力矩Mc
Mcsgmc*muc*bc*B^24
摩阻系数
sgm051000
mMNrou*(m*98*r2*lmdNc*sgm)R
Krou*m*r2^2*lmdR^2
NCNBNc*sgm*sqrt((roua1)^2+d^2)RC+Nc*sgm*(roua1a2)
RIAIIrou
NRANCNB*Rrou
aa(mMNNCNB)(K+RIA)
plot(yaa)
hold on
76灵敏度分析程序
clear
tic
符号定义
重物降高度h
驱动轴转角度sd2
驱动轴圆柱凸轮轴传动ii
转轮圆柱凸轮轴心距b
转杆长c
转轮转角度af
驱动轮半径R
驱动轮A转轮横偏距a1
驱动轮B转轮横偏距a2
驱动轴转轮距离d
车行驶路程s
车x方位移x
车y方位移y
轨迹曲率半径rou
曲柄半径r1
绳轮半径r2
参数输入
n10000
hlinspace(005n)
ii3
b015
R0111
驱动轮A转轮横偏距a1
a1008
驱动轮B转轮横偏距a2
a2008
曲柄半径r1
r1001347
绳轮半径r2
r20006
驱动轴转轮距离d
d018
转杆长c
c006
lsqrt(b^2+r1^2)+(0351)1000
aazeros(18)
kkzeros(38)
A1zeros(94)
ddc0000001
aa(11)ii
aa(12)b
aa(13)R
aa(14)a1
aa(15)r1
aa(16)r2
aa(17)c
aa(18)l
算法
for i19
if i>1
aa(1i1)aa(1i1)+ddc
end
iiaa(11)
baa(12)
Raa(13)
a1aa(14)
r1aa(15)
r2aa(16)
caa(17)
laa(18)
g10
sd2hr2
sd1sd2ii+pi2
Cl^22*c^2r1^2*(cos(sd1))^2(br1*sin(sd1))^2
A2*c*(br1*sin(sd1))
B2*c^2
afasin(Csqrt(A^2+B^2))atan(BA)
format long
roua1+(d)(tan(af))
ssd2*R
dss(2)s(1)
dbdds(rou)
bdcumsum(dbd)
dyds*cos(bd)
dxds*sin(bd)
xcumsum(dx)
ycumsum(dy)
plot(xy)
grid on
hold on
for jfix(65*n9)fix(85*n9)
if x(j)min(x(fix(65*n9)fix(85*n9)))
A1(i1)x(j)
A1(i2)y(j)
end
if x(j)max(x)
A1(i3)x(j)
A1(i4)y(j)
end
end
if i>1
aa(1i1)aa(1i1)ddc
end
end
for i29
kk(1i1)(A1(i1)A1(11))ddc14幅值
kk(2i1)(A1(i4)A1(14))ddc4波长
kk(3i1)A1(i3)ddc88角度
end
toc
kk'
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