s形转向运动无碳小车的改进设计

s形转向运动无碳小车的改进设计

S形转向运动无碳小车的改进设计随着我国经济的突飞猛进，环境污染和人类健康等生命课题也H益被摆在台面上。在我国工业化进程进一步发展的今天，寻找经济、环保的新能源是我们急需解决的问题。而无碳小车不仅可以提高能量的利用效率，更对新能源逐步取代传统能源具有特殊的意义。本文就针对S形转向运动无碳小车中存在的问题进行分析，并对其进行和应的改进设计。关键词：S形转向运动；无碳小车；改进设计目前，世界上很多发达国家都逐渐的把无碳技术运用到交通、家庭用具等各个领域。在我国，随着人们环保意识的増强，越来越多的人开始倡导“无碳生活”,无碳小车的制作与设计也正在逐渐的拓展为地区性乃至全国性的机械设计比赛项目，在全W大学生工程训练综合能力竞赛中，无碳小车越障赛便是历届大赛的主题。1.什么是无碳小车无碳小车是一种用于驱动小车行走和转向的装置，它的基本原理是将重力势能转换为机械能。无碳小车一般采用可调节功能转向控制的三轮结构，其前转向轮的最大外径要求不能小于30mm。在全W大学生工程训练综合能力竞赛中，给定的重力势能为4J，无破小车上装有一50mmX65mm并且质量为1kg的实心圆柱型钢块，依靠钢块的下降来获得唯一能量。钢块下落吋不允许掉落，应被无碳小车承载并与无碳小车共同运动。通常，比赛会每隔一米就放置一个高200mm、直径20mm的弹性障碍圆棒，并要求无碳小车前行吋能沿S形曲线绕桩前行，自动避让赛道上所设罝的障碍物。无碳小车的性能决定了它运行距离的长短以及在进行S形转向运动时避开障碍物的灵活性。2.无碳小车的优势2.1无碳小车依照现代工程师的标准，体现了无碳的概念，与其他模型小车比，更加注重能量的利用，唯一的能量来源是重力势能，真止的实现了环保无碳。2.2无碳小车将传统的刚性杆摆杆机构改成柔性绳索，使得小车重量在降低的同时，在进行S形转向运动控制转弯的过程中更易实现差速，更加便捷省力，更容易控制躲避障碍物的周期。另外，无碳小车的车轮采用冇机玻璃，降低了与地面的摩擦系数，使得小车前行更加快速。2.3无碳小车制作精良、设计巧妙，然而整体构造简单、组合零件不多，容易安装制造，摩擦损耗乂小，能满足青少年对机械类知识的了解和实践，激发他们对机械构造的热情，非常适合学生进行学习研宄。无碳小车的灵巧性也使得其被放在科技馆中，可以供人众观摩和了解机械构造的渊博与精妙，更加冇利于无碳小车的推广，进一步实现商品化。3.无碳小车的设计3.1驱动部分设计因为在进行S型转向运动时需要小车有较大的转弯弧度以避开障碍物，因此采用直径为200mm的后车轮，将底盘设计在较低的位置来降低无碳小车的重心，以此提高无碳小车的稳定性，使其更加适应赛道。假设小车理想轨迹和小车轨迹中线的最大偏移量是0.3m，我们可以根据扇形计算公式得出小车沿弧线行走的距离大约是2.45m,无碳小车运行一个周期，其后轮所转过的圈数是n=2.45m/0.2,m=3.9圈，齿轮速比是1:3.9,设定齿轮\n模数为1，即可得出无碳小车的大齿轮齿数是78齿，小齿轮齿数是20齿。另外，无碳小车的转弯差速问题可采用人力三轮车的方案解决。因为无碳小车的重力势能有限，我们不增加其他设置，采取双滑轮转换方式，将无碳小车的一个后轮作为动力轮，另一个后轮作为从动轮，使有限势能经过细化得到充分发挥。3.2转向部分设计将无碳小车的后轴和后车轮通过支架固定在底盘上，前轮和后轴之间安装转盘支架、转盘支承轴等机器组件，支承轴上安装大齿轮和转盘，大齿轮与小齿轮相啮合，以1:3.9的减速比将后轮的运动传递给支承轴，支承轴转动再带动同轴的转盘转动。在转盘上半径的方向安装一滑槽，滑块在槽中可相对转盘中心调整半径的大小，以此来满足前轮转向角度的调整要求。势能通过滑轮组转换，并由线绳带动后轮轴转动来转换力无碳小车驱动力。在转向部分设计中应尽量减少后轮轴绕线部分的直径来提高无碳小车行走的路程。设定后轮轴的绕线直径为4mm,无碳小车后轮轴得到的行走力矩为：力X力臂=1000gX2mm=2gm，当无碳小车后轮转动3.9圈，直线距离和行走弧长分别2m和2.45m时，经过齿轮1:3.9的减速，来带动转盘旋转，使无碳小车的前轮周期性左右转动，以此实现无碳小车的S形转向运动，并能够顺利绕过障碍前行，1.设计中存在问题及优化方案4.1钢块的下降速度过快由于无碳小车在设计屮采用一级齿轮减速方案，即大齿轮轴与小齿轮轴的转速比为1:3.9,而与钢块连接的牵引线在小齿轮轴上，这导致钢块的下降速度过快。"优化方案：将与钢块连接的牵引线绕接在大齿轮轴上，在大齿轮轴的绕接处制成锥形台，以此来减缓钢块的下降速度。4.2前轮在S型转向运动屮运行不稳定为提高无碳小车的前轮自由转向度而忽略了前轮转向轴与转向轴孔间的孔隙配合，导致了无碳小车在S型转向运动中前轮运行不稳定的状况。优化方案：作为标准件，无碳小车的前轮转向轴轴承内径的尺寸不宜改变，可将无碳小车的午.身嵌入一个轴承，以过盈配合的方式解决轴与孔的间隙配合问题。4.3轨迹划线法工作量大、效率低S型转向运动无碳小车的传统调试方法比较盲目，仅仅凭感觉、靠手感，轨迹划线法工作量大、效率低。优化方案：增加数字化调试系统，使无碳小车的盲目调试方式变得数字化、可视化，提高无碳小车的性能。5.数字化调试系统无碳小车的数字化调试系统由两大部分组成：计算机数据处理调试平台和便携式无碳小车调试分析仪。数据在这两部分间传输，以此完成对小车的周期调试和轨迹调试。5.1数字化调试系统的总体设计便携式调试分析仪一方面采集数据、计算，实现对小车运行周期的调试，另一方面将采集到的数据传输到数据储存系统，方便将数据传输给计算机数据处理调试平台。计算机接收到调试数据之后进行分析处理，给出一个最佳的轨迹调试方案。便携式调试分析仪和计算机数据处理调试平台通过数据传输来完成调试任务。5.2硬件设计5.2.1微控制器选取\n采用MC9S12XS128作为控制单元对各个模块进行初始化配置。用排针将最小系统板屮的所有引脚引出，便于其在扩展板上直接插拔，有效避免单片机在调试电源模块的过程中被烧毁的情况。最小系统板上还包括了BDM调试接口、电源指示灯、时钟电路、复位电路、锁相环滤波电路等，使得整个硬件电路实现了模块化，这是整个系统的核心。5.2.2角速度传感器和超声波测距传感器超声波测距传感器包括发射器、接收器和控制电路模块，它的非接触式距离感测功能非常强大，测距精度可高达1mm，从2（hum到25000mm的距离范围均可以精确检测。角速度传感器则是利用投射式光电传感器来采集无碳小车的两个后轮的速度特性，利用超声波传感器的釆集来运行周期。5.2.3显示元件和语音系统显示元件的引脚SCLK、SDIN、D/C.SCE直接和单片机连接，以此显示超声波所测得的距离以及无碳小车的运动状态。语音系统则选用LMD102语音模块，主要通过单片机串行总线控制和4组触点控制等两种方式控制放音，不仅稳定可靠，还可以重复录音。1.2.4数据储存系统选用SI）卡储存系统和高速的SM模式，移植方便、速度快、接口简单，可以满足处理庞大数据量的要求。5.3算法实现首先对釆集到的数据利用冒泡排序法来进行排序，再釆用Grubbs准则对坏值进行剔除，然后进行最小二乘法，最后输出数据的算术平均值。取剔除坏值之后的剩余数据的平均值即为最佳值。在软件设计上，利用MALAB平台进行仿真优化，从而选出最为合理的优化方案。在进行周期测量中使用此系统，仅需要调试者面对发车点方向手持分析仪，在规定周期处利用超声波传感器来进行距离测量，微控制器会提取测量数据并自动计算，给出最佳调试方案后播报语咅，使调试者能尽快调整好周期，提高了无碳小车的性能。2.无碳小车的前景开发新能源是能源可持续发展的宗旨。目前，在我W，石油、天然气、煤炭等不可再生的能源仍然是能源供应项目之中的主要组成部分，伴随着高速增长的GDP,工业污染日益加剧，人类的生命健康和环境污染等课题日益凸显，加大新能源的开发、优化能源结构、缓解能源压力是我们急需解决的问题。为了实现国家的可持续发展战略，政府对环境问题和能源问题也更加重视，新的一代国家领导人已经将新能源的开发利用以及工业发展无碳化的课题引入了现阶段的社会进步之中。而伴随着人民环保意识的提升，无碳的理念也逐渐被越来越多的人所认同。无碳小车作为一种环保的代步工具，不仅经济、便利，还环保、无污染，无碳小车的研制，不仅能提高能量的利用率，更对取代传统能源具有深远意义。目前，世界上一些发达欧美国家，己经开始推广和齊及低碳车。无碳小车的发明设计，说明了社会对能源问题的重视，在不久的将来，无碳小车的普及将会成为大势所趋。：[1]陈晓东.无碳小车的设计、制作与创新实践[J].实验室研究与探索，2013,32(12):92-95.\n[1]李刚.S型转向运动无碳小车的改进设计研宄[J].汽车使用技术，2014(2):13-16.[2]宋美英.基于C语言的冒泡排序算法探讨[J].现代计算机，2011(23):53-55.