基于MATLAB软件软件虚拟仿真机械原理课程设计改革

基于 MATLAB软件软件虚拟仿真机械原
理课程设计改革
摘要：以全国大学生工程训练竞赛作为抓手，对机械原理课程设计进行改革。

机械原理课程设计题目改革为无碳小车的设计。

无碳小车的设计包括齿轮设计、
凸轮设计、带传动设计等。

在设计过程中利用MATLAB软件软件对无碳小车的行
驶轨迹进行虚拟仿真。

关键词：机械原理、无碳小车、虚拟仿真
机械原理课程设计题目改革为无碳小车的设计，主要分为：动力转换机构、
传动机构、执行机构、转向机构、轨迹虚拟仿真设计。

以双8轨迹的无碳小车为例，在宽2.4米，各个柱子间距为335mm，绕柱子进行双8字环绕，并且在环绕
过程中不能触碰各个柱子。

动力转换机构的功能是将重物的重力势能转换为主动齿轮的机械能，从而把
重力势能转换为小车前进的动能。

通过方案比对，选择了效率好、结构简单的绳
轮式结构，采用细线和定滑轮机构，细线两端分别拴在重锤上和缠绕在卷线筒上，而卷线筒固定在主动轴上，使重物的重力可以成功转换为驱动轮上的扭矩，从而
带动主动齿轮产生动力。

卷线筒的直径对车速及小车的稳定性起着至关重要的作用，合理的卷线筒直径是保证小车平稳匀速完成全程的前提。

传动机构的主要功能是将动力和运动传递到转向机构和驱动机构上，要使小
车行驶的更远及按设计的轨迹精确地行驶，传动机构必须效率高、传动稳定、结
构简单重量轻等。

小车的运动只有重物提供动力源，所以后轮和转向机构的动作
都需要通过传动机构来获得。

后轮旋转时，卷线筒在重物的牵引下产生扭矩使得
主动轴转动。

另一方面，动力也需要传递到转向机构上，带动凸轮机构转动，完
成转向机构的动作。

执行机构为1个前轮、2个后轮，轮子有厚薄之分，大小之别，材料之不同
需要综合考虑。

由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为M = N·对于相同
的材料δ为一定值。

滚动摩擦力为f = =所以轮子越大小车受到的阻
力越小，因此能够走的更远。

但由于加工，材料，安装等问题具体尺寸需要进一
步分析确定。

由于小车是沿着曲线前进的，2个后轮之间必定会产生差速，而双
轮同步驱动必定会与地面打滑，由于滑动摩擦比滚动摩擦大会造成大量的能量损失，同时小车前进收到过多的约束，无法确定其轨迹，不能沿着预计轨迹避障。

主动轴带动设置在其两端的２个后轮旋转，驱动小车前进。

若２个后轮同时驱动，当小车转弯时则会因差速问题导致小车的不稳定，甚至是倾覆，轨迹的精确性也
难以保证。

因此，本文采用单轮驱动，即单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。

驱动轮与驱动轴不仅作轴向和径向约束，旋转
约束也要保证。

而另一个后轮则通过轴承套在轴上，在行驶过程中配合小车的转
向自动调整转速。

转向机构采用凸轮，设计凸轮具有特定的外形轮廓，使从动件实现预期的运
动规律，采用凸轮机构实现间歇性运动。

轨迹仿真时，首先用CAXA软件将无碳小车对无碳小车轨迹曲线拟合。

在绘
制双8轨迹过程中，需要注意小车在转弯过程中的曲率中心变化，应保证小车在
转弯过程中，曲率中心尽可能的保持一致，防止曲率中心的突变，影响转向精度，同时与柱子保持足够的距离，提高小车行驶的安全稳定性，尽可能行驶更多的距离，得出最终的小车行进轨迹。

根据公式，推导得出凸轮轮廓曲线
公式为：。

再利用MATLAB软件编辑程序，进行虚拟仿真得到小车的行进轨迹
MATLAB程序如下:
syms F I J K L
F=20;I=95;J=1.869565217;K=115;
L=1./360.*2.*pi.*I.*J;
a=linspace(1,720,720);
b=degtorad(a);
c=15.4.*sin(1.52538033.*(b+59.0016786.*(pi/180)))+34.841 m=c-34.965;
d=asin(m./F);
e=degtorad(d);
g=tan(d);
h=g.*L./K;
x=zeros(1,720);
y=zeros(1,720);
suma=0.054075418;
for j1=1:238
suma=suma+h(j1);
x(j1+1)=x(j1)+L*cos(suma);
y(j1+1)=y(j1)+L*sin(suma);
end
suma1=-0.130484636;
for j2=239:360
suma11=suma1+0.027047664.*(j2);
x(j2+1)=x(j2)+L*cos(suma11);
y(j2+1)=y(j2)+L*sin(suma11); end
suma3=2.971;
for j3=361:596
suma3=suma3+h(j3);
x(j3+1)=x(j3)+L*cos(suma3);
y(j3+1)=y(j3)-L*sin(suma3);
end
suma4=2.903608013;
for j4=597:720
suma41=suma4+0.027028054.*(j4); x(j4+1)=x(j4)-L*cos(suma41);
y(j4+1)=y(j4)-L*sin(suma41); end
plot(x,y)。