無碳越障小車設(shè)計說明

1、無碳越障小車設(shè)計說明 2012年10月20日 小車功能設(shè)計要求： u 競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過 賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑 20mm、高200mm的多個圓棒，沿直線 等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞 障數(shù)量來綜合評定成績。給定重力勢能為 4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用 質(zhì)量為1kg的重塊（5065 mm，普 通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 4002mm，重塊落下后，須被小車承載 并同小車一起運(yùn)動，不允許從小車上掉落。 u 要求小車行走過程中完成所有動作所 需的能量均由此重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可 使用任何其他的能量來源。要求小車具有 轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可

2、 調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的 競賽場地。要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè) 計、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自 主完成。 設(shè)計思想： u 看到此次競賽主題，我們認(rèn)為，能否很好地解決小車的驅(qū)動問題 和自動轉(zhuǎn)向問題是設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。圍繞這個中心，我們展開了 一系列理論分析與驗證。最終確定了我們的設(shè)計思想：重力驅(qū)動與仿 自行車式轉(zhuǎn)向。 u 驅(qū)動方面：驅(qū)動其行走的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力 勢能轉(zhuǎn)換來的。繩子的拉力作為動力，將物體下落的勢能盡可能的轉(zhuǎn) 化為小車的動能，進(jìn)而克服阻力做功，盡可能使小車勻速運(yùn)動。 u 轉(zhuǎn)向方面：主要仿照自行車轉(zhuǎn)向的方案，利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制 小車的自動轉(zhuǎn)向。

3、 方案設(shè)計： u 通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、 驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計這里根據(jù) 小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進(jìn)行模塊化設(shè) 計（車架 、原動機(jī)構(gòu) 、傳動機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī) 構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。在選擇方案時應(yīng)綜合考慮功能、材料、 加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策， 減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。 車架： u 車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加 工成本等，車架采用木材加工制作成三角底板式?？梢酝?過回收廢木材獲得，已加工。 原動機(jī)構(gòu)： u原動機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū) 動力。能實現(xiàn)

4、這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來 看繩輪最優(yōu)。小車對原動機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū) 動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動 厲害影響行走。2.到達(dá)終點前重塊豎直方向的速度要盡可 能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能 的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大， 重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于 不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地 小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū) 動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào) 整其驅(qū)動力。4.機(jī)構(gòu)簡單，效率高。 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式 原

5、動機(jī)構(gòu)。如下圖： 如上圖我們可以通過改變繩子繞在繩輪上不 同位置來改變其輸出的動力。 傳動機(jī)構(gòu)： u 傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上。 要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需傳遞 效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。 u 1.不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī) 構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu) 的方式。 u 2.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點 但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。 u 3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格 較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的

6、情況下優(yōu)先考慮使用齒輪 傳動。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)： u轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車 的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié) 構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的 運(yùn)動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動， 帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該 功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄 搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。 u 凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn) 動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任 意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動。 u 優(yōu)點：只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得?任意的預(yù)期運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；缺點

7、： 凸輪輪廓加工比較困難。 曲柄連桿+搖桿 u 優(yōu)點：運(yùn)動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于 潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件 之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機(jī) 構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。 u缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運(yùn)動規(guī)律或運(yùn) 動軌跡，且設(shè)計較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動要求較多或較復(fù) 雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)往往比較多，這樣就使機(jī) 構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加， 而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu) 中做平面復(fù)雜運(yùn)動和作往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)件所長生的慣性力難 以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機(jī)

8、 構(gòu)常用于速度較低的場合。 曲柄搖桿： u結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副， 其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計出較好的機(jī)構(gòu)。 u差速轉(zhuǎn)彎 u差速拐是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子 的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度 不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障。 u差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計方案。 和凸輪同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也 無法根據(jù)需要來調(diào)整輪子的尺寸。（由于加工和裝配的誤 差是不可避免的） u綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu)的方案。 行走機(jī)構(gòu)： u 行走機(jī)構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料

9、之 不同需要綜合考慮。 u 由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪 可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。1.（雙輪同步驅(qū) 動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠(yuǎn)比滾動摩擦大會損失大 量能量，同時小車前進(jìn)受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有 效避免碰到障礙。）2.（雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動 出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。差速器涉及到 最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動。 單向軸承實現(xiàn)差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪， 速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在 側(cè)隙，在主動輪從動輪

10、切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確，但影響 有多大會不會影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。） u3.單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)向輪， 另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從 動輪與驅(qū)動輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動約束確定的。其 效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動 精度比利用單向軸承高。 u綜上所述行走機(jī)構(gòu)我們選擇的是單輪驅(qū)動。 轉(zhuǎn)向輪及軌道設(shè)計： u利用轉(zhuǎn)向輪中心軸偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向。本方案設(shè) 計中小車動力轉(zhuǎn)變通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改 變其輸出， 小車運(yùn)動軌跡示意圖：小車運(yùn)動軌跡示意圖： 動力系統(tǒng)設(shè)計： u設(shè)計主體思路：首先利用重力勢能轉(zhuǎn)化成由繩

11、子帶 動可調(diào)的繩輪式原動機(jī)構(gòu)帶動后輪驅(qū)動小車的前進(jìn)。 u理論計算數(shù)據(jù)：能量用4j計算可以得到運(yùn)行最大距 離，但實際運(yùn)行中，能量運(yùn)用率無法達(dá)到100%，相互抵 消與否需要實驗數(shù)據(jù)說明。 小車整體及外觀初步設(shè)計： u小車底板設(shè)計：小車底板寬度180mm，總長度300mm， 前半部分采用等腰梯形，上底100mm，下底180mm， 高100mm，后半部分為矩形設(shè)計長為200mm，寬度為 180mm。底板厚度3mm。 u重物支撐架設(shè)計：采用長度為600mm，寬度50mm，厚 度為3mm中部為空的塑料板，另外重物支撐架兩邊用兩 根長度為300mm的塑料棒支撐。 u轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計：轉(zhuǎn)向連桿統(tǒng)一采用直徑1mm的硬質(zhì)鋁棒， 中軸采用鋼棒。轉(zhuǎn)向輪位于小車中軸線上，轉(zhuǎn)向輪軸線與 前底板相距30mm。轉(zhuǎn)向輪外徑為50mm，最大寬度 15.625mm。 u后輪驅(qū)動設(shè)計：后輪外徑60mm，寬度為10mm，兩輪 中軸線離后底板30mm，采用嵌入式放置，小齒輪位于兩 后輪連線中心處。 材料及成本分析： u小車應(yīng)用材料種類： u塑料 硬質(zhì)鋁 磁鐵 鋼柱 細(xì)線 u u小車整體材料種類：