S型無碳小車設(shè)計說明書

1、.第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽無碳小車設(shè)計說明書目錄一 緒論.c.1.1 本屆競賽命題主題1.2 小車功能設(shè)計要求1.3 小車整體設(shè)計要求二 方案設(shè)計2.1 路徑的選擇2.2 差速問題解決2.3 重物與后輪的連接問題2.4 轉(zhuǎn)向裝置三 參數(shù)的設(shè)計3.1 路徑參數(shù)的確定3.2 其他參數(shù)四 小車的工程圖4.1 小車各裝配圖4.2 小車 CAD 工程圖五 功能分析六 選材與加工分析一 緒論1.1 本屆競賽命題主題本屆競賽命題主題為“無碳小車”。要求經(jīng)過一定的前期準備后，在集中比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。每個參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計、 工藝、成本分析和

2、工程管理4 項成績考核作業(yè)。在設(shè)計小車過程中特別注重設(shè)計的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設(shè)計思路；作品的設(shè)計做到有系統(tǒng)性規(guī)性和創(chuàng)新性；設(shè)計過程中綜合考慮材料、加工、制造成本等給方面因素。我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法；采用了MA TLAB 、 PROE 等軟件輔助設(shè)計。1.2 小車功能設(shè)計要求設(shè)計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為4 焦耳（取 g=10m/s2 ），比賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg 的重塊（ 50× 65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400± 2mm，重塊落下

3、后，須被小車承載并同小車一起運.c.動，不允許從小車上掉落。圖1 為小車示意圖。圖 1： 無碳小車示意圖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。見圖 2。圖 2： 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖1.3 小車整體設(shè)計要求無碳小車體現(xiàn)了大學生的創(chuàng)新能力， 制作加工能力， 解決問題的能力。 并在設(shè)計過程中需要考慮到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小車具有下列要求：1. 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。2.

4、 要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競賽場地。3. 要求小車為三輪結(jié)構(gòu)4. 小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側(cè)越過一個障礙后，整體穿過賽道中線且障礙物不被撞倒（擦碰障礙，但沒碰倒者，視為通過）；重復(fù)上述動作，直至小車停止。.c.二 方案設(shè)計小車走 S 形方案通過對小車的功能分析，小車需要完成自動避開障礙物，驅(qū)動自身行走， 重力勢能的轉(zhuǎn)換功能。所以我們將小車的設(shè)計分為以下部分，路徑的選擇， 自動轉(zhuǎn)向裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置和車架部分。2.1 路徑的選擇因為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

5、圓棒，沿直線等距離擺放。為了在通過障礙物時，行進的距離更短，設(shè)計了如圖 3 的路徑。 即以擺線的方法通過障礙物，然后以相切的直線到達下一障礙物，我們的路徑是圓弧和直線的結(jié)合。圖 3：無碳小車路徑（此軌跡為后輪的軌跡）后面的計算均以后輪為準2.2 差速問題考慮到后輪轉(zhuǎn)向時， 兩輪有速度差， 并且一般的差速器比較復(fù)雜， 損耗較高，故我們采取單輪差速驅(qū)動， 只要能保證后輪的一輪驅(qū)動， 并且同時控制轉(zhuǎn)向， 那么另一個后輪也會自動跟著行駛，因此解決了差速問題2.3 重物與后輪的連接問題重物與通過軸與后輪相連，開始驅(qū)動時，滾動摩擦力一定較大，故所需的力矩也需要適當?shù)脑黾?，當車子能平穩(wěn)運行時，力矩又應(yīng)該適當

6、減少，未解決這個問題，我們采取了錐形導繩輪裝置， 通過錐形導繩輪與繩子相連。 既起到了平穩(wěn)運行的效果， 又能有儲能飛輪的功能.c.2.4 轉(zhuǎn)向裝置 ：幾何封閉型凸輪+滑塊機構(gòu)考慮到凸輪能夠獲得前輪所需的任意轉(zhuǎn)角， 從而完全確定小車的軌跡因而我們采用封閉形凸輪加滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)向三 計算及參數(shù)的確定3.1 路徑參數(shù)的確定在上面的討論中， 我們的路徑是擺線和直線的組合， 為了能讓小車更順利的轉(zhuǎn)彎， 轉(zhuǎn)彎角度不能太小， 為了能讓小車行進的更遠，必須使小車轉(zhuǎn)向的半徑不能太大。所以，確定了曲線的半徑為 R300mm，小車前后輪距離d=180mm因為當為圓弧時， 前輪與車身的轉(zhuǎn)角為一個定值，通過簡化成單車模型計

7、算，我們得出其實在小車運動的一個周期前輪與車身的轉(zhuǎn)角總共只有四個值一個為+34.5 度 0度 -34.5 度 0度。在一個周期當為切線1 時：轉(zhuǎn)角0 度，行程 0.8m ，凸輪轉(zhuǎn)角124 度當為圓弧A 時：轉(zhuǎn)角34.5 度，行程 0.3611m ，凸輪轉(zhuǎn)角56 度當為切線2 時：轉(zhuǎn)角0 度，行程 0.8m ，凸輪轉(zhuǎn)角124 度當為圓弧B 時：轉(zhuǎn)角 34.5 度，行程 0.3611m ，凸輪轉(zhuǎn)角56 度基于上述數(shù)據(jù)我們得到如圖的凸輪.c.經(jīng)過修正后的凸輪3.2 其他參數(shù)考慮到后輪傳遞到凸輪需要齒輪來連接，所以我們在后輪軸與凸輪間加一對齒輪，設(shè)定大輪半徑 R=1.8m ，得到大輪周長為1.1304

8、m ，一個運動周期的長度為2.4268 因此得出齒輪的傳動比約等于2，另外為保證誤差較小，我們設(shè)定兩輪寬為0.16m其余數(shù)據(jù)在小車的CAD 裝配圖中可看出四 設(shè)計圖紙.c.4.1 小車總裝配圖（小車總體效果圖， 重物支撐柱設(shè)在三輪所構(gòu)成的三角形的重心處，有利于保持小車平穩(wěn)）（車架部分降低有利于緩解因為大輪過高引起的車子重心升高）.c.（小車后部錐形導繩輪及齒輪傳動部分，第二個齒輪與凸輪盤同軸）上圖（幾何封閉形凸輪，傳遞到轉(zhuǎn)向盤）.c.下圖（固定板與車架相連，起到固定凸輪連桿，使之只能在一方向上運動）.c.（滑槽機構(gòu)，控制前輪轉(zhuǎn)向）4.2 小車 CAD 工程圖.c.五 功能分析5.1 小車優(yōu)缺點優(yōu)點與創(chuàng)新點： （ 1）小車機構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，再加一個幾何封閉凸輪。（ 2）凸輪連桿處采用微調(diào)機構(gòu)，可調(diào)節(jié)連桿的長度便于糾正軌跡。（ 3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠。（ 4）凸輪輪廓設(shè)計簡單， 輪廓只是幾個簡單的不同半徑的圓疊加，只要適當修正即可（ 5）錐形導繩輪裝置， 通過錐形導繩輪與繩子相連。 既起到了平穩(wěn)運行的效果，又能有儲能飛輪的功能缺點：小車精度要求高六 選材與加工分析選材：軸車輪車架齒輪凸輪連桿采用鋁板毛坯制造連桿采用鋁柱毛坯其余零件采用標準件即可加工： 1 齒輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)是小車中要完成傳遞的主要零部件，本小車