無碳小車培訓(xùn)講座

1、目目 錄錄1.1 競賽實施方案競賽實施方案 2021年年6月月8日周六：日周六：開幕式；第一階段競賽場上車賽；開幕式；第一階段競賽場上車賽；報告評審報告評審 2021年年6月月9日周日：日周日：第二階段競賽加工制作、裝調(diào)，場上第二階段競賽加工制作、裝調(diào)，場上賽車；閉幕式。賽車；閉幕式。競賽需要的通用工卡量具由參賽隊自帶。競賽需要的通用工卡量具由參賽隊自帶。1.2 競賽命題及規(guī)那么競賽命題及規(guī)那么 另外，要求小車另外，要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，小車轉(zhuǎn)為三輪結(jié)構(gòu)，小車轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競不同間距障礙物的競賽場地。賽場地。 之所以叫之

2、所以叫“無碳小車，是因為不能依靠任無碳小車，是因為不能依靠任何與碳相關(guān)的能源來驅(qū)動小車前進(jìn)，例如電能、何與碳相關(guān)的能源來驅(qū)動小車前進(jìn)，例如電能、燃料等。唯一可以利用的就是一個質(zhì)量為燃料等。唯一可以利用的就是一個質(zhì)量為1、落、落差為差為400的普通碳鋼重塊鉛垂落下時所具有的重的普通碳鋼重塊鉛垂落下時所具有的重力勢能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理將它轉(zhuǎn)換為小車前進(jìn)力勢能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理將它轉(zhuǎn)換為小車前進(jìn)的動能，讓小車動起來。的動能，讓小車動起來。競賽工程競賽工程I：繞障自行小車：繞障自行小車S 字型字型 競賽工程競賽工程：繞障自行小車：繞障自行小車8 字型字型 少排名，相同者并列；按所余二等獎名額，按少排名

3、，相同者并列；按所余二等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)二等獎，組剩余隊伍視具體成績由高到低頒發(fā)二等獎，組剩余隊伍視具體情況頒發(fā)三等獎、優(yōu)秀獎或無獎。情況頒發(fā)三等獎、優(yōu)秀獎或無獎。 2. “競賽工程競賽工程獎項分配：獎項分配： 按按“競賽工程參賽隊數(shù)的競賽工程參賽隊數(shù)的30%獲得一等獎，隨獲得一等獎，隨后的后的50%獲得二等獎，其余獲得三等獎或優(yōu)秀獎，中獲得二等獎，其余獲得三等獎或優(yōu)秀獎，中途放棄比賽者無獎。途放棄比賽者無獎。 一等獎在組中產(chǎn)生，按總成績由多到少排名，相一等獎在組中產(chǎn)生，按總成績由多到少排名，相同者并列；按所需一等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)同者并列；按所需一等獎名額，按成績由高到低頒

4、發(fā)一等獎，組剩余隊伍頒發(fā)二等獎。其余二等獎名額在一等獎，組剩余隊伍頒發(fā)二等獎。其余二等獎名額在組中產(chǎn)生，按總成績由多到少排名，相同者并列；按組中產(chǎn)生，按總成績由多到少排名，相同者并列；按所余二等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)二等獎，組剩所余二等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)二等獎，組剩余隊伍視具體情況頒發(fā)三等獎、優(yōu)秀獎或無獎。余隊伍視具體情況頒發(fā)三等獎、優(yōu)秀獎或無獎。 在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計中，我們首先要做的是對在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計中，我們首先要做的是對功能需求進(jìn)行仔細(xì)、認(rèn)真、透徹地分析，并盡可功能需求進(jìn)行仔細(xì)、認(rèn)真、透徹地分析，并盡可能的將產(chǎn)品的功能模塊化，然后對每個模塊用相能的將產(chǎn)品的功能模塊化，然后對每個

5、模塊用相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)其功能，最后再通過一些零部件應(yīng)的機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)其功能，最后再通過一些零部件將這些獨立的機(jī)構(gòu)連接成一個整體，這樣就完成將這些獨立的機(jī)構(gòu)連接成一個整體，這樣就完成了一個機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計。了一個機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計。無碳自行小車無碳自行小車驅(qū)動自身行走驅(qū)動自身行走自動避障自動避障要設(shè)計一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)將重塊的要設(shè)計一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)將重塊的重力勢能高效率地轉(zhuǎn)換為小車重力勢能高效率地轉(zhuǎn)換為小車前行的動能前行的動能自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要讓小車周自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要讓小車周期性地轉(zhuǎn)向，精確地實現(xiàn)期性地轉(zhuǎn)向，精確地實現(xiàn)預(yù)定軌跡，以盡可能多的預(yù)定軌跡，以盡可能多的避開障礙物避開障礙物重力勢能的轉(zhuǎn)換重力勢能的轉(zhuǎn)換l通過對小車

6、的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)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、自動避開障礙物三個功能。換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物三個功能。l為了方便設(shè)計可根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃為了方便設(shè)計可根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個局部進(jìn)行模塊化設(shè)計車架分為五個局部進(jìn)行模塊化設(shè)計車架 、原動機(jī)構(gòu)、原動機(jī)構(gòu) 、傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)。、微調(diào)機(jī)構(gòu)。l為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計每一為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。下面為我們個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。下面為我

7、們設(shè)計圖框。設(shè)計圖框。 “無碳小車通常主要由車體、能量轉(zhuǎn)換、傳動和轉(zhuǎn)向等局部組成。其中傳動和轉(zhuǎn)向局部主要通過相關(guān)機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，其機(jī)構(gòu)的選擇設(shè)計和相關(guān)零部件的設(shè)計是整體小車設(shè)計性能好壞的關(guān)鍵。注意：因為能量有限，我們應(yīng)盡可能簡化小車的設(shè)計，機(jī)構(gòu)設(shè)計越復(fù)雜、越多，小車的效率就會越低，所以越簡單的設(shè)計越能將勢能高效的利用。一、一、“無碳小車的車體無碳小車的車體 二、二、“無碳小車的能量轉(zhuǎn)換局部無碳小車的能量轉(zhuǎn)換局部四、四、“無碳小車的傳動局部無碳小車的傳動局部五、五、“無碳小車的轉(zhuǎn)向局部無碳小車的轉(zhuǎn)向局部三、三、“無碳小車的驅(qū)動局部無碳小車的驅(qū)動局部六、六、“無碳小車的微調(diào)局部無碳小車的微調(diào)局部 注意

8、： 1. 體積不要過大，重量要輕； 2. 重心要低； 3. 輪距適中，注意保持穩(wěn)定性； 4. 可不必使用差速器。 “無碳小車車架結(jié)構(gòu)主要有三角底板式和骨架式，其可使用快速成型或焊制，可使用木材、鋁板等。車輪可采用木質(zhì)板、塑料、有機(jī)玻璃等制作。影響車體的平衡主要因素：影響車體的平衡主要因素：1底板作為最重要的支承件，是其他支承件連接的底板作為最重要的支承件，是其他支承件連接的根底，由于所承載的負(fù)荷比較小，選用厚度較薄、密度根底，由于所承載的負(fù)荷比較小，選用厚度較薄、密度較小的板料，為防止薄壁振動，減少能量損耗，薄壁面較小的板料，為防止薄壁振動，減少能量損耗，薄壁面積較小。積較小。2小車的重塊在車

9、上重物支撐桿上方開始下落，距小車的重塊在車上重物支撐桿上方開始下落，距離車底板上面約離車底板上面約400 多。而小車為了節(jié)省能量及避障性多。而小車為了節(jié)省能量及避障性好，車底板一般又不能選得面積太大，兩后輪距不能太好，車底板一般又不能選得面積太大，兩后輪距不能太大，限制底板的寬度不能大。大，限制底板的寬度不能大。3整個小車就是一個立式的結(jié)構(gòu)，小車運行起來按整個小車就是一個立式的結(jié)構(gòu)，小車運行起來按避障要求左右轉(zhuǎn)向，牽引繩帶動重塊在重力的作用下將避障要求左右轉(zhuǎn)向，牽引繩帶動重塊在重力的作用下將大幅擺動，導(dǎo)致小車傾覆不能行走。因此，要限制重塊大幅擺動，導(dǎo)致小車傾覆不能行走。因此，要限制重塊在小車運

10、行中的擺動，到達(dá)車體運行中良好的平衡。在小車運行中的擺動，到達(dá)車體運行中良好的平衡。4可通過降低小車底板距離地面的高度來降低整車可通過降低小車底板距離地面的高度來降低整車的重心，到達(dá)良好的動態(tài)平衡。的重心，到達(dá)良好的動態(tài)平衡。5整個車包括重塊的重心最好應(yīng)居于小車三個輪構(gòu)整個車包括重塊的重心最好應(yīng)居于小車三個輪構(gòu)成的三角形的形心上，保證小車的平穩(wěn)運行。成的三角形的形心上，保證小車的平穩(wěn)運行。 如何將重塊的勢能轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動車輛持續(xù)行駛的如何將重塊的勢能轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動車輛持續(xù)行駛的動能是小車設(shè)計中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。其轉(zhuǎn)化方法很動能是小車設(shè)計中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。其轉(zhuǎn)化方法很多如繩輪式、彈簧儲能式

11、、鏈輪式，就效率和簡潔性多如繩輪式、彈簧儲能式、鏈輪式，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)：來看繩輪最優(yōu)：直接轉(zhuǎn)化直接轉(zhuǎn)化重力勢能重力勢能 帶動輪軸轉(zhuǎn)動；帶動輪軸轉(zhuǎn)動；間接轉(zhuǎn)化間接轉(zhuǎn)化重力勢能重力勢能 其它能量其它能量 帶動輪軸轉(zhuǎn)動帶動輪軸轉(zhuǎn)動蓄蓄 能能重力勢能重力勢能 各種蓄能裝置各種蓄能裝置 帶動輪軸轉(zhuǎn)動帶動輪軸轉(zhuǎn)動但是注意：為減少能量損失，轉(zhuǎn)化步驟越少越好但是注意：為減少能量損失，轉(zhuǎn)化步驟越少越好輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式機(jī)構(gòu)輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式機(jī)構(gòu) 可以通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出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的動力 驅(qū)動軸帶輪三角支架定滑輪重物塊細(xì)繩無碳小車

12、對原動機(jī)構(gòu)的要求：無碳小車對原動機(jī)構(gòu)的要求：1. 驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或翻，或 重塊晃動厲害影響行走。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，到達(dá)終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，防止防止 對小車過大的沖擊。對小車過大的沖擊。3.重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)上，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，能量利用率不較多動能未釋放，能量利用率不 高。高。4. 由于不同的場地對輪子的摩擦可能不一樣，由于不同的

13、場地對輪子的摩擦可能不一樣，在不同的場地小車需要的動力也不一樣。在調(diào)在不同的場地小車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。因此需試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此需能根據(jù)不同的要求調(diào)整其驅(qū)動力。能根據(jù)不同的要求調(diào)整其驅(qū)動力。5. 機(jī)構(gòu)簡單，效率高。機(jī)構(gòu)簡單，效率高。 考慮到啟動時，需要的力矩大，而在小車行駛的考慮到啟動時，需要的力矩大，而在小車行駛的過程中，運動平穩(wěn)有慣性，需要的力矩小。因此，過程中，運動平穩(wěn)有慣性，需要的力矩小。因此，設(shè)計滾筒結(jié)構(gòu)時要加以考慮。設(shè)計滾筒結(jié)構(gòu)時要加以考慮。驅(qū)動輪的驅(qū)動分為：單輪驅(qū)動和雙輪驅(qū)動。驅(qū)動輪的驅(qū)動分為：單輪驅(qū)動和雙輪驅(qū)動。在車輛轉(zhuǎn)

14、彎時，內(nèi)外兩側(cè)車輪繞同一中心旋轉(zhuǎn)，故在同一時在車輛轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)外兩側(cè)車輪繞同一中心旋轉(zhuǎn)，故在同一時間內(nèi)，外側(cè)車輪行駛過的曲線距離顯然大于內(nèi)側(cè)車輪，假設(shè)兩間內(nèi)，外側(cè)車輪行駛過的曲線距離顯然大于內(nèi)側(cè)車輪，假設(shè)兩側(cè)車輪固定于同一剛性轉(zhuǎn)軸上，以同一角速度轉(zhuǎn)動，那么外側(cè)側(cè)車輪固定于同一剛性轉(zhuǎn)軸上，以同一角速度轉(zhuǎn)動，那么外側(cè)車輪必然發(fā)生邊滾動邊滑移，而內(nèi)側(cè)車輪卻會邊滾動邊滑轉(zhuǎn)。車輪必然發(fā)生邊滾動邊滑移，而內(nèi)側(cè)車輪卻會邊滾動邊滑轉(zhuǎn)。對于三輪結(jié)構(gòu)，單輪轉(zhuǎn)向，對于三輪結(jié)構(gòu)，單輪轉(zhuǎn)向， 雙輪驅(qū)動的小車在轉(zhuǎn)彎行駛時雙輪驅(qū)動的小車在轉(zhuǎn)彎行駛時的這種附加在純滾動上的滑動，必然使小車的軌跡難于預(yù)測和的這種附加在純滾動上的滑

15、動，必然使小車的軌跡難于預(yù)測和確定，無法保證運動精度，無法實現(xiàn)命題要求的高可靠、高準(zhǔn)確定，無法保證運動精度，無法實現(xiàn)命題要求的高可靠、高準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向繞樁。確轉(zhuǎn)向繞樁。差速轉(zhuǎn)向原理：車輛在拐彎時差速轉(zhuǎn)向原理：車輛在拐彎時車輪的軌線是圓弧，如果車輛向車輪的軌線是圓弧，如果車輛向左轉(zhuǎn)彎，圓弧的中心點在左側(cè)，左轉(zhuǎn)彎，圓弧的中心點在左側(cè)，在相同的時間里，右側(cè)輪子走的在相同的時間里，右側(cè)輪子走的弧線比左側(cè)輪子長，為了平衡這弧線比左側(cè)輪子長，為了平衡這個差異，就要左邊輪子慢一點，個差異，就要左邊輪子慢一點，右邊輪子快一點，用不同的轉(zhuǎn)速右邊輪子快一點，用不同的轉(zhuǎn)速來彌補(bǔ)距離的差異，這就是轉(zhuǎn)向來彌補(bǔ)距離的差異，這就

16、是轉(zhuǎn)向中的差速。中的差速?？紤]到結(jié)構(gòu)簡單，且容易實現(xiàn)，選擇單輪驅(qū)動較多；考慮到結(jié)構(gòu)簡單，且容易實現(xiàn)，選擇單輪驅(qū)動較多；假設(shè)采用雙輪驅(qū)動，小車在結(jié)構(gòu)上必須能夠保證允許各假設(shè)采用雙輪驅(qū)動，小車在結(jié)構(gòu)上必須能夠保證允許各個驅(qū)動車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，即，實現(xiàn)雙輪轉(zhuǎn)向中的個驅(qū)動車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，即，實現(xiàn)雙輪轉(zhuǎn)向中的差速。為保證驅(qū)動輪能在不中斷動力傳遞的情況下，允許差速。為保證驅(qū)動輪能在不中斷動力傳遞的情況下，允許兩車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，需要將連接兩輪的車軸斷開兩車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，需要將連接兩輪的車軸斷開，驅(qū)動軸的這種結(jié)構(gòu)被稱為半軸結(jié)構(gòu)。，驅(qū)動軸的這種結(jié)構(gòu)被稱為半軸結(jié)構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上

17、小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計方案。和凸輪差速轉(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)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防需要來調(diào)整輪子的尺寸。由于加工和裝配的誤差是不可防止的止的 行走機(jī)構(gòu)即為三個輪子，輪子有厚薄之分，大小行走機(jī)構(gòu)即為三個輪子，輪子有厚薄之分，大小之別，材料之不同，需要綜合考慮。之別，材料之不同，需要綜合考慮。MRf 滾動摩擦阻力：滾動摩擦阻力： 輪子越大，小車受到的阻力越小，因此能夠走的更輪子越大，小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工、材料、安裝問題

18、等等，具體尺寸需要遠(yuǎn)。但由于加工、材料、安裝問題等等，具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。進(jìn)一步分析確定。 傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上，傳動機(jī)構(gòu)有帶傳動機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、蝸驅(qū)動輪上，傳動機(jī)構(gòu)有帶傳動機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)、鏈傳動機(jī)構(gòu)等等。輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)、鏈傳動機(jī)構(gòu)等等。但是注意：為減少效率損失，傳動步驟越少越好但是注意：為減少效率損失，傳動步驟越少越好傳動鏈效率問題，即重塊下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為使小車前進(jìn)傳動鏈效率問題，即重塊下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為使小車前進(jìn)的動能能量損失最少。的動能能量損失最少。例如：齒輪傳動效率可高達(dá)

19、例如：齒輪傳動效率可高達(dá)98，因此可以很好的提高能量，因此可以很好的提高能量利用率。利用率。 選擇以齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動，驅(qū)使選擇以齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動，驅(qū)使小車行駛，使小車行駛的更遠(yuǎn)。小車行駛，使小車行駛的更遠(yuǎn)。內(nèi)聯(lián)系傳動鏈容易保證傳動鏈與執(zhí)行件之間的嚴(yán)格傳動比，內(nèi)聯(lián)系傳動鏈容易保證傳動鏈與執(zhí)行件之間的嚴(yán)格傳動比，盡量縮短內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，減少傳動件的個數(shù)，縮小傳動誤差，盡量縮短內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，減少傳動件的個數(shù)，縮小傳動誤差，盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會有效地提高能量利用率。盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會有效地提高能量利用率。實現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向，小車的內(nèi)傳動鏈必須準(zhǔn)確，否那

20、實現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向，小車的內(nèi)傳動鏈必須準(zhǔn)確，否那么會么會“失之毫厘謬以千里，小車很快脫離預(yù)定的軌跡，退失之毫厘謬以千里，小車很快脫離預(yù)定的軌跡，退出比賽。必須將滾筒軸的動力輸出用嚴(yán)格的定傳動比輸出到出比賽。必須將滾筒軸的動力輸出用嚴(yán)格的定傳動比輸出到后輪軸及前輪的轉(zhuǎn)向裝置上，實現(xiàn)后輪的行程與前輪的轉(zhuǎn)向后輪軸及前輪的轉(zhuǎn)向裝置上，實現(xiàn)后輪的行程與前輪的轉(zhuǎn)向相匹配，例如可用齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動相匹配，例如可用齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動。齒輪的設(shè)計、加工精度要嚴(yán)格保證，各傳動軸及輪軸的材齒輪的設(shè)計、加工精度要嚴(yán)格保證，各傳動軸及輪軸的材料，應(yīng)有較高的支承剛度，減少受載后的彎

21、曲變形，在布置料，應(yīng)有較高的支承剛度，減少受載后的彎曲變形，在布置上也要考慮軸的兩支承跨距盡量要小，軸伸尺寸盡量短，齒上也要考慮軸的兩支承跨距盡量要小，軸伸尺寸盡量短，齒輪盡量靠近支承處，來提高內(nèi)傳動鏈的運動精度。輪盡量靠近支承處，來提高內(nèi)傳動鏈的運動精度。自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要實現(xiàn)小車順利地繞過障礙物。小車有三自動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要實現(xiàn)小車順利地繞過障礙物。小車有三個輪子，后面兩個輪子或一個為驅(qū)動輪，前面一個為個輪子，后面兩個輪子或一個為驅(qū)動輪，前面一個為轉(zhuǎn)向輪。后輪在重物的驅(qū)動下繞水平軸不停地轉(zhuǎn)動可以保轉(zhuǎn)向輪。后輪在重物的驅(qū)動下繞水平軸不停地轉(zhuǎn)動可以保證小車向前行駛，前輪必須要在繞水平軸轉(zhuǎn)動即實現(xiàn)向證小車

22、向前行駛，前輪必須要在繞水平軸轉(zhuǎn)動即實現(xiàn)向前運動的同時周期性地擺動即豎直軸左右轉(zhuǎn)動，以實前運動的同時周期性地擺動即豎直軸左右轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的，才能使小車走出預(yù)定軌跡、繞過障礙物現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的，才能使小車走出預(yù)定軌跡、繞過障礙物。一個機(jī)械產(chǎn)品一般只有一個動力源，所以，轉(zhuǎn)向輪擺動一個機(jī)械產(chǎn)品一般只有一個動力源，所以，轉(zhuǎn)向輪擺動的能量只能來源于后輪轉(zhuǎn)動的動能。的能量只能來源于后輪轉(zhuǎn)動的動能。轉(zhuǎn)向要求具體分析轉(zhuǎn)向要求具體分析按照命題要求小車必須具有方向自控功能，繞過直按照命題要求小車必須具有方向自控功能，繞過直線布置的每隔線布置的每隔1米米1個障礙物的要求。小車必須左轉(zhuǎn)、個障礙物的要求。小車必須左

23、轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向，在速度一定的前提下，必右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向，在速度一定的前提下，必須要保證小車的運動軌跡曲率是連續(xù)變化的，小車才須要保證小車的運動軌跡曲率是連續(xù)變化的，小車才能平穩(wěn)行駛，否那么，曲率突然改變，小車容易晃動能平穩(wěn)行駛，否那么，曲率突然改變，小車容易晃動甚至傾覆。甚至傾覆。要實現(xiàn)滾筒軸連接的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為前輪轉(zhuǎn)向軸的要實現(xiàn)滾筒軸連接的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為前輪轉(zhuǎn)向軸的水平運動，前輪左右擺幅相同，實現(xiàn)小車前輪的轉(zhuǎn)向水平運動，前輪左右擺幅相同，實現(xiàn)小車前輪的轉(zhuǎn)向問題，要保證傳動的準(zhǔn)確。問題，要保證傳動的準(zhǔn)確。從滾筒軸的回轉(zhuǎn)運動到控制前輪轉(zhuǎn)向的水平擺動，從滾筒軸的回轉(zhuǎn)運動到控制前輪

24、轉(zhuǎn)向的水平擺動，首先要實現(xiàn)把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動，可首先要實現(xiàn)把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動，可以采用錐齒輪傳動、凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪傳動、皮帶傳以采用錐齒輪傳動、凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪傳動、皮帶傳動等傳動機(jī)構(gòu)，在考慮到安裝精度、傳動效率、結(jié)構(gòu)動等傳動機(jī)構(gòu)，在考慮到安裝精度、傳動效率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及本錢上下后，選擇相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。復(fù)雜程度以及本錢上下后，選擇相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。將連續(xù)轉(zhuǎn)動變?yōu)橹芷谛詳[動，可選擇機(jī)構(gòu)很多，從將連續(xù)轉(zhuǎn)動變?yōu)橹芷谛詳[動，可選擇機(jī)構(gòu)很多，從機(jī)械設(shè)計的高效率和結(jié)構(gòu)簡單原那么，一般選連桿機(jī)機(jī)械設(shè)計的高效率和結(jié)構(gòu)簡單原那么，一般選連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)。構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)。能實現(xiàn)該轉(zhuǎn)向功能的機(jī)

25、構(gòu)有：能實現(xiàn)該轉(zhuǎn)向功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)+ +搖桿搖桿曲柄搖桿曲柄搖桿差速轉(zhuǎn)彎差速轉(zhuǎn)彎凸輪機(jī)構(gòu)：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運動時，凸輪機(jī)構(gòu)：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運動時，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)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)運動。運動。優(yōu)點：只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預(yù)優(yōu)點：只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A(yù)期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難。缺點：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設(shè)計中由于：凸輪輪廓加工比

26、較困難、尺寸不能夠可在本小車設(shè)計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低，能量損失大逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低，能量損失大滑動摩擦滑動摩擦 凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿搖桿曲柄搖桿曲柄搖桿優(yōu)點優(yōu)點(1) 磨損小，制造方便，易獲得較高精度；磨損小，制造方便，易獲得較高精度； (2) 兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它兩構(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。不像凸輪機(jī)構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點缺點(1)一般情況只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡；一般情況只能近似實

27、現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡； (2)當(dāng)給定的運動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運當(dāng)給定的運動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運 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)運動規(guī)律對制低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運動規(guī)律對制 造、安裝誤差的敏感性增加；造、安裝誤差的敏感性增加； (3)機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(gòu)件所長生的慣機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(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，故性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故 連

28、桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場合。連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場合。 小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大，機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大，機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，利用或其它軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，利用或其它軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高計并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。效率。 非常多，而且繁雜。如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等。非常多，而且繁雜。如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等。注意：命題中是單輪導(dǎo)向，不要拘泥于資料文獻(xiàn)的各注意：命題中是單輪導(dǎo)向，不要拘泥于資料文獻(xiàn)的各種框框，要講究突破思維定勢、小巧靈

29、活。能夠完成種框框，要講究突破思維定勢、小巧靈活。能夠完成單軸擺動或整轉(zhuǎn)即可。單軸擺動或整轉(zhuǎn)即可?？稍谇拜嗇S上增加可在前輪軸上增加1盤軸承，適當(dāng)保持兩盤軸承的盤軸承，適當(dāng)保持兩盤軸承的距離，顯著增強(qiáng)了前輪軸的支承剛度，大大提高了距離，顯著增強(qiáng)了前輪軸的支承剛度，大大提高了前輪軸的運動精度，使前輪轉(zhuǎn)向更準(zhǔn)確。前輪軸的運動精度，使前輪轉(zhuǎn)向更準(zhǔn)確。小車結(jié)構(gòu)簡單、容易加工、能量利用率高，且便小車結(jié)構(gòu)簡單、容易加工、能量利用率高，且便于前輪擺動角度的調(diào)節(jié)。于前輪擺動角度的調(diào)節(jié)。例如，曲柄勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右勻速擺動的曲柄例如，曲柄勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右勻速擺動的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)應(yīng)該是可行的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，小車運行軌跡接

30、搖桿機(jī)構(gòu)應(yīng)該是可行的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，小車運行軌跡接近正弦曲線，曲率變化連續(xù)。近正弦曲線，曲率變化連續(xù)。微調(diào)可采用螺母式、滑塊式等，如圖微調(diào)可采用螺母式、滑塊式等，如圖無碳小車計算分析無碳小車計算分析尺寸要小尺寸要小零件要少零件要少運行要穩(wěn)運行要穩(wěn)適合調(diào)試適合調(diào)試 在設(shè)計方法在設(shè)計方法上可以借鑒參數(shù)上可以借鑒參數(shù)化設(shè)計化設(shè)計 、優(yōu)化設(shè)、優(yōu)化設(shè)計計 、系統(tǒng)設(shè)計等、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法。現(xiàn)代設(shè)計方法。采用、等軟件進(jìn)采用、等軟件進(jìn)行輔助設(shè)計?？尚休o助設(shè)計?？砂慈缦铝鞒淘O(shè)計按如下流程設(shè)計小車：小車：運動學(xué)模型建立運動學(xué)模型建立 準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型是實現(xiàn)小車運動研究的關(guān)鍵，準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型是實現(xiàn)小車運動研究

31、的關(guān)鍵，是進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析設(shè)計的根底。建立無碳小車的運是進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析設(shè)計的根底。建立無碳小車的運動學(xué)模型用來確定無碳小車整體結(jié)構(gòu)和各零件及機(jī)構(gòu)動學(xué)模型用來確定無碳小車整體結(jié)構(gòu)和各零件及機(jī)構(gòu)之間的運動學(xué)關(guān)系。之間的運動學(xué)關(guān)系。 無碳小車共有三個輪，一個輪轉(zhuǎn)向，兩個輪驅(qū)動無碳小車共有三個輪，一個輪轉(zhuǎn)向，兩個輪驅(qū)動(其中一個輪主動，另一個輪從動其中一個輪主動，另一個輪從動);小車動力的傳動小車動力的傳動結(jié)構(gòu)采用的是大齒輪帶動小齒輪的升速驅(qū)動，目的是結(jié)構(gòu)采用的是大齒輪帶動小齒輪的升速驅(qū)動，目的是盡可能提高小車前進(jìn)的距離。盡可能提高小車前進(jìn)的距離。整車設(shè)計三維設(shè)計模型整車設(shè)計三維設(shè)計模型 1 1采用

32、三維軟件零件建模：采用三維軟件零件建模：如如 、。、。2 2在三維平臺上將建模所獲在三維平臺上將建模所獲得的零件添加約束關(guān)系進(jìn)行裝得的零件添加約束關(guān)系進(jìn)行裝配獲得無碳小車的裝配模型。配獲得無碳小車的裝配模型。3 3在三維平臺上將無碳小車在三維平臺上將無碳小車的裝配模型實施虛擬仿真。的裝配模型實施虛擬仿真。轉(zhuǎn)向輪設(shè)計轉(zhuǎn)向輪設(shè)計 驅(qū)動輪設(shè)計驅(qū)動輪設(shè)計 轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動輪的鏈接轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動輪的鏈接 機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計是一個感性的過程，而機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計是一個感性的過程，而機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)確實定以及加工制造便是一個非常理性的過程，必參數(shù)確實定以及加工制造便是一個非常理性的過程，必須通過嚴(yán)格的科學(xué)計算

33、保證設(shè)計方案的可行性和產(chǎn)品的須通過嚴(yán)格的科學(xué)計算保證設(shè)計方案的可行性和產(chǎn)品的功能要求。功能要求。驅(qū)動輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輪擺動的周期存在密切的關(guān)系驅(qū)動輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輪擺動的周期存在密切的關(guān)系，它決定著小車是否能夠走預(yù)定軌跡，順利繞過障礙物。，它決定著小車是否能夠走預(yù)定軌跡，順利繞過障礙物。其中還涉及到轉(zhuǎn)向輪擺動的角度，擺動的角度越大，小車其中還涉及到轉(zhuǎn)向輪擺動的角度，擺動的角度越大，小車的行駛軌跡就越彎曲，反之，越平直。的行駛軌跡就越彎曲，反之，越平直。設(shè)計方案具體參數(shù)確實定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案具體參數(shù)確實定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化由于小車的軌跡很難用已有的函數(shù)關(guān)系來確定，但是從圖由于小車的軌跡很難用已有的

34、函數(shù)關(guān)系來確定，但是從圖中我們可以看出小車的軌跡大概是一個正弦曲線，這樣便為中我們可以看出小車的軌跡大概是一個正弦曲線，這樣便為我們計算小車走過的實際軌跡長度提供了計算依據(jù)。我們計算小車走過的實際軌跡長度提供了計算依據(jù)。根據(jù)小車行走示意圖根據(jù)小車行走示意圖, 采用正弦函數(shù)采用正弦函數(shù): Y0.35x, 周期周期T2 m 的曲線擬合小車行駛路徑較為合理。求導(dǎo)得到在每個位置的曲線擬合小車行駛路徑較為合理。求導(dǎo)得到在每個位置的轉(zhuǎn)角的正切大小的轉(zhuǎn)角的正切大小: Y0.35x, 實驗?zāi)M實驗?zāi)M, 可以得到前輪可以得到前輪的最大轉(zhuǎn)角為的最大轉(zhuǎn)角為36。設(shè)計方案具體參數(shù)確實定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案具體參數(shù)確實

35、定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案具體參數(shù)確實定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案具體參數(shù)確實定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化此函數(shù)的路徑總長度不好求此函數(shù)的路徑總長度不好求, 因此可以將小車的因此可以將小車的1個周期路個周期路徑用細(xì)繩進(jìn)行擬合徑用細(xì)繩進(jìn)行擬合, 假設(shè)得到假設(shè)得到1個周期的路徑長度個周期的路徑長度2400, 也就也就是滾筒軸回轉(zhuǎn)一周是滾筒軸回轉(zhuǎn)一周, 搖桿要往復(fù)擺動一次搖桿要往復(fù)擺動一次, 后輪行駛后輪行駛2400 , 即即id2400。當(dāng)然，因為軌跡是近似估計的，肯定會存在誤差，但是這當(dāng)然，因為軌跡是近似估計的，肯定會存在誤差，但是這個誤差并不大，而且我們會通過在實驗中，調(diào)整驅(qū)動輪的直個誤差并不大，而且我們會通過在實驗中，調(diào)

36、整驅(qū)動輪的直徑來減小誤差。所以，這種方法是可行的。徑來減小誤差。所以，這種方法是可行的。確定滾筒軸到后輪軸的傳動比確定滾筒軸到后輪軸的傳動比i 與后輪直徑與后輪直徑d 的關(guān)系如下表的關(guān)系如下表所示。所示。采用小模數(shù)齒輪采用小模數(shù)齒輪, 增加齒數(shù)增加齒數(shù), 增大齒輪嚙合重合度增大齒輪嚙合重合度, 可提高傳可提高傳動精度動精度, 彌補(bǔ)齒輪制造精度差。因此選擇齒輪模數(shù)為彌補(bǔ)齒輪制造精度差。因此選擇齒輪模數(shù)為1, 大齒輪大齒輪Z1100, 小齒輪小齒輪Z220,中心距為中心距為50 。設(shè)計方案具體參數(shù)確實定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案具體參數(shù)確實定及結(jié)構(gòu)優(yōu)化曲柄搖桿機(jī)構(gòu)參數(shù)確實定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)參數(shù)確實定用曲柄搖桿

37、機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)前輪的左右均勻用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)前輪的左右均勻擺動擺動,見圖。必須滿足見圖。必須滿足12180的條的條件。按最小傳動角設(shè)計行程速比系數(shù)件。按最小傳動角設(shè)計行程速比系數(shù)k1(12 180)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。 根據(jù)的根據(jù)的12 、12 及選定的最小傳動及選定的最小傳動角角 及及角角, 然后查表及結(jié)合以下公式然后查表及結(jié)合以下公式計算各構(gòu)件相對長度。計算各構(gòu)件相對長度。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)參數(shù)確實定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)參數(shù)確實定其中曲柄長度; 連桿長度; 搖桿長度; 機(jī)架考慮到可調(diào)性, 設(shè)置微調(diào)結(jié)構(gòu), 在搖桿處設(shè)置調(diào)長螺桿, 在連桿處使用了長度調(diào)節(jié)螺栓, 使得搖桿、連桿長度的調(diào)節(jié)變得方便、

38、精確, 保證了軌跡的準(zhǔn)確。小車的整體高度超過了小車的整體高度超過了400，所以應(yīng)盡可能地降低小車的車，所以應(yīng)盡可能地降低小車的車身，從而降低小車的重心，保證小車在行駛過程中的穩(wěn)定性。身，從而降低小車的重心，保證小車在行駛過程中的穩(wěn)定性。并且可以在重塊下落的部位放上海綿、橡膠等物質(zhì)，以減小重并且可以在重塊下落的部位放上海綿、橡膠等物質(zhì)，以減小重塊下落時的沖擊。塊下落時的沖擊。對于所有存在轉(zhuǎn)動的部位，均裝上滾動軸承，變滑動為滾動對于所有存在轉(zhuǎn)動的部位，均裝上滾動軸承，變滑動為滾動，減小摩擦，提高能量利用率。，減小摩擦，提高能量利用率。在保證小車的強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提下，為減輕小車的總體質(zhì)量在保證小車的強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提下，為減輕小車的總體質(zhì)量，考慮對驅(qū)動輪、后輪軸等局部采用輪輻或中空設(shè)計；對一些，考慮對驅(qū)動輪、后輪軸等局部采用輪輻或中空設(shè)計；對一些非承重結(jié)構(gòu)采用木質(zhì)或塑料等材料制作。非承重結(jié)構(gòu)采用木質(zhì)或塑料等材料制作。在機(jī)械加工的時候在機(jī)械加工的時候，所有的零部件都，所有的零部件都必須轉(zhuǎn)化成二維圖必須轉(zhuǎn)化成二