重力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式小車設(shè)計(jì)方案

1 重力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式小車設(shè)計(jì)方案 工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的目的在于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)能力和協(xié)作精神，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練。 一、 主題與內(nèi)容 本屆競(jìng)賽主題為“無碳小車越障競(jìng)賽”。參賽隊(duì)伍最終制作完成一輛由重力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式小車，按照規(guī)則完成比賽。 本屆競(jìng)賽主題為“無碳小車越障競(jìng)賽”。 要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在比賽現(xiàn)場(chǎng)完成一套符合本命題要求的可運(yùn)行裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)爭性運(yùn)行考核。 重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車 設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)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(shì)能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢(shì)能為 4焦耳（取 g=10m/競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為 1 50 65 通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 400 2塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，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 要求小車行走過程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。 2 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)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。 要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè) 計(jì)、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。 競(jìng)賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑 20 200多個(gè)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(píng)定成績。見圖 2。 圖 2： 無碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖 攜帶制作完成的作品，在集中比賽現(xiàn)場(chǎng)，加載由競(jìng)賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的勢(shì)能重塊 （ 50 65 量為 1，在指定的賽道上進(jìn)行比賽，賽道寬度為 2米，賽道邊界線是 40發(fā)端線距第一個(gè)障礙及障礙與障礙之間的間距均為 1米。小車出發(fā)時(shí)不準(zhǔn)超過出發(fā)端線和賽道邊界線，小車位置及角度自定，每隊(duì)有 2次機(jī)會(huì)，計(jì)算時(shí)取 2次成績中的最好成績。 機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)方案 3 設(shè)計(jì)方案 通過對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。 一、 車架 車架 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 杠 行走機(jī)構(gòu) a 微調(diào)機(jī)構(gòu) 4 車架不用承受很大的力，精度要求低 ?？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁板加工制作成。其中三角形結(jié)構(gòu)緊湊但不能攜帶落下的重物、矩形結(jié)構(gòu)平穩(wěn)但材料浪費(fèi)且增加小車自重，而三角形和矩形綜合能匯集三角形和矩形的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又避免了主要缺點(diǎn)，因此選用三角形和矩形綜合型。 二、 原動(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。 至于小車拐彎時(shí)速度過大傾翻，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。 免對(duì)小車過大的沖擊。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)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(dòng)能未釋放，能量利用率不高。 不同的場(chǎng)地小車是需要的動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。 率高。而帶輪和鏈輪適用于電機(jī)作為動(dòng)力的機(jī)構(gòu)中。基于以上分析我們選擇繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu) 三、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。因鏈輪傳動(dòng)成本較高且 傳動(dòng)的平穩(wěn)性差，加工復(fù)雜，因此不適合小車的設(shè)計(jì)。帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高因此不適合本小車設(shè)計(jì)。齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定且塑料此輪成本較低。因此選擇使用齒輪傳動(dòng)。 四、 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 這次的比賽主要是繞距離 1米的桿行走，所以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在這次的設(shè)計(jì)中起著至關(guān)的作用。而在我們的討論中，我們主要推出了三個(gè)方案： 對(duì)于 a 方案，我們認(rèn)為凸輪可以隨著所需而加工成不同的形狀，這樣就可以準(zhǔn)確定位小車的行走路徑。但是該方案的設(shè)計(jì)難度與加工難度過高，實(shí)際操作難以實(shí)現(xiàn)，因此我們排除 a 方案。 對(duì)于 b 方案，我們認(rèn)為這方案適合于小車行走規(guī)則路線，而且零件可以采用國標(biāo)?？傮w上比 是由于豎立擺放齒輪會(huì)造成上擺與下擺的誤差。因此我們?cè)?b 方案的前提下提出了 c 方案的更改。最終確定采用c 方案。 6 五、 行走機(jī)構(gòu) 對(duì)于無碳小車的行走機(jī)構(gòu)，我們提出以下兩個(gè)方案： a 對(duì)于 a 方案，由于滾動(dòng)摩擦小于滑動(dòng)摩擦，兩輪差速驅(qū)動(dòng)可以減少地面對(duì)車輪的摩擦力，然而 b 方案中的兩 輪同步驅(qū)動(dòng)雖然是會(huì)提高地面對(duì)車輪的摩擦力，但是因?yàn)闇p少了差速裝置，也同時(shí)使內(nèi)部摩擦減少?？傮w而言， 以我們采取 六、 微調(diào)機(jī)構(gòu) 對(duì)于微調(diào)機(jī)構(gòu)，我們小組提出了： 但是對(duì)于我們小車的調(diào)整，我們認(rèn)為鍵槽的可調(diào)性更大，更方便于我們?cè)跍y(cè)試小車時(shí)的調(diào)整，以及使我們的調(diào)整空間更大。 技術(shù)設(shè)計(jì) 一、 建立數(shù)學(xué)模型與參數(shù)確定： 1. 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型： 7 建立坐標(biāo)系，小車的移動(dòng)軌跡為余弦函數(shù)： c o o s 微分求的小車一個(gè)周期行走路程為： 12 ， 202 1經(jīng)測(cè)量，得到路程大概數(shù)值為 2500右。 通過小車的設(shè)計(jì)圖可以算出： 2122 =7 整理以上方程式得： 8 2122022211c o 2. 動(dòng)力學(xué)分析模型： 重物對(duì)小車的拉力為： 總 拉力力矩為： 222 ， 2 為考慮到摩擦對(duì)拉 力帶來 損失而設(shè)的一個(gè)系數(shù)。 由321 120 ， 1M 為曲柄輪受到的扭矩， 3M 驅(qū)動(dòng)輪受到的力矩。 又因?yàn)?233 A ， 驅(qū)動(dòng)輪受到的壓力， 驅(qū)動(dòng)輪受到的驅(qū)動(dòng)力。 整理以上方程式得： 223332112222總0 二、 零件設(shè)計(jì)： 需購買零件：六角軸、車輪、齒輪、軸套、繩輪、螺栓、圓軸、墊圈、螺桿 需加工：前輪支架、帶輪支架、車架、轉(zhuǎn)向連桿、轉(zhuǎn)向桿、支撐架 支撐架 1、 將鋁板切割成 6240 2、 在 18彎折鋁板成 90 3、 根據(jù)工程圖進(jìn)行鉆孔 轉(zhuǎn)向桿 11 1、 將鋁板切割成 6010 2、 根據(jù)工程圖在指定位置鉆孔 3、 用鉆床鉆出 525 通槽 4、 用銑床銑通槽，表面粗糙度為 轉(zhuǎn)向連桿 1、 將鋁板切割成 39158 2、 再將鋁板切割成如圖 3、 根 據(jù)工程圖在指定位置鉆孔 4、 用鉆床鉆出 539 通槽 5、 用銑床銑通槽，表面粗糙度為 12 帶輪支架 1、將鋁板切割成 8966 2、再將鋁板切割成如圖 3、根據(jù)工程圖在指定位置鉆孔 4、用小型鉆機(jī)加工出如圖凹槽 13 車架 1、將鋁板切割成 300200 6、 再將鋁板切割