無(wú)碳小車”設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、昆明理工大學(xué)第二屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“無(wú)碳小車”設(shè)計(jì)說(shuō)明書項(xiàng)目名稱： 無(wú)碳小車 設(shè)計(jì)者：謝世鵬、郭曉磊、朱勇勇 指導(dǎo)教師： 葛夏文 日期： 2010年11月21日 目 錄1 摘要2 關(guān)鍵字3 總體設(shè)計(jì)方案4 各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5 參考文獻(xiàn)備注：立體圖只提供一個(gè)模型，具體尺寸請(qǐng)參照各單元模塊的設(shè)計(jì)。所以所有立體圖中的細(xì)線、皮帶、齒及徽標(biāo)均省略1 摘要“無(wú)碳小車”是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，將給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)小車行走并能夠在前行時(shí)自動(dòng)避開(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物的裝置。該小車由能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和車身構(gòu)成，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)獲得動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)傳給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使

2、轉(zhuǎn)向輪周期性轉(zhuǎn)向從而自動(dòng)避開(kāi)障礙物。2關(guān)鍵字無(wú)碳小車 能量轉(zhuǎn)換 傳動(dòng) 周期 轉(zhuǎn)向3總體設(shè)計(jì)方案3.1設(shè)計(jì)思路與原理3.1.1 設(shè)計(jì)思路如圖，小車后輪軸上裝一梯形輪，將輕質(zhì)細(xì)線（圖中省略）繞在梯形輪上，細(xì)線另一頭連接重物，通過(guò)定滑輪系統(tǒng)和支架將重物懸掛在小車上方。當(dāng)重物下落時(shí)，便可帶動(dòng)梯形輪及后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。小車后輪軸上裝有皮帶傳動(dòng)主動(dòng)輪，從動(dòng)輪安裝在轉(zhuǎn)向輪一側(cè)。從動(dòng)輪與一齒輪同心轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)兩個(gè)軸線相互垂直的嚙合齒輪的傳動(dòng)，使角速度矢量方向由平行于地面轉(zhuǎn)化為垂直于地面。此方向的轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤搖桿機(jī)構(gòu)使搖桿做來(lái)回往復(fù)的擺動(dòng)，此擺動(dòng)又可帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪做周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使小車周期性轉(zhuǎn)向以繞過(guò)障礙物。3.1.2

3、 原理小車運(yùn)行軌跡如圖所示：規(guī)定沿障礙物連線方向?yàn)檎较?，小車從A點(diǎn)沿正方向出發(fā)，B點(diǎn)切線方向與正方向平行。由幾何關(guān)系可得： 解得=由于較小，所以可用線段AB長(zhǎng)度近似代替弧線AB長(zhǎng)度。設(shè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向周期為，則有 解得=設(shè)后輪半徑為，則后輪角速度為 設(shè)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪、從動(dòng)輪半徑分別為、；角速度分別為、。則=。由輪系傳動(dòng)原理可得 ，=在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)向盤與傳動(dòng)齒輪嚙合。設(shè)轉(zhuǎn)向盤與傳動(dòng)齒輪的半徑分別為：、；齒數(shù)分別為：，；角速度分別為：，。同理可得 ，又因?yàn)閭鲃?dòng)齒與從動(dòng)輪同軸，所以=，由式可得 =轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，設(shè)長(zhǎng)桿固定點(diǎn)與轉(zhuǎn)向盤中心距離為h，則搖桿擺動(dòng)方程為 若從A點(diǎn)開(kāi)始計(jì)，小車速率為V，方向正

4、右，即轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向桿在小車的中軸線上。小車從A點(diǎn)到B點(diǎn)的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)T/4時(shí)，達(dá)到最大即：令，由得：所以4 各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由支架和梯形輪構(gòu)成。支架上端安裝定滑輪，將重物支起。梯形輪表面有螺旋曲線槽，用來(lái)纏繞細(xì)繩。梯形輪的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小車的起動(dòng)和重物的從低速到減速下落，減小了因碰撞而損失的能量。在起始時(shí)原動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，有利起動(dòng)。起動(dòng)后，原動(dòng)輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)重物距小車很近時(shí)，梯形輪的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使梯形輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于重物的慣性，仍會(huì)減速下降，原動(dòng)輪的半徑變小，總轉(zhuǎn)速比提高，小車緩慢減速直到

5、停止，物塊停止下落，正好接觸小車。對(duì)于梯形輪表面螺旋槽螺距的設(shè)置，進(jìn)行如下近似計(jì)算：設(shè)螺旋線總長(zhǎng)為L(zhǎng)，螺距為S，梯形輪高為H，上下底面直徑分別為：、。圓柱形螺旋線 由回旋線性質(zhì)，可取等效直徑 利用EXCEL建立公式計(jì)算，可得到如下較為合適的尺寸數(shù)據(jù)：4.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由皮帶、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪構(gòu)成，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由從動(dòng)軸和從動(dòng)軸齒輪構(gòu)成。皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為一級(jí)減速機(jī)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為二級(jí)減速機(jī)構(gòu)。兩個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把后輪較快的角速度減慢，為了讓轉(zhuǎn)向盤緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪平穩(wěn)而緩慢地轉(zhuǎn)向，最終讓小車平穩(wěn)運(yùn)行，而不會(huì)因?yàn)榉较蛲蝗桓淖兌霈F(xiàn)翻車現(xiàn)象。4.3轉(zhuǎn)

6、向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向桿、轉(zhuǎn)向輪、短桿構(gòu)成。轉(zhuǎn)向盤與從動(dòng)軸齒輪嚙合。短桿一端通過(guò)銷釘與轉(zhuǎn)向桿連接在一起，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。另一端與轉(zhuǎn)向輪的軸固定于小車的中心軸線處。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向桿會(huì)周期性左右擺動(dòng)，然后通過(guò)短桿的傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。從而控制小車?yán)@開(kāi)障礙物的整體運(yùn)行。 查機(jī)械原理可知，此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有急回特性。如果轉(zhuǎn)向桿的固定點(diǎn)到轉(zhuǎn)向盤中心的距離和轉(zhuǎn)向盤半徑的比值越大，急回特性越顯著，但空回程速度變化劇烈。這不利于小車的運(yùn)行。所以的比值應(yīng)該比較小。另一方面，的比值較小了，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤在半個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度趨于。這樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向桿的周期性擺動(dòng)。由此可設(shè)計(jì)mm，mm。所以，再由得，所以又由得、分別為皮帶傳動(dòng)的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪半徑，可分別設(shè)計(jì)為8mm、48mm。則，所以由此可設(shè)計(jì)（齒），由可設(shè)計(jì)。下面求解轉(zhuǎn)向桿、短桿的長(zhǎng)度。設(shè)轉(zhuǎn)向盤中心（圓心）到短桿固定點(diǎn)（轉(zhuǎn)向輪豎直軸）的距離為x，轉(zhuǎn)向桿長(zhǎng)L，短桿長(zhǎng)