無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、第三屆全國(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(shū) 參賽者：陳文 李志文 黃素昕 指導(dǎo)老師 ：廖志良 2013.4.1摘要第三屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題主題為“無(wú)碳小車”。在設(shè)計(jì)小車過(guò)程中特別注重設(shè)計(jì)的方法，力求通過(guò)對(duì)命題的分析得到清晰開(kāi)闊的設(shè)計(jì)思路；作品的設(shè)計(jì)做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計(jì)過(guò)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(jì) 、優(yōu)化設(shè)計(jì) 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)發(fā)明理論方法；采用了PROE等軟件輔助設(shè)計(jì)。我們把小車的設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段：方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、制作調(diào)試。通過(guò)每一階段的深入分析、層層把關(guān)，是我們的設(shè)計(jì)盡可能向最優(yōu)設(shè)計(jì)靠攏。方案設(shè)計(jì)階段

2、根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機(jī)器的構(gòu)成（原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、調(diào)節(jié)部分）把小車分為車架 、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) 、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)六個(gè)模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分別針對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過(guò)綜合對(duì)比選擇出最優(yōu)的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了錐形軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪或沒(méi)有該機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿、行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用微調(diào)螺母螺釘。其中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用了調(diào)心軸承、關(guān)節(jié)軸承。技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對(duì)方案建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，借助MATLAB分別進(jìn)行了能耗規(guī)律分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、靈敏度分析。進(jìn)而得出了小車的具

3、體參數(shù)，和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。接著應(yīng)用PROE軟件進(jìn)行了小車的實(shí)體建模和部分運(yùn)動(dòng)仿真。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等。小車大多是零件是標(biāo)準(zhǔn)件、可以購(gòu)買，同時(shí)除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數(shù)都可以通過(guò)手工加工出來(lái)。對(duì)于塑料會(huì)采用自制的電鋸切割。因?yàn)樾≤囀芰Χ疾淮螅虼舜罅坎捎媚z接，簡(jiǎn)化零件及零件裝配。調(diào)試過(guò)程會(huì)通過(guò)微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律同時(shí)確定小車最優(yōu)的參數(shù)。目錄 1、 設(shè)計(jì)要求1.1參賽要求2、 方案設(shè)計(jì)2.1車架2.2原動(dòng)原理2.3傳動(dòng)原理2.4轉(zhuǎn)向原理2.5行走原理2.6調(diào)節(jié)原理三、技

4、術(shù)設(shè)計(jì)3.1動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)3.2軌道參數(shù)設(shè)計(jì)3.3傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.4行走參數(shù)設(shè)計(jì)3.5調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)3.6小車各部件參數(shù)4、 小車的調(diào)試5、 評(píng)價(jià)分析 一、設(shè)計(jì)要求1.本屆競(jìng)賽主題：本屆競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車越障競(jìng)賽”。要求經(jīng)過(guò)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(zhēng)性運(yùn)行考核。每個(gè)參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理4項(xiàng)報(bào)告。2.競(jìng)賽命題：以重力勢(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(lái)的。給定重力勢(shì)能為4焦耳（取g=10m/s2），競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（50

5、5;65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來(lái)獲得，落差400±2mm，重塊落下后，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(wú)碳小車示意圖要求小車行走過(guò)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(lái)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。3.競(jìng)賽項(xiàng)目I：競(jìng)賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個(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(lái)綜合評(píng)

6、定成績(jī)。見(jiàn)圖2。圖2： 無(wú)碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖2、 方案設(shè)計(jì)2.1車架車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用有機(jī)塑料加工制作成三角底板式。 2.2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。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過(guò)大傾翻，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。2.到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對(duì)小車過(guò)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。3.由于

7、不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場(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。4.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。 2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jiǎn)單重量輕等。1.不用其它額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。2.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。不適合本小車設(shè)計(jì)。3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊

8、湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動(dòng)。 2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)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。而綜合考慮后，我們決定用凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿 優(yōu)點(diǎn)：在理論情況下能比較精確實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)軌跡且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，而且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)不同障礙物間距的調(diào)節(jié) ，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小

9、，制造方便。缺點(diǎn)： 需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)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， 而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)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(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所長(zhǎng)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。 2.5行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 對(duì)于相同的材料為一定值。而滾動(dòng)摩擦阻力，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠(yuǎn)。但由于加工問(wèn)題材料問(wèn)題安裝問(wèn)題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪

10、可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過(guò)多的約束，無(wú)法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題，可以通過(guò)差速器或單向軸承來(lái)實(shí)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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過(guò)程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，但影響有多大會(huì)不會(huì)影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)

11、輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)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(dòng)精度比利用單向軸承高。綜上所述比結(jié)合實(shí)際情況采用單輪驅(qū)動(dòng)。 2.6調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是小車的重要部分，命題要求改變桿與桿之間的距離。而要達(dá)到這個(gè)要求，我們是通過(guò)改變小車的拐角，在小車行走相同的路程的情況下，改變小車轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)弧度范圍，從而改變小車行走的水平距離。也就是通過(guò)增加小車行走路線的振幅來(lái)減少路線的波長(zhǎng)。因此就可以實(shí)現(xiàn)繞過(guò)不同距離桿的目的。 要達(dá)到改變小車導(dǎo)向輪的拐角，我們采用的是以連桿的一端為圓心，以連桿為半徑在曲柄上

12、多開(kāi)幾個(gè)圓孔。改變連桿與曲柄連接的位置，也就是改變曲柄圓心到連桿連接端的距離來(lái)改變小車導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。從而實(shí)現(xiàn)繞過(guò)不同距離桿的目的。再通過(guò)改變連桿距底板中心的距離實(shí)現(xiàn)連續(xù)微調(diào)。 3、 技術(shù)設(shè)計(jì)3.1動(dòng)力參數(shù)技術(shù)我們采用的是物快通過(guò)定滑輪帶動(dòng)梯形原動(dòng)輪，而原動(dòng)輪帶動(dòng)同軸上的大齒輪，大齒輪再傳遞到與車輪相連的小齒輪，從而使小車向前行走。軸的原動(dòng)輪的設(shè)計(jì)3.1.1 結(jié)構(gòu)圖.圖3.1 梯形原動(dòng)輪3.1.2 分析1）.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)。2）.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)。3）.當(dāng)物塊距小車很近時(shí)，原動(dòng)輪的半徑再次變小，繩子的拉力

13、不足以使原動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于物塊的慣性，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，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車。 3.1.3 梯形圓柱原動(dòng)輪的作用1，剛開(kāi)始牽動(dòng)繩為小車提供動(dòng)力的部分是梯形圓柱的粗端，這樣能為小車提供較為快捷的動(dòng)力。2，下落物體不可避免的會(huì)和小車發(fā)生碰撞，這樣當(dāng)物體快要和小車碰撞的時(shí)候牽動(dòng)繩已繞到了梯形圓柱的細(xì)端，這樣能減少物體的下落速度，減少物體和小車碰撞的能量損失。3.梯形原動(dòng)輪的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小車的起動(dòng)和物塊的從低速到減速下落。減小因碰撞而損失的能量。4.利用公式M=F*R,當(dāng)力一定是R越大矩就越大，轉(zhuǎn)動(dòng)的就越快車啟動(dòng)的就快；當(dāng)M已達(dá)到一定的大少保

14、持不變R變小，F(xiàn)就會(huì)增大，從而使物快減速。3.1.4參數(shù)設(shè)計(jì)原動(dòng)輪主軸半徑R=7mm 物快下降高度H=400mm原動(dòng)輪的側(cè)截面周長(zhǎng)C=2R=2×7×3.14=43.96mm圈數(shù)N=H÷C=400÷43.969圈9圈且定齒輪總傳動(dòng)比為1也就是大概可以繞過(guò)18個(gè)桿。3.2軌道參數(shù)設(shè)計(jì) 無(wú)碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖假設(shè)抽選的桿距為1000mm，根據(jù)小車的行走路線近似的模擬為正弦曲線，所以齒輪選擇三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。有實(shí)際的尺寸大小可得振幅為0.32m，波長(zhǎng)為2m，軌跡方程近似為： Y=0.35sinx ； 軌道長(zhǎng)度S=4（0/2）1+（Y）²

15、½dx 最后算得S2433mm過(guò)兩個(gè)桿后小車又回到同一個(gè)位置，及完成一個(gè)周期的行走過(guò)程。而一個(gè)周期的行走位移為2000mm，路線長(zhǎng)度S約為2433mm。3.3傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.3.1齒輪傳動(dòng)部分采用的是齒數(shù)比45：15的齒輪。小齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=15，外徑=17mm，內(nèi)孔=3mm，厚度：6.5mm大齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=45，外徑=47mm，內(nèi)徑=10mm，厚度：10mm3.3.2傳動(dòng)行程傳動(dòng)比（傳動(dòng)系數(shù)）：齒輪比乘以后輪直徑，即為傳動(dòng)比。以C代表大齒輪，F(xiàn)代表小齒輪，G代表齒數(shù)比，D代表傳動(dòng)比，M代表轉(zhuǎn)動(dòng)行程，B代表后輪直徑，它們之間關(guān)系用公式表示，即： D=C÷F&#

16、215;B=GB 由此可見(jiàn)，齒輪比確定之后，傳動(dòng)比是與后輪直徑成正比的。 傳動(dòng)行程： M=D×=C÷F×B×3.3.3齒輪力的計(jì)算題目給定重力勢(shì)能4J，重塊1kg；設(shè)總的重量為M，則M=m（重塊）+m（載荷）+m（車)=1kg+400g+50g=1.45kg 經(jīng)網(wǎng)上查得,橡皮輪胎與干地面之間的動(dòng)摩擦因素為0.71,設(shè)驅(qū)向輪所獲得的摩擦阻力為F，則 F=Mµ=1.45kg*0.71=1.0295N1N 3.4行走參數(shù)設(shè)計(jì) 3.4.1后輪直徑由于軌道的長(zhǎng)度S是確定的，而齒輪也是固定的，根據(jù)傳動(dòng)行程我們可以算出小車后輪的直徑B S=M=D×

17、=C÷F×B×=45÷15×B×3.14=2433mm后輪直徑B258mm 3.4.2其他參數(shù)小車導(dǎo)向輪直徑d定為58mm，寬為8mm，后輪直徑D為258mm，寬6mm。 3.5調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)是本次比賽的重點(diǎn)部分，也是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，尤其是參數(shù)化這一塊，要定好調(diào)節(jié)裝置中各零件的尺寸大小，還需要大量的反復(fù)的研討與實(shí)驗(yàn)，而在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，我們只能夠去進(jìn)行各零件的估算，沒(méi)有太多的科學(xué)性。連桿L=116mm 圓柄的直徑D=50mm. 而小車導(dǎo)向輪擺正位置是連桿接口過(guò)圓柄圓心垂直于地面位置。曲柄為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)到圓心，接口與連

18、桿端點(diǎn)三點(diǎn)成一線時(shí)，則小車導(dǎo)向輪擺動(dòng)的幅度最大。當(dāng)接口在圓心的左邊時(shí)小車向右拐，當(dāng)接口在圓心的右邊時(shí)，小車向左拐。而圓柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)的一周，小車的導(dǎo)向輪就又回到了初始狀態(tài)，小車就行走一個(gè)周期，也就是小車?yán)@過(guò)兩個(gè)桿。 3.6小車各部件參數(shù)車身長(zhǎng)L=300mm，車身寬140mm，厚8mm。后輪直徑D=258mm,寬6mm，導(dǎo)向輪直徑58mm，寬6mm。梯形原動(dòng)輪直徑14mm，長(zhǎng)30mm。小齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=15，外徑=17mm，內(nèi)孔=3mm，厚度：6.5mm過(guò)度齒輪：大齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=45，外徑=47mm，內(nèi)徑=10mm，厚度：10mm圓柄直徑50mm，厚度8mm，連桿長(zhǎng)150mm，直徑5mm。定滑輪直徑28mm，厚12mm，支桿長(zhǎng)