(完整word版)S型無碳小車設(shè)計(jì)說明書

1、.目錄一 緒論1.1 本屆競賽命題主題1.2 小車功能設(shè)計(jì)要求1.3 小車整體設(shè)計(jì)要求1.4小車的設(shè)計(jì)方法二 方案設(shè)計(jì)2.1路徑的選擇2.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置前輪轉(zhuǎn)向裝置差速轉(zhuǎn)向裝置小結(jié)2.3能量轉(zhuǎn)換裝置2.4車架2.5微調(diào)部分三 參數(shù)的設(shè)計(jì)3.1路徑參數(shù)的確定3.2自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定前輪轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定差速轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定小結(jié)3.3能量轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)的確定3.4車架參數(shù)的確定3.5微調(diào)部分參數(shù)的確定四 小車的工程圖4.1小車部分零件工程圖4.2 小車各裝置工程圖4.3 小車總裝配圖五 評價(jià)分析5.1 小車優(yōu)缺點(diǎn)5.2小車的改進(jìn)方向六 附錄.一 緒論1.1 本屆競賽命題主題本屆競賽命題主題為

2、“無碳小車” 。要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在集中比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運(yùn)行裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場競爭性運(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)成績考核作業(yè)。1.2 小車功能設(shè)計(jì)要求設(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，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為 4 焦耳（取 g=10m/s2 ），比賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為 1Kg 的重塊（ 5065 mm，普通碳鋼） 鉛垂下降來獲得， 落差 4002mm，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： 無碳小車示意圖競賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過賽道上

3、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(dòng)行走示意圖1.3 小車整體設(shè)計(jì)要求無碳小車體現(xiàn)了大學(xué)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(jì)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(dòng)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. 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賽場地。3. 要求小車為三輪結(jié)構(gòu)4. 小車有效的繞障

4、方法為：小車從賽道一側(cè)越過一個(gè)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(dòng)作，直至小車停止。1.4 小車的設(shè)計(jì)方法首先，小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，作品的設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮材料、加工、制造成本等方面因素。其次，為了降低小車的能量損耗，我們設(shè)計(jì)的小車主要利用齒輪傳動(dòng)，因?yàn)辇X輪的能量利用率達(dá)到95%，最后，做到控制調(diào)節(jié)路徑的功能，由于齒輪便于安裝等特點(diǎn)，所以也能運(yùn)用齒輪傳動(dòng)達(dá)到目的。二 方案設(shè)計(jì)通過對小車的功能分析，小車需要完成自動(dòng)避開障礙物，驅(qū)動(dòng)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(jì)分為以下部分，路徑的

5、選擇，自動(dòng)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?yàn)楦傎愋≤囋谇靶袝r(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20mm、高 200mm的多個(gè)圓棒，沿直線等距離擺放。為了在通過障礙物時(shí)，行進(jìn)的距離更短，設(shè)計(jì)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(dá)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2.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置為了能更好的讓小車在預(yù)計(jì)的軌道上行駛， 小車的自動(dòng)轉(zhuǎn)向需要考慮到前輪的自動(dòng)轉(zhuǎn)向和后輪的差速轉(zhuǎn)向。所以我們設(shè)計(jì)了自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置和差速轉(zhuǎn)向裝置。前輪轉(zhuǎn)向裝置通過重物的下落，帶動(dòng)齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，利用齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。并在

6、齒輪軸上安裝齒輪， 考慮到加工和經(jīng)濟(jì)效益的原因，為了能實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，需在齒輪的帶動(dòng)下加入一個(gè)定軸齒輪系。 在定軸輪系中， 其中的一個(gè)齒輪和一連接桿鉸接在一起， 連接桿在鉸接上一根直角桿， 直角桿放置在水平滑槽中， 組成組成水平滑動(dòng)裝置， 實(shí)現(xiàn)桿在水平方向上的來回?cái)[動(dòng)。 直角桿的另一端固定在前輪上， 這樣隨著隨著直角桿的來回?cái)[動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。前輪轉(zhuǎn)向示意圖如圖四。其實(shí)， 前輪轉(zhuǎn)向裝置分為兩部分，一部分為齒輪的傳動(dòng)達(dá)到一定的傳動(dòng)比，令一部分為齒輪所帶動(dòng)的水平滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。.圖四 :前輪轉(zhuǎn)向示意圖1圖五 :前輪轉(zhuǎn)向示意圖2.圖六 : 前輪滑塊部分需要注意的是， 直角桿的兩桿連接部位有一個(gè)滑塊

7、，是為了能讓直角桿做水平運(yùn)功。在齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)候，小車行進(jìn)一個(gè)周期，轉(zhuǎn)彎兩次，即直角桿完成一次前后擺動(dòng)即可。并且需要在拐彎時(shí)直角桿擺動(dòng)，在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，直角桿不動(dòng)。小車前輪不轉(zhuǎn)彎。差速轉(zhuǎn)向裝置我們知道， 小車在以弧線段轉(zhuǎn)彎的過程中，兩后輪的速度是不一樣的，為了能讓小車按照預(yù)期的軌道行駛，我們設(shè)計(jì)了差速轉(zhuǎn)向裝置。并且，在轉(zhuǎn)彎過程中，加入了差速轉(zhuǎn)向就會使能量損耗減小，從而增加小車的行程。差速轉(zhuǎn)向裝置示意圖如圖七。圖七 : 差速轉(zhuǎn)向裝置.在此裝置中，主要是運(yùn)用兩階梯齒輪相互嚙合，在直線行進(jìn)中，階梯齒輪的嚙合相同，在擺線行進(jìn)中， 階梯齒輪的嚙合正好相反。 而齒輪軸上的階梯齒輪為不完全齒輪， 才能使得

8、齒輪間的相互嚙合順利進(jìn)行。 主動(dòng)階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)， 后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個(gè)周期長度的距離。小結(jié)不管是前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，還是差速轉(zhuǎn)向，單獨(dú)來看都可以滿足預(yù)期的軌跡。但是，為了減少能量的損耗，軌跡的精確性，我們把兩個(gè)機(jī)構(gòu)都加入了小車中。誠然，差速轉(zhuǎn)向?qū)C(jī)構(gòu)的精度要求很高， 這就使轉(zhuǎn)向裝置的零件加工費(fèi)用增加， 但是加入了前輪轉(zhuǎn)向裝置后， 就減小了對轉(zhuǎn)向裝置的精度。 考慮到兩個(gè)機(jī)構(gòu)的組合會使能量損耗增加， 但我們利用的都是齒輪傳動(dòng)，能量損耗率很小，前輪主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向，后輪主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)，相互影響也很小。綜上所述，我們加入了前輪轉(zhuǎn)向和差速轉(zhuǎn)向。2.3 能量轉(zhuǎn)換裝置為了能讓小車行進(jìn)的更遠(yuǎn)，怎么將一定的總能量盡可

9、能以高利用率的形式轉(zhuǎn)換是非常重要的問題。為了減少能量的損耗，我們利用定滑輪，在下落過程中帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使整個(gè)小車前進(jìn)。易知， 下落過程中，輪子所帶動(dòng)軸半徑的不同會導(dǎo)致軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不同。太小的半徑提供的力偶距太小而導(dǎo)致小車禁止不懂，太大的半徑會使重物掉落的加速度太大而增加能量的損耗， 理想的狀態(tài)時(shí)重物勻速下落，這要就可以使小車前進(jìn)的路程達(dá)到最大。所以在此裝置中， 我們加入了可滑動(dòng)圓錐筒型裝置，即可通過滑動(dòng)圓錐筒改變提供力偶距的大小，使小車行進(jìn)的路程達(dá)到最大。能量轉(zhuǎn)換裝置示意圖如圖八。.圖八 : 能量轉(zhuǎn)換裝置2.4 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，美觀等因素，車架

10、采用木材加工制作成三角底板式。三參數(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(jìn)的更遠(yuǎn)，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 R 300mm ，小車的寬度為 a150mm，小車轉(zhuǎn)角36.7582，經(jīng)過MATLAB擬合的曲線如圖十。軌跡方程為對方程求積分，得到曲線的長度為) ) )A1 A2A3 A4192.47mm ；B1 B2B3 B4144.35mm ；C1C2C3 C4240.58mm；曲線的長度為A2 A3A4 A5854.40mm ；B2 B3B4 B5854.40mm ；B

11、2 B3B4 B5854.40mm 。3.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定包含前輪轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定和后輪差速轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定。參數(shù)的確定有利于判斷小車的設(shè)計(jì)是否合理， 小車能否完成預(yù)計(jì)的軌道等實(shí)際問題。 這里，我們假設(shè)齒輪軸每轉(zhuǎn)一周，小車行進(jìn)一個(gè)周期。前輪轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定前輪轉(zhuǎn)向裝置是為了更好的按照規(guī)定的軌跡行進(jìn)， 我們把前輪安裝在車架中間， 則行進(jìn)的軌跡為 A1 A2 A3 A4 。前輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置簡圖如圖十一。.圖十一：前輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置簡圖又因?yàn)榍拜嗈D(zhuǎn)彎時(shí)需要行進(jìn)的距離為S2 192.47mm ，直線需要行進(jìn)的距離為L2 854.40 mm，對應(yīng)的，小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，齒輪軸

12、上的齒輪z1 旋轉(zhuǎn)的角度為 033.1，小車直線時(shí)， 齒輪 z1 旋轉(zhuǎn)的角度為146.9。此時(shí)齒輪 z1 為不完全齒輪， 只有 033.1 才有齒。而齒輪軸旋轉(zhuǎn)了 33.1 的時(shí)候，齒輪 z4需要旋轉(zhuǎn) 180。從而傳動(dòng)比 i141805.44。33.1z1由于 i145.44 ，傳動(dòng)比較大，所以加入了齒輪 z2 和 z3 ，根據(jù)已知的傳動(dòng)比，為 z4了便于加工等原因，求得z130; z220; z354; z415。因?yàn)?033.1和z130 ，加工不方便也不符合現(xiàn)實(shí)，我們進(jìn)行了修正，將z1 33; z222; z350; z415。這樣就考慮到實(shí)際情況也滿足預(yù)期的軌跡。我們設(shè)計(jì)小車總長度為1

13、50mm ， 而 齒 輪 系 的 長 度 以 達(dá) 到z1z2z3z416.511257.560mms22290mm，2，所以連桿和直角桿的總長為所以我們?nèi)∵B桿的長度為30mm，直角桿的一端長度為50mm。我們將在距離齒輪z4 中心為5mm的地方裝一個(gè)銷釘。所以直角桿水平擺動(dòng)的距離為10mm。所以可以得到直角桿另一端的長度為l5 tan5 tan19.77 15.1mm。3.2.2 差速轉(zhuǎn)向裝置2在差速轉(zhuǎn)向裝置中，需要滿足在直線行進(jìn)中，階梯齒輪的嚙合相同，在擺線行進(jìn)中，階梯齒輪的嚙合正好相反，并且兩后輪所行進(jìn)的軌跡滿足曲線B1B2 B3 B4 和 C1C2C3C4 , 同時(shí)主.動(dòng)階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)

14、，后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個(gè)周期長度的距離。首先，由車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)分析圖，圖十二：車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)分析圖可以得到：WoV1r aW1i02io1V2rW2Woio 2數(shù)學(xué)表達(dá)式：io1i o1ra得出： i o2r式中，Wo表示齒輪軸的轉(zhuǎn)速，W1和W2分別表示左右兩輪的轉(zhuǎn)速。io1和io2分別表示左右 側(cè) 傳 動(dòng) 鏈的 傳 動(dòng)比 。有 因 為從 圖中 和 我們 所選 擇 的 路 徑可 以 得到 r22.5mm ，a 7.5mm。io1r a5所以我們得到左右側(cè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比為io2r3 。之后，進(jìn)行齒輪的分析。后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡圖如圖十三。.圖十三：后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡圖Z1Z3由圖可知左右側(cè)傳動(dòng)鏈的

15、傳動(dòng)比io1 ， i o2 為 Z2 和 Z4 的相互組合。即傳動(dòng)比是變化的。Z1Z25Z33當(dāng)小車行進(jìn)在第一個(gè)轉(zhuǎn)彎口時(shí)，1 輪的速度小，此時(shí)可以得到：Z4, 為了使齒輪能夠夠相互嚙合，有Z1 Z2 Z3Z4 。通過 LINGO軟件進(jìn)行計(jì)算， 我們得到很多組解。為Z1Z3了使小車的設(shè)計(jì)更加合理，左右側(cè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比Z2和 Z4不能太大，太大會導(dǎo)致在相同模數(shù)條件下Z1 和 Z3 的齒數(shù)過大， 也不能太小， 太小會因?yàn)榧庸ぞ鹊脑虍a(chǎn)生巨大的誤差。從路徑參數(shù)的選擇中，我們知道了一個(gè)周期小車行進(jìn)的總長為S209.3731mm 。我們也知道，在齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)候，小車前進(jìn)的路程為S209.3731m

16、m ，所以通過選用合Z1適的傳動(dòng)比Z2 ，能夠使小車后輪的半徑在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，綜上所述，最后，我們選擇的是 Z1100; Z2 20; Z3 90; Z4 30; R輪 83.3mm ，為了減小齒輪的半徑，以上所有.的齒輪模數(shù)都為m1mm。最后，我們要將小車兩后輪的運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)整到預(yù)期的水平，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。 即最后需要滿足的是左右兩輪傳動(dòng)比的相互轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)， 兩輪的總長度是相同的。在將每一個(gè)周期分為兩個(gè)部分。對1 輪來說，轉(zhuǎn)彎時(shí)需要行進(jìn)的距離為S1144.35mm，直線需要行進(jìn)的距離為 L1854.40mm，此時(shí)齒輪軸所轉(zhuǎn)過的角度為180，并且 1 輪的速度小于 2 輪，此時(shí)應(yīng)是 Z

17、3 和 Z4 嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時(shí)Z3 對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為126.05 。對 2 輪來說，轉(zhuǎn)彎時(shí)需要行進(jìn)的距離為S3240.58mm，直線需要行進(jìn)的距離為L3854.40mm ，此時(shí)齒輪軸所轉(zhuǎn)過的角度為 180，并且 2 輪的速度大于 1 輪，此時(shí)應(yīng)是 Z1 和 Z2 嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時(shí)Z1 對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為239.55。由此分析可知， 當(dāng)左右兩階梯齒輪夾角為239.55時(shí)，可以滿足行進(jìn)的軌跡為預(yù)期軌跡。綜上所述， 可以得到我們選擇的是Z1 100; Z220; Z3 90; Z4 30; R輪83.3mm，模數(shù) m 1mm ， Z1 和 Z2 為不完全齒，左右階梯齒輪在安裝時(shí)夾角為2 39.55

18、。3.2.3 小結(jié)我們知道， 不管是前輪轉(zhuǎn)向裝置還是差速轉(zhuǎn)向裝置，都必須同時(shí)滿足， 后輪在轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，前輪也需要轉(zhuǎn)動(dòng)。 我們從前兩問算出的， 得到齒輪 z1 為不完全齒輪， 只有033.1 才有齒（一個(gè)周期中有兩個(gè)033.1），而由差速轉(zhuǎn)向知道左右階梯齒輪在安裝時(shí)夾角為239.55 ，雖然看起來0 與2 不同，但是，我們發(fā)現(xiàn)0 是 1 和 2 的平均值，而通過計(jì)算我們也知道，只要將0 安裝在2 中間即可。3.3 能量轉(zhuǎn)換裝置的參數(shù)確定我們知道，不同圓錐筒半徑提供不同的力偶距，使小車前進(jìn)的速度不同。我們選定R1=10mm， R2=40mm,由于有了前輪轉(zhuǎn)向裝置，齒輪z1 距離齒輪軸中心的距離為1

19、5mm，所以圓錐筒最長寬度為30mm。且圓錐筒的母線與中心線的夾角為45。則圓錐筒直徑變化范圍為20-80mm。為了固定繩子的環(huán)繞，加入了夾角為45的小片。利用橡皮筋固定。3.4 車架裝置參數(shù)的確定在我們的設(shè)計(jì)中， 已經(jīng)知道兩后輪的距離為 150mm，前后輪的距離為 150mm，為了方便加工并考慮到經(jīng)濟(jì)條件， 我們選用的是梯形板， 下底長為 130mm，上底長為 20mm，高為 160mm。3.4 微調(diào)裝置參數(shù)的確定差速轉(zhuǎn)向裝置是齒輪通過嚙合帶動(dòng)的，誤差不會太大，且穩(wěn)定性較高。而前輪轉(zhuǎn)向裝置中， 是受桿的帶動(dòng)， 受到桿長和外界的影響較大， 而前輪轉(zhuǎn)向裝置對小車行進(jìn)產(chǎn)生了巨大的影響。所以需要繳入微調(diào)裝置調(diào)節(jié)微調(diào)桿長，調(diào)節(jié)桿長后于預(yù)期的軌道重合。.四 小車的工程圖4.1小車部分零件工程圖4.2 小車各裝置工程圖4.3 小車總裝配圖五 評價(jià)分析5.1 小車優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（ 1）小車機(jī)構(gòu)簡單，單級齒輪傳動(dòng)，損耗能量少。（ 2）采用大的驅(qū)動(dòng)輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)。（ 3）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致