無碳小車說明書_何云磊王清梅何鳳偉

1、摘要發(fā)展低碳經濟是應對全球氣候變暖，擔當世界公民責任的必然之舉 ，黨的十六大報告提出的重要思想理論，就是要走出一條低消耗、低排放、 高效益、高產出的新型工業(yè)化道路，而第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽以“無碳小車”為主題，符合世界的發(fā)展需求。本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。在上一屆的基礎上增加了小車跑“8”字形路線項目。“無碳小車”是根據能量轉換原理，將給定的重力勢能轉換為機械能驅動小車行走并能夠在前行時自動避開賽道上設置的障礙物的裝置。該小車由能量轉換機構、傳動機構、轉向機構和微調機構以及車身構成，通過能量轉換機構獲得動力來驅動后輪轉動，再通過傳動機構將運動傳給轉向機構使轉向輪周期性轉

2、向從而自動避開障礙物。在設計小車的整個過程中我們特別注重設計的思路，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設計思路；以創(chuàng)新和靈感為主線，使小車的設計做到規(guī)范性和創(chuàng)新性；我們還綜合考慮了材料 、加工 、制造成本等幾方面因素，借鑒了參數化設計 、優(yōu)化設計 、系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計發(fā)發(fā)明理論方法；采用了PROE軟件輔助設計。小車的設計主要分為三個階段：方案設計、技術設計和優(yōu)化設計。方案設計階段根據小車功能要求我們根據機器的構成（原動機構、傳動機構、執(zhí)行機構、控制部分、輔助部分）把小車分為車架 、原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構 、微調機構六個模塊，進行分模塊化設計。技術設計在方案設計的基礎上對方

3、案進行理論分析，運用數學計算和數學建模，得到了小車運動軌跡與其尺寸的數學關系，然后運用Matlab進行數據分析，進而得出了小車的具體參數和運動規(guī)律。接著應用PROE軟件進行了小車的實體建模和部分運動仿真。最后綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等實現(xiàn)優(yōu)化設計。目 錄第1篇繞“S”型曲線摘要2一 緒論51.1本屆競賽主題51.2 比賽要求51.3 競賽命題：以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車51.4 競賽項目I：6二 方案設計72.1小車的設計方法72.2方案說明82.3 方案分析92.4設計思路9三 具體設計步驟103.1耗能分析103.2具體設計方法113.2.1原動機構（驅動裝置）

4、113.2.2傳動機構（傳動裝置）123.2.3轉向機構133.2.4 細節(jié)設計183.2.5 行走機構183.2.6 調節(jié)機構193.2.7 繞線輪設計19四 數據分析204.1 運動學分析模型204.2小車運動仿真分析25五 零部件設計255.1參數確定255.2需加工的零件255.3可購買的標準件26六 徽標設計28七 評價分析297.1小車優(yōu)缺點297.2改進方案29八 設計總結29九 參考文獻31第2篇繞“8”字型曲線一 緒論1.1本屆競賽主題本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。1.2 比賽要求要求經過一定的前期準備后，在比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可 行裝置，并進行現(xiàn)場競爭性運

5、行考核。每個參賽作品要提交相關的設計、工藝、成本分析和工程管理4項報告。1.3 競賽命題：以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換來的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質量為1Kg的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉獲得，不可使用任何其他的能量來源。要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，

6、以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。要求小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。圖1： 無碳小車示意圖1.4 競賽項目I：競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個圓棒，沿直線等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞障數量來綜合評定成績。見圖2。圖2： 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖二 方案設計 2.1小車的設計方法小車的設計一定要做到目標明確，通過對命題的分析確定基本設計思路，以創(chuàng)新和靈感為主線，設計過程中綜合需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等幾方面因素。根據小車功能設計要求即小車在前行時能夠自動避開賽道上設

7、置的障礙物，小車前進的路線具有一定的周期性；考慮到小車轉向時速度有損失，小車前進的線路是命題設計要求的最優(yōu)解。結構的設計與成本分析、加工工藝設計統(tǒng)籌考慮，力求產品的最優(yōu)化設計。在設計方法上我們借鑒了參數化設計、優(yōu)化設計、系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計發(fā)明理論方法。采用了MATLAB、PROE等軟件輔助設計。下面是我們設計小車的流程如圖所示： 否 是 明確小車的任務要求確定方案小車功能分析 初步參數確定 可行的方案 參數優(yōu)化組合幾種可行的方案選擇材料確定尺寸 評價改進評價 2.2方案說明 通過對小車的功能分析，小車需要完成重力勢能的轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設計這里根據小車所要完成的功能將

8、小車劃分為五個部分進行模塊化設計（車架 、原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構 、微調機構）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。下面為我們設計圖框 車架 三角底板式 骨架式 原動機構 繩輪式 鏈輪式 彈簧儲能式 傳動機構 直齒輪 錐齒輪 帶輪轉向機構 凸輪加搖桿 曲柄連桿加搖桿 曲柄搖桿 差速轉向 行走機構 雙輪同步 雙輪差速驅動 單輪驅動 微調機構 微調螺母 滑槽 2.3 方案分析 在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。小車主要實現(xiàn)兩個功能：行走

9、路程遠避開障礙多 然而要實現(xiàn)這兩個功能，就需要減少內部摩擦損耗、減少地面的摩擦損耗。這樣就要保證簡化機構、減少高副、減少轉軸軸承等直徑、充分潤滑、保證零件精度、選擇適當的材料、減少小車的重量、增大輪子半徑以減小摩擦等途徑，再則是可根據不同的地面粗糙度調整輪子。最后要達到避開障礙多，就要保證加工裝配精度，對小車行走影響較靈敏的零部件尺寸可微調。 小車大多數零件采用標準件、可以直接購買，減少加工誤差，另外部分零件可以通過手工加工出來。2.4設計思路1、車體設計 按照大賽規(guī)定小車采用三輪結構，梯形車身設計，車架材料經過認真比較認為選用鋁板最適宜，用鋁板做的車架即比塑料車架更加牢固，又較鐵制的美觀輕便

10、。2、總體設計思路根據大賽要求小車采用三輪結構，我們把前輪作為轉向輪，后兩輪作為驅動輪，根據能量轉換原理，重物通過輕繩跨過定滑輪連接到驅動軸的T型軸上，將給定的重力勢能轉換為機械能，并通過小車的傳動裝置傳給后輪驅動小車行走，并使前輪通過轉向機構能做周期性的來回擺動，從而使小車在前行時自動避開賽道上設置的障礙物。這樣，當前輪周期性的來回擺動和后輪的向前滾動相結合就可以實現(xiàn)無碳小車的周期性向前行進，由此可以實現(xiàn)小車避開每隔一米一個的彈性圓棒。三 具體設計步驟3.1耗能分析 圖3-1 圖3-2 力分析小車質量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0 小車驅動力矩M=等效力偶F0×D/ 2 （小

11、車驅動力）F0=2M/D M由G獲取例如：M= G× / 2= F0×D/ 2（暫不計效率） 此時 F0= G× /D 做功分析設：S為小車行走距離，mm，為小車總效率， F0 × S =G× 500mm× 則： S =G× 500mm× / F0 前面防滑計算得出：F0 Ff = P0 g × f 可見：（1）為了增大小車行走距離；（2）為了避免能量損失不打滑；（3）在保證能夠驅動小車行走的前提下， F0 越小越好。3.2具體設計方法3.2.1原動機構（驅動裝置）如圖1，重物的重力作為小車的驅動力，設計

12、中要盡可能多的把重物的勢能轉化為小車的勢能，盡可能的使車勻速運動，也盡可能減少物體下落過程和小車行進過程中的能量損失。方案:1.重物通過輕繩跨過定滑輪連接到驅動軸的T型軸上，啟動時要求驅動力比較大，輕繩從原動軸的大端開始（M=FR得F=M/R），有利于啟動。2啟動后，原動軸的半徑變小，轉速相應的提高，轉矩變小，設計使其剛好能和阻力相平衡，實現(xiàn)小車勻速運動。3.當物塊與小車距離相近時，由于要減小小車的速度和重物下降速度，原動軸的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動輪勻速轉動，但是由于物塊的慣性，仍會減速下降，原動輪的半徑變小，總轉速比提高，小車緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車。4.

13、此結構中還設計有防止砝碼在下滑過程中擺動的相應機構，這樣就那保證砝碼穩(wěn)速小落，減少能量損失。圖13.2.2傳動機構（傳動裝置）傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必須傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結構簡單重量輕等。方案：傳動機構可通過直齒輪、錐齒輪、帶輪等裝置來傳動，通過比較和分析，帶輪具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。而齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定等一系列優(yōu)點。因此在需用傳動裝置的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動,如圖2。圖2 3.2.3轉向機構轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直

14、接決定著小車的功能。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件易獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構有：凸輪機構+搖桿、曲柄連桿+搖桿、蝸桿渦輪機構、曲柄搖桿、差速轉彎等等。1.凸輪機構凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，有內凸輪和外凸輪兩種，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)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到任意的預期運動；缺點：較難得到精確的凸輪輪廓曲線，輪廓加工也比較困難。在本小車設計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、

15、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（滑動摩擦）因此不采用。見圖3和圖4。圖3（內凸輪）圖4（外凸輪） 2.曲柄連桿+搖桿 圖5優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，易獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數和運動副數往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運

16、動和作往復運動的構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，故連桿機構常用于速度較低的場合。在本小車設計中由于小車轉向頻率和傳遞的力不大故機構可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構簡單，利用MATLAB進行參數化設計并不困難，加上可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。對于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調機構來解決，本設計方案如圖6。圖63蝸桿渦輪機構優(yōu)點：1.傳動比大，結構緊湊。T) f: 2. 傳動平穩(wěn)，無噪音。因為蝸桿齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒有進入和退出嚙合的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動、噪音小。缺點：1. 具有自鎖性。蝸桿的螺旋

17、升角很小時，蝸桿只能帶動蝸輪傳動，而蝸輪不能帶動蝸桿轉動。" D, D0 T$ d3 o- _% u1 m 2. 蝸桿傳動效率低，一般認為蝸桿傳動效率比齒輪傳動低。尤其是具有自鎖性的蝸桿傳動，其效率在0.5以下，一般效率只有0.70.9。( V' N% U; f8 D3. 發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。' g7圖73.曲柄搖桿結構較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其急回特性導致難以設計出較好的機構。4.差速轉彎差速拐是利用兩個偏心輪作為驅動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產生了差速。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障。

18、差速轉彎，是理論上小車能走的最遠的設計方案。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需要來調整輪子的尺寸。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的）圖8綜合上面分析我們采用以下方案，見圖9。 圖9小車的一副總體設計圖（圖 10） 圖10轉向由曲柄滑塊裝置完成。驅動軸通過齒輪傳動聯(lián)接后帶動圓盤轉動，圓盤帶動曲柄轉動，連桿的另一段聯(lián)接前輪軸上的滑塊，滑塊的往復運動過程使前輪周期的轉動，最終使小車行走軌跡為近似正弦曲線。3.2.4 細節(jié)設計車身盡量簡單原則，來減小小車總質量，但要有足夠位置放置載重物塊。推桿的用軸套定位來保證推程和回程過程中方向不變。齒輪和軸承盡量選用標準件尺寸，易于加工

19、。前后車輪選用輕質材料，而且適當的挖空。3.2.5 行走機構行走機構即為三個輪子，輪子有厚薄之分，大小之別，材料之不同，因此需要綜合考慮。由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅動，雙輪差速驅動，單輪驅動。雙輪同步驅動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。雙輪差速驅動可以避免雙輪同步驅動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(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，同時能夠實現(xiàn)滿足要運動。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速

20、度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動不準確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。單輪驅動即只利用一個輪子作為驅動輪，一個為導向輪，另一個為從動輪。3.2.6 調節(jié)機構 在前面確定了轉向采用曲柄連桿加搖桿的方案，由于曲柄連桿機構對于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調機構，對誤差進行修正。再者，加上微調機構可更方便調整小車的軌跡，通過不斷的調整和實驗使小車走一條最優(yōu)的軌跡。微調機構有以下兩種方式：微調螺母式、滑塊式如圖。通過分析我們采用滑塊調節(jié)機構。由于理論分析與實際情況有差距，只能通過理論分析得出較優(yōu)的方案

21、而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們設計了一種機構簡單的小車，通過小部分的改動便可以改裝成其它方案，再通過試驗比較得到最優(yōu)的小車。3.2.7 繞線輪設計 加速勻速減速 的過程，所以開始時拉力的作用點處在原動輪半徑較大 處，并且隨著小車的前進，拉力作用點距離原動輪的軸線的距離呈遞減的線 性變化。起始時，原動輪的轉動半徑較大，起動轉矩大，有利起動；起動后， 原動輪半徑變小，轉速提高，轉矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。見圖圖7梯形圓柱原動輪的作用：1.剛開始牽動繩為小車提供動力的部分是梯形圓柱的粗端，這樣能為小車提供更快捷的動力。2.下落物體不可避免的會和小車發(fā)生碰撞，這樣當物體快要和小車碰撞的時候，牽

22、動繩繞到梯形圓柱的細端，這樣能減少小車的下落速度，減少物體和小車碰撞的能量損失。3.梯形原動輪的設計實現(xiàn)小車的起動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，當力一定時，R越大矩就越大，轉動的就越快，車啟動的就越快；當M達到一定的大小保持不變R變小，F(xiàn)就會越大，從而使得物塊減速。四 數據分析4.1 運動學分析模型符號說明：后車輪半徑驅動輪A與轉向輪橫向偏距驅動輪B與轉向輪橫向偏距齒輪1與2傳動比齒輪1與3傳動比后輪軸（軸F）與轉向輪中心距離b曲柄軸（軸G）與轉向輪中心距離d曲柄的旋轉半徑軸的繩輪半徑連桿長L搖桿長(實際長度)CE軸為驅動軸F軸為后輪軸G軸為曲柄軸滑

23、塊在搖桿上運動位移S 圖11. 驅動部分當重物下降時，驅動軸（軸E）轉過的角度為，則有后輪軸（軸F）轉過的角度則曲柄軸（軸G）轉過的角度小車移動的距離為（以A輪為參考） 轉向部分當轉向桿與驅動軸間的夾角為時，曲柄轉過的角度為 則與滿足以下關： 解上述方程可得與的函數關系式3行走軌跡只有A輪為驅動輪，當轉向輪轉過角度時則小車轉彎的曲率半徑為小車行走過程中，小車整體轉過的角度當小車轉過的角度為時，有4其他輪的軌跡以輪A為參考，則在小車的運動坐標系中，B的坐標C的坐標在地面坐標系中，有5.滑塊在搖桿上運動位移 通過整理以上方程，帶入合理參數，使用Matlab軟件分析得到小車的運動軌跡。（如下圖） 圖

24、24.2小車運動仿真分析為了進一步分析本方案的可行性，我們利用了proe進行了動態(tài)仿真，詳見視頻。五 零部件設計5.1參數確定單位：mm轉向輪與曲柄軸軸心距 b=145;搖桿長c=32;驅動輪直徑D=120;驅動輪A與轉向輪橫向偏距a1=78驅動輪B與轉向輪橫向偏距a2=78;驅動軸與轉向輪的距離d=145;曲柄長r1=22;繩輪半徑r2=165.2需加工的零件1驅動軸6061空心鋁合金管。外徑6mm 內徑3mm。2車輪 鋁板7075-T6，具體參數見附圖。3.底板 鋁板7075-T6，具體參數見附圖。5.3可購買的標準件1.軸承：內徑6mm，外徑12mm，如圖2.軸承座：選用型號：SK123

25、.滑塊部分：優(yōu)先選擇賣有現(xiàn)成的，如果不合適，再自己加工制作。4直齒輪齒輪1：模數=1，齒數=17，外徑=17mm，內孔=6mm，厚度：10mm齒輪2：模數=1，齒數=51，外徑=47mm，內徑=6mm，厚度=10mm齒輪3：模數=1， 齒數=34，外徑=36mm, 內徑=6mm，厚度=10mm材質：7075-T6鋁5.前輪轉向部分（與車身配合處）采用型號：LMF6六 徽標設計圖 1徽標設計（1）設計說明：整個徽標是一個橢圓形的圈，包圍著一個加油機字樣的N和英文字母“CAR”，代表著“No Carbon”無碳，簡單明了地說明了這屆大賽的主題。同時，英文字母“CAR”也代表著我們所做的無碳小車。其

26、次，選用綠色為標志的主色調，代表著綠色環(huán)保，和諧自然。且外面的橢圓圈，代表著能量的意識，說明了勢能與動能相互轉換的過程。同時，橢圓圈又是一圈圈跑道，代表著無碳的道路永無止境。最后，以整體上看，整個圖形像一只眼睛?？粗h方，對未來全球實現(xiàn)無碳充滿希望。（2）材料：45鋼（3）制作：激光打標機 噴漆 外圈綠色 R：64 G：225 B：109 內圈綠色 R：30 G：172 B：74 “加油機”R：48 G：179 :B：:83 “Car” R：239 G：21 B：19七 評價分析7.1小車優(yōu)缺點 本小車采用的轉向方案中，曲柄是在一個圓盤上，在不改變小車機構的前提下，可以調節(jié)曲柄和連桿的長度，從

27、而避免了安裝時的局限。同時，可以根據兩個障礙物的距離改變后，相應的調節(jié)曲柄和連桿的長度，以適應不同寬度的賽道。此外，后輪可以根據不同賽道的地面更換相對應材料的外胎。7.2改進方案小車最大的缺點是精度要求非常高，改進小車的精度要求，使能調整簡單，小車便能達到很好的行走效果。八 設計總結我組設計的無碳小車，以單輪驅動。整體實現(xiàn)了小車尺寸小、零件少、成本低、效率高、穩(wěn)定性好的目的。本次競賽命題要求中，以給定的能量設計三輪小車帶動給定負載進行避物運行。本方案設計中，整體分為前輪轉向，動力設計，成本分析三大部分展開設計。動力設計方面，采用了二級傳動，對于機械傳動效率的要求也就更高了。在起步、行進中與停止階段，通過繞線樁的形狀，給予主動軸不同的扭矩，更好的帶動小車。成本分析中，沒有考慮制作工具的相關成本，如果可以實現(xiàn)底板的一次成型，將會減少工序，增大精度要求。同時其費用也將加大。綜合成本，暫且不能確定。在小車的轉向方案中，我組一直在是采用凸輪+連桿機構還是采用曲柄連桿搖桿機構實現(xiàn)轉向中不斷分析和討論，通過分析得出，由于凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆