無碳小車說明書1

1、目錄一 緒論1.1本屆競賽命題主題1.2小車功能設(shè)計要求1.3小車整體設(shè)計要求1.4 小車的設(shè)計方法二 方案設(shè)計2.1 路徑的選擇2.2自動轉(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3.1 路徑參數(shù)的確定3.2 自動轉(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

2、屆競賽命題主題為“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。每個參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計、工藝、成本分析和工程管理4項成績考核作業(yè)。1.2小車功能設(shè)計要求設(shè)計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(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），比賽時統(tǒng)一用質(zhì)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(yùn)動，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能夠自動交錯繞過

3、賽道上設(shè)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(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行走示意圖1.3小車整體設(shè)計要求無碳小車體現(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. 小車有效的繞障方法為：小車從賽

4、道一側(cè)越過一個障礙后，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)上述動作，直至小車停止。1.4小車的設(shè)計方法首先，小車的設(shè)計一定要做到目標(biāo)明確，作品的設(shè)計需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計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)計的小車主要利用齒輪傳動，因為齒輪的能量利用率達(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)用齒輪傳動達(dá)到目的。二 方案設(shè)計通過對小車的功能分析，小車需要完成自動避開障礙物，驅(qū)動自身行走，重力勢能的轉(zhuǎn)換功能。所以我們將小車的設(shè)計分為以下部分，路徑的選擇，自動轉(zhuǎn)向裝

5、置，能量轉(zhuǎn)換裝置和車架部分。2.1路徑的選擇因為競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設(shè)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。為了在通過障礙物時，行進(jìn)的距離更短，設(shè)計了如圖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自動轉(zhuǎn)向裝置為了能更好的讓小車在預(yù)計的軌道上行駛，小車的自動轉(zhuǎn)向需要考慮到前輪的自動轉(zhuǎn)向和后輪的差速轉(zhuǎn)向。所以我們設(shè)計了自動轉(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，帶動齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，利用齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。并在齒輪軸上安裝齒輪，考慮到加工和經(jīng)濟(jì)效

6、益的原因，為了能實現(xiàn)較大的傳動比，需在齒輪的帶動下加入一個定軸齒輪系。在定軸輪系中，其中的一個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，組成組成水平滑動裝置，實現(xiàn)桿在水平方向上的來回擺動。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擺動就可以實現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)動。前輪轉(zhuǎn)向示意圖如圖四。其實，前輪轉(zhuǎn)向裝置分為兩部分，一部分為齒輪的傳動達(dá)到一定的傳動比，令一部分為齒輪所帶動的水平滑動機(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滑塊，是為了能讓直角桿做水平運(yùn)功。在齒輪軸轉(zhuǎn)動一圈的時候，小車行進(jìn)一個

7、周期，轉(zhuǎn)彎兩次，即直角桿完成一次前后擺動即可。并且需要在拐彎時直角桿擺動，在直線運(yùn)動時，直角桿不動。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，才能使得齒輪間的相互嚙合順利進(jìn)行。主動階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時，后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個周期長

8、度的距離。小結(jié)不管是前輪的轉(zhuǎn)動，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?？紤]到兩個機(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，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，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，在下落過程中帶動齒輪

9、軸轉(zhuǎn)動，從而使整個小車前進(jìn)。易知，下落過程中，輪子所帶動軸半徑的不同會導(dǎo)致軸轉(zhuǎn)動的速度不同。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，我們加入了可滑動圓錐筒型裝置，即可通過滑動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，

10、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a?150mm，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)A1A2?A3A4?192.47mm；?B1B2?B3B4?144.35mm；?C1C2?C3C4?240.58mm；曲線的長度為A2A3?A4A5?854.40mm；B2B3?B4B5?854.40mm；B2B3?B4B5?854.40mm。3.2自動轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定自動轉(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

11、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)計是否合理，小車能否完成預(yù)計的軌道等實際問題。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A1A2A3A4。前輪自動轉(zhuǎn)向裝置簡圖如圖十一。圖十一：前輪自動轉(zhuǎn)向裝置簡圖又因為前輪轉(zhuǎn)彎時需要行進(jìn)的距離為S2?192.47mm，直線需要行進(jìn)的距離為L2?854.40mm，對應(yīng)的，小車轉(zhuǎn)彎時，齒輪軸上的齒輪z1旋轉(zhuǎn)的角度為?0?33.1?，小車直線時，齒輪z1旋轉(zhuǎn)的角度為?146.9?。此時齒輪z1為不完全齒輪，只有?0?33.1?才有齒。而齒輪

12、軸旋轉(zhuǎn)了33.1°的時候，齒輪z4需要旋轉(zhuǎn)180°。從而傳動比i14?180?5.44。 33.1?由于i14?z1?5.44，傳動比較大，所以加入了齒輪z2和z3，根據(jù)已知的傳動比，為z4了便于加工等原因，求得z1?30;z2?20;z3?54;z4?15。因為?0?33.1?和z1?30，加工不方便也不符合現(xiàn)實，我們進(jìn)行了修正，將z1?33;z2?22;z3?50;z4?15。這樣就考慮到實際情況也滿足預(yù)期的軌跡。我們設(shè)計小車總長度為150mm，而齒輪系的長度以達(dá)到s?z1z2z3z4?16.5?11?25?7.5?60mm，所以連桿和直角桿的總長為90mm，2222我

13、們將在距離齒輪z4中心為5mm的地方裝一個銷釘。所以直角桿水平擺動的距離為所以我們?nèi)∵B桿的長度為30mm，直角桿的一端長度為50mm。 10mm。所以可以得到直角桿另一端的長度為l?5?tan?2?5?tan19.77?15.1mm。差速轉(zhuǎn)向裝置在差速轉(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B1B2B3B4和C1C2C3C4,同時主動階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時，后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個周期長度的距離。 首先，由車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動分析圖，圖十二：車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動分析圖可以得到： 數(shù)學(xué)表達(dá)式：02io1V1r?aW1?V2rW2Woi

14、o2o1Wo io1r?a?ir 得出：o2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)傳動鏈的傳動比。有因為從圖中和我們所選擇的路徑可以得到r?22.5mm，a?7.5mm。 io1r?a5?ir3。 所以我們得到左右側(cè)傳動鏈的傳動比為o2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Z1Z3iiZZ由圖可知左右側(cè)傳動鏈的傳動比o1，o2為2和4的相互組合。即傳動比是變化的。Z1Z25?33Z當(dāng)小車行進(jìn)在第一個轉(zhuǎn)彎口時，1輪的速度小，此時可以得到：4,為了使齒輪能夠夠相互嚙合，有Z1?Z2?Z3?Z4。通過LIN

15、GO軟件進(jìn)行計算，我們得到很多組解。為Z1Z3ZZ了使小車的設(shè)計更加合理，左右側(cè)傳動鏈的傳動比2和4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，太小會因為加工精度的原因產(chǎn)生巨大的誤差。從路徑參數(shù)的選擇中，我們知道了一個周期小車行進(jìn)的總長為S?209.3731mm。我們也知道，在齒輪軸轉(zhuǎn)動一圈的時候，小車前進(jìn)的路程為S?209.3731mm，所以通過選用合Z1Z適的傳動比2，能夠使小車后輪的半徑在一個合理的范圍內(nèi)，綜上所述，最后，我們選擇的是Z1?100;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m?1mm。最后，

16、我們要將小車兩后輪的運(yùn)動軌跡調(diào)整到預(yù)期的水平，實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。即最后需要滿足的是左右兩輪傳動比的相互轉(zhuǎn)換。在一個周期內(nèi)，兩輪的總長度是相同的。在將每一個周期分為兩個部分。對1輪來說，轉(zhuǎn)彎時需要行進(jìn)的距離為S1?144.35mm，直線需要行進(jìn)的距離為L1?854.40mm，此時齒輪軸所轉(zhuǎn)過的角度為180°，并且1輪的速度小于2輪，此時應(yīng)是Z3和Z4嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時Z3對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為?1?26.05?。對2輪來說，轉(zhuǎn)彎時需要行進(jìn)的距離為S3?240.58mm，直線需要行進(jìn)的距離為L3?854.40mm，此時齒輪軸所轉(zhuǎn)過的角度為180°，并且2輪的速度大于1輪，此時應(yīng)是Z1和Z

17、2嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時Z1對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為?2?39.55?。由此分析可知，當(dāng)左右兩階梯齒輪夾角為?2?39.55?時，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;Z2?20;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夾角為?2?39.55?。 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，都必須同時滿足，后輪在轉(zhuǎn)彎的同時，前輪也需要轉(zhuǎn)動。我們從前兩問算出的，得到齒輪z1為不完全齒輪，只有?0?33.1?才有齒（一個周期中有兩個?0?33.1?），而由差速轉(zhuǎn)向知道左右階梯齒輪在安裝時夾角為?2?39.5

18、5?，雖然看起來?與?不同，但是，我們發(fā)現(xiàn)?是?和?的平均值，而通過計00212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15mm，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，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，損耗能量少。（2）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)。（3）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性