無碳小車設(shè)計方案1

廣州大學(xué)第一屆工程訓(xùn)練綜合能力競賽無碳小車2012.11.8目錄TOC\t"樣式1,1,樣式2,2"\h17184緒論 323684一、目的 328131二、主題與內(nèi)容 329458設(shè)計方案 6464一、車架 623592二、原動機(jī)構(gòu) 721782三、傳動機(jī)構(gòu) 816217四、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 831387五、行走機(jī)構(gòu) 912071六、微調(diào)機(jī)構(gòu) 98512技術(shù)設(shè)計 95036一、建立數(shù)學(xué)模型與參數(shù)確定： 914959二、零件設(shè)計： 12緒論目的工程訓(xùn)練綜合能力競賽的目的在于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計能力和協(xié)作精神，加強(qiáng)學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練。主題與內(nèi)容本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。參賽隊伍最終制作完成一輛由重力驅(qū)動的機(jī)械式小車，按照規(guī)則完成比賽。1.競賽主題：本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在比賽現(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。2.競賽命題：以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車設(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），競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（￠50×65mm，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。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。要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。3.競賽項目：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。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攜帶制作完成的作品，在集中比賽現(xiàn)場，加載由競賽組委會統(tǒng)一提供的勢能重塊（￠50×65mm普通碳鋼，質(zhì)量為1Kg），在指定的賽道上進(jìn)行比賽，賽道寬度為2米，賽道邊界線是40mm。出發(fā)端線距第一個障礙及障礙與障礙之間的間距均為1米。小車出發(fā)時不準(zhǔn)超過出發(fā)端線和賽道邊界線，小車位置及角度自定，每隊有2次機(jī)會，計算時取2次成績中的最好成績。機(jī)構(gòu)設(shè)計方案車架a.三角形b.矩形c.三角形和矩形綜合型原動機(jī)構(gòu)a.繩輪b.帶輪c.鏈輪傳動機(jī)構(gòu)a.齒輪b.帶輪c.鏈輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)a.凸輪加連杠b.豎立齒輪加連杠c.橫臥齒輪加連杠行走機(jī)構(gòu)a.雙輪同步驅(qū)動b.雙輪差速驅(qū)動微調(diào)機(jī)構(gòu)a.螺母b.鍵槽設(shè)計方案通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進(jìn)行模塊化設(shè)計（車架、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。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，車架采用鋁板加工制作成。其中三角形結(jié)構(gòu)緊湊但不能攜帶落下的重物、矩形結(jié)構(gòu)平穩(wěn)但材料浪費(fèi)且增加小車自重，而三角形和矩形綜合能匯集三角形和矩形的優(yōu)點(diǎn)同時又避免了主要缺點(diǎn)，因此選用三角形和矩形綜合型。原動機(jī)構(gòu)原動機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。小車對原動機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機(jī)構(gòu)簡單，效率高。而帶輪和鏈輪適用于電機(jī)作為動力的機(jī)構(gòu)中。基于以上分析我們選擇繩輪式原動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。因鏈輪傳動成本較高且傳動的平穩(wěn)性差，加工復(fù)雜，因此不適合小車的設(shè)計。帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動精度并不高因此不適合本小車設(shè)計。齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定且塑料此輪成本較低。因此選擇使用齒輪傳動。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)這次的比賽主要是繞距離1米的桿行走，所以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在這次的設(shè)計中起著至關(guān)的作用。而在我們的討論中，我們主要推出了三個方案：a.凸輪加連杠b.豎立齒輪加連杠c.橫臥齒輪加連杠對于a方案，我們認(rèn)為凸輪可以隨著所需而加工成不同的形狀，這樣就可以準(zhǔn)確定位小車的行走路徑。但是該方案的設(shè)計難度與加工難度過高，實(shí)際操作難以實(shí)現(xiàn)，因此我們排除a方案。對于b方案，我們認(rèn)為這方案適合于小車行走規(guī)則路線，而且零件可以采用國標(biāo)。總體上比a方案要合適。但是由于豎立擺放齒輪會造成上擺與下擺的誤差。因此我們在b方案的前提下提出了c方案的更改。最終確定采用c方案。行走機(jī)構(gòu)對于無碳小車的行走機(jī)構(gòu)，我們提出以下兩個方案：a.雙輪差速驅(qū)動b.雙輪同步驅(qū)動對于a方案，由于滾動摩擦小于滑動摩擦，兩輪差速驅(qū)動可以減少地面對車輪的摩擦力，然而b方案中的兩輪同步驅(qū)動雖然是會提高地面對車輪的摩擦力，但是因?yàn)闇p少了差速裝置，也同時使內(nèi)部摩擦減少。總體而言，b方案收到的摩擦力影響較少，所以我們采取b方案。微調(diào)機(jī)構(gòu)對于微調(diào)機(jī)構(gòu)，我們小組提出了：a.螺母b.鍵槽但是對于我們小車的調(diào)整，我們認(rèn)為鍵槽的可調(diào)性更大，更方便于我們在測試小車時的調(diào)整，以及使我們的調(diào)整空間更大。技術(shù)設(shè)計建立數(shù)學(xué)模型與參數(shù)確定：運(yùn)動學(xué)分析模型：建立坐標(biāo)系，小車的移動軌跡為余弦函數(shù)：微分求的小車一個周期行走路程為：，,經(jīng)測量，得到路程大概數(shù)值為2500mm左右。通過小車的設(shè)計圖可以算出：=7整理以上方程式得：動力學(xué)分析模型：重物對小車的拉力為：拉力力矩為：，為考慮到摩擦對拉力帶來損失而設(shè)的一個系數(shù)。由，為曲柄輪受到的扭矩，驅(qū)動輪受到的力矩。又因?yàn)?，為?qū)動輪受到的壓力，為驅(qū)動輪受到的驅(qū)動力。整理以上方程式得：零件設(shè)計：需購買零件：六角軸、車輪、齒輪、軸套、繩輪、螺栓、圓軸、墊圈、螺桿需加工：前輪支架、帶輪支架、車架、轉(zhuǎn)向連桿、轉(zhuǎn)向桿、支撐架支撐架將鋁板切割成62×40在18mm處彎折鋁板成90°根據(jù)工程圖進(jìn)行鉆孔轉(zhuǎn)向桿將鋁板切割成60×10根據(jù)工程圖在指定位置鉆孔用鉆床鉆出5×25通槽用銑床銑通槽，表面粗糙度為12.5μm轉(zhuǎn)向連桿將鋁板切割成39×158再將鋁板切割成如圖根據(jù)工程圖在指定位置鉆孔用鉆床鉆出5×39通槽用銑床銑通槽，表面粗糙度為12.5μm帶輪支架1、將鋁板切割成89×6