無碳小車功能設(shè)計(jì)要求

小車功能設(shè)計(jì)要求無碳小車走“8”字形越障的設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)布置方案無碳小車示意圖1.2功能設(shè)計(jì)要求以重力勢能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車。給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)（長1525mm、寬1370mm）上，繞相距400mm距離的兩個(gè)障礙沿8字形軌跡繞行，繞行時(shí)不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺(tái)。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個(gè)圓棒，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來綜合評定成績。見下圖二：圖二小車?yán)@行所用乒乓球臺(tái)及障礙設(shè)置圖給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2）,用質(zhì)量為1Kg的重塊（50X65mm,普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，重物須被小車承載，并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。要求小車在前行過程中完成的一切動(dòng)作所需的能量均由重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可用任何其他的能量形式。小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)以及材料選用均由學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成。二方案設(shè)計(jì)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(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（五部分分別為：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)）。2.1車架車架由于不需要承受太大的重力勢能，所以其對強(qiáng)度要求不高。在考慮到整理成本和加工的難易程度后，由于鋁板密度小，強(qiáng)度對于整理小車也足夠，同時(shí)易于加工，所以車架采用鋁條焊接鋁板加工整理成底板，即方便也經(jīng)濟(jì)。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能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。我們設(shè)想使用飛輪作為儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，小車對原動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)有這些要求。1.驅(qū)動(dòng)力適中，不會(huì)使小車拐彎時(shí)因速度過大而是離心力增大導(dǎo)致小車傾翻，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。2.小車在到達(dá)終點(diǎn)前重物豎直方向上的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖量。同時(shí)使重物的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，假如重塊豎直方向的速度較大，重物本身還有較多動(dòng)能未釋放出來，能量利用率不高，將減小小車的行程。3.由于小車在不同的場地時(shí)，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驅(qū)動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力剛好合適。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)簡單，能量損耗越小，能量利用率越高，則效率高。所以我選用了錐形的繞線輪原動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣就可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)力。通過調(diào)節(jié)繞線輪兩端半徑，繞線位置的粗細(xì)就可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)力的大小。2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是傳遞運(yùn)動(dòng)，就是把動(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)并且按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)提高傳遞效率高、保證傳動(dòng)穩(wěn)定、并且使其結(jié)構(gòu)簡單重量輕等同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)性和加工難易程度。最后綜合各方面的因素，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如下：不用額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)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)最簡單可減少小車的質(zhì)量。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。但是在此處不適合作小車的傳動(dòng)。帶輪是一種繞性傳動(dòng)。帶輪的結(jié)構(gòu)簡單，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但是帶輪的傳遞效率效率及傳動(dòng)精度并不高。小車的傳動(dòng)精度要求很高，所以帶輪不適合作本小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)格較高，制造與安裝精度要求高，價(jià)格昂貴，且不能用于傳動(dòng)距離較大的場合，分為開式齒輪、半開式齒輪以及閉式齒輪。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)。綜上的分析，小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用齒輪傳動(dòng)為最優(yōu)，可保證傳遞的平穩(wěn)性，同時(shí)也能保證傳遞精度，是這幾種傳動(dòng)方式中最好的。2.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本無碳小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能能否實(shí)現(xiàn)，是小車設(shè)計(jì)中的核心。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，這樣才能減少能量損耗，增加能量的利用率，同時(shí)要保證盡量使結(jié)構(gòu)簡單機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，在機(jī)構(gòu)中所損失的能量就越多，零部件已獲得等基本條件，同時(shí)小車還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回周期性的擺動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪向左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避物障的功能。能實(shí)現(xiàn)此種功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿+曲柄、曲柄連桿+搖桿、不完全齒輪+曲柄+搖桿，差速轉(zhuǎn)彎等等，棘形輪機(jī)構(gòu)。凸輪凸輪是一個(gè)具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，凸輪通常為主動(dòng)件作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，但也可作往復(fù)擺動(dòng)或者移動(dòng)，它與推桿配合是想轉(zhuǎn)向。它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這取決于凸輪的形狀。凸輪機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)：只要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，就可使推桿得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且響應(yīng)快，機(jī)構(gòu)簡單緊湊、設(shè)計(jì)方便；曲柄搖桿曲柄搖桿結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有個(gè)滑動(dòng)的摩擦副，因此其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出比較好的機(jī)構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎差速轉(zhuǎn)彎是利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，因?yàn)閮奢喿拥慕撬俣纫粯拥D(zhuǎn)動(dòng)半徑不一樣，從而使兩個(gè)輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實(shí)現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)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(jù)需要來調(diào)整輪子的尺寸。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的）綜合分析后選擇凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿機(jī)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。2.5行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)為一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)從動(dòng)輪和一個(gè)轉(zhuǎn)向輪，輪子的厚薄，材料和大小有不同，應(yīng)充分考慮。因小車是沿著曲線前進(jìn)的，所以后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。對于后輪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)一定要有有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦系數(shù)遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦的大，會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過多的約束，將無法確定其軌跡，不能夠有效避免障礙物。雙輪差速驅(qū)動(dòng)能避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或者單向軸承來實(shí)現(xiàn)差速驅(qū)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是其中一個(gè)輪子速度較大的便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著做主動(dòng)輪。但由于單向軸承間存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過程中會(huì)出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，是否會(huì)對小車的功能產(chǎn)生影響還需進(jìn)一步分析。單輪驅(qū)動(dòng)即只利用其中一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)作為導(dǎo)向輪，另一個(gè)則為從動(dòng)輪。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速是依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束來確定的。其效率比利用差速器要高，但前進(jìn)速度卻不如差速器穩(wěn)定，傳動(dòng)精度也比利用單向軸承高。確定軌跡線

圖中黃色圖線即為軌跡線軌跡由四段組成，兩端圓弧和兩端余弦曲線。大圓弓瓜余弦曲線小圓弧余弦曲線周長（mm）722.566541.997345.575541.997直徑（mm）460/220/計(jì)算余弦曲線的方法，設(shè)"=二」=-+二二二當(dāng)胃=0時(shí)，.■-=C，.+當(dāng)胃=400時(shí)，「= =I丁。.求得，a=0,b=170。所以余弦曲線方程為_90其中'-二二？

根據(jù)小車軌跡線及其尺寸，得出最大轉(zhuǎn)角為31.44°差速轉(zhuǎn)彎定出凸輪半徑R=20mm根據(jù)個(gè)段孤長中所占的比例酸楚各個(gè)圓弧在凸輪上所對應(yīng)的角度范圍。近休止角推程角遠(yuǎn)休止角回程角角度范圍0-57.8157.81-148.47148.47-269.34269.34-360求出凸輪推程和回程曲線的極坐標(biāo)方程，設(shè)：=?口+上二（圭+由）當(dāng)胃p:rs=57.81擄鐮訛會(huì)壬蛾=a+b=20求得a