無碳小車設(shè)計計劃書

1 無碳小車設(shè)計計劃書 一 緒論 屆競賽命題主題 本屆競賽命題主題為“無碳小車”。命題與高校工程訓練教學內(nèi)容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計能力、制造工藝能力、實際操作能力和工程管理能力”四個方面的要求 。 車功能設(shè)計要求 給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔 1米，放置一個直徑 20 200以小車前行距離的遠近、以及避開障礙的多少來綜合評定 成績。 給定重力勢能為 5焦耳（取 g=10m/競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為 1 50 65 通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 500 2塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。 要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。 小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（ 1個轉(zhuǎn)向輪， 2個驅(qū)動輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計完成。要求滿足：小車上面要裝載一件外形尺 寸為 60 20 質(zhì)量應(yīng)不小于 750 克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于 30 2 車整體設(shè)計要求 小車設(shè)計過程中需要完成：機械設(shè)計、工藝方案設(shè)計、經(jīng)濟成本分析和工程管理方案設(shè)計。命題中的工程管理能力項要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)劃。設(shè)計 能力項要求對參賽作品的設(shè)計具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項以要求綜合運用加工制造工藝知識的能力為主。 車的設(shè)計方法 小車的設(shè)計一定要做到目標明確，通過對命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設(shè)計思路。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 、制造成本等給方面因素。 小車的設(shè)計是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計方法上我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計 、優(yōu)化設(shè)計 、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法。采用了 面是我們設(shè)計小車的流程（如圖一） 3 圖一 二 方案設(shè)計 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行模塊化設(shè)計（車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) 、微調(diào)機構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。下面為我們設(shè)計圖框（圖二） 4 圖二 在選擇方案時應(yīng)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)。 5 圖三 6 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，車架采用木材加工制作成三角底板式。可以通過回收廢木材獲得，已加工。 動機構(gòu) 原動機構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機構(gòu)還有其它的具體要求。 至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。 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。 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。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。 率高。 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構(gòu)。如下圖四 圖四 7 如上圖我們可以通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出的動力。 動機構(gòu) 傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率 高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。 接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。 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。不適合本小車設(shè)計。 構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高。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。 向機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件 已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿 +搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。 凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，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(yù)期往復(fù)運動。 優(yōu)點：只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A(yù)期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難。 在本小車設(shè)計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、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 曲柄連桿 +搖桿 8 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，已獲得較高精度；兩構(gòu)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(gòu)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(shè)計較為復(fù)雜；當給定的運動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏 感性增加；機構(gòu)中做平面復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(gòu)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(gòu)常用于速度較低的場合。 在本小車設(shè)計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構(gòu)并不復(fù)雜，利用 上個鏈接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(diào)機構(gòu)來解決。 曲柄搖桿 結(jié)構(gòu)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(shè)計出較好的機構(gòu)。 差速轉(zhuǎn)彎 差速拐是利用兩個偏 心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障。 差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠的設(shè)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(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） 綜合上面分析我們選擇曲柄連桿 +搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方案。 9 走機構(gòu) 行走機構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。 有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為 對于相同的材料 為一定值。 而滾動摩擦阻力 ，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。 由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。 雙輪同步驅(qū)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(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)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?qū)崿F(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(cè)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(qū)動即只利用 一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅(qū)動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。 10 綜上所述行走機構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當?shù)某叽纾梢匀绻袟l件可以通過實驗來確定實現(xiàn)差速的機構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動。 調(diào)機構(gòu) 一臺完整的機器包括：原動機、傳動機、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿 +搖桿方案，由于曲柄連桿機構(gòu)對于加工誤差 和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調(diào)機構(gòu)，對誤差進行修正。這是采用微調(diào)機構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。 微調(diào)機構(gòu)可以采用下面兩種方式微調(diào)螺母式、滑塊式如圖五 11 圖五 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)的方案而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們設(shè)計了一種機構(gòu)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。 三 技術(shù)設(shè)計 技術(shù)設(shè)計階段的目標是完成詳細設(shè)計確定個零部件的的尺寸。設(shè)計的同時綜合考慮材 料加工成本等各因素。 立數(shù)學模型及參數(shù)確定 通過對小車建立數(shù)學模型，可以實現(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計方案。充分發(fā)揮計算機在輔助設(shè)計中的作用。 耗規(guī)律模型 為了簡化分析，先不考慮小車內(nèi)部的能耗機理。設(shè)小車內(nèi)部的能耗系數(shù)為1 ，即小車能量的傳遞效率為 。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為 ，理想 情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有 3131*g 12 總為了更全面的理解小車的各個參數(shù)變化對小車前進距離的變化下面分 別從 方面考慮。 通過查閱資料知道一般材料的滾動摩阻系數(shù)為 圖為當車輪半徑分別為（ 22270阻系數(shù)分別為 .六） 有上圖六可知滾動摩阻系數(shù)對小車的運動影響非常顯著，因此在設(shè)計小車時也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。 同時可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進的距離也提 高一倍。因此應(yīng)盡可能減少小車內(nèi)部的摩擦損耗，簡化機構(gòu)，充分潤滑。 圖七為當摩阻系數(shù)為 輪半徑依次增加 10 13 圖七 由圖可知當小車的半徑每增加 1m。因此在設(shè)計時應(yīng)考慮盡可能增大輪子的半徑。 動學分析模型 符號說明： 14 驅(qū)動輪半徑 齒輪傳動比 驅(qū)動輪 驅(qū)動輪 驅(qū)動軸（軸 2）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 曲柄軸（軸 1）與轉(zhuǎn)向輪中心距離 曲柄的旋轉(zhuǎn)半徑 搖桿長 連桿長 軸的繩輪半徑 2r 15 a、 驅(qū)動： 當重物下降 ，驅(qū)動軸（軸 2）轉(zhuǎn)過的角度為 2d ，則有 22 則曲柄軸（軸 1）轉(zhuǎn)過的角度 1 小車移動的距離為（以 2 b、轉(zhuǎn)向： 當轉(zhuǎn)向桿與驅(qū)動軸間的夾角 為時，曲柄轉(zhuǎn)過的角度為 1 則 與 1 滿足以下關(guān)： 1221211222 co ss i ns i 與 的函數(shù)關(guān)系式 1 f c、小車行走軌跡 只有 轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度 時，如圖： 則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 1t a n 16 小車行走 程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度 當小車轉(zhuǎn)過的角度為 時，有 c 車其他輪的軌跡 以輪 在小車的運動坐標系中， 0,21 在地面坐標系中，有 s c o s)(2121s o ss o 17 c o ss i ns i nc o ss i n)(c o s)(c o ss i nt o s)s i ns i n()c o 12121112212112222122上述微分方程改成差分方程求解，通過設(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運動軌跡如（圖六） 圖六 力學分析模型 a、驅(qū)動 18 如圖：重物以加速度向下加速運動，繩子拉力為 T ，有)( 產(chǎn)生的扭矩 122 （其中 1 是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)。） 驅(qū)動輪受到的力矩 曲柄輪受到的扭矩 1M ， 驅(qū)動輪 驅(qū)動輪 221 其中 2 是考慮到摩擦產(chǎn)生的影響而設(shè)置的系數(shù)） b、 轉(zhuǎn)向 假設(shè)小車在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向輪受到的阻力矩恒為 其大小可由赫茲公式求得，)11(1222121 由于 241 對于連桿的拉力 有 1 19 21 c o s)c o s1(a r c si n2 cc 12 s o s )s 21 cc c、小車行走受力分析 設(shè)小車慣量為 I ，質(zhì)心在則此時對于旋轉(zhuǎn)中心 O 的慣量為 I )( 2321 （平行軸定理） )()( 21221 小車的加速度為： 2整理上述表達式得： 20 敏度分析模型 小車一旦設(shè)計出來在不改變其參數(shù)的條件下小車的軌跡就已經(jīng)確定，但由于加工誤差和裝配誤差的存在，裝配好小車后可能會出現(xiàn)其軌跡與預(yù)先設(shè)計的軌跡有偏離，需要糾正。其次開始設(shè)計的軌跡也許并不是最優(yōu)的，需要通過調(diào)試試驗來確定最優(yōu)路徑，著同樣需要改變小車的某些參數(shù)。為了得到改變不同參數(shù)對小車運行軌跡的影響，和指導如何調(diào)試這里對小車各個參數(shù)進行靈敏度分析。通過 幅值 周期 方向 21 i b 柄半徑d 向桿的長 桿長度 參數(shù)確定 單位： m 轉(zhuǎn)向輪與曲柄軸軸心距 b=搖桿長 c=驅(qū)動輪直徑 D=驅(qū)動輪 動輪 驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪的距離 d=曲柄長 繩輪半徑 22 部件設(shè)計 需加工的零件： a驅(qū)動軸 6061空心鋁合金管 。 外徑 6徑 3mm b車輪 聚甲醛板（ 。 厚度： 8格尺寸： 600*1200 a單向離合器軸承 2個 型號 型尺寸 (d D ) 6 10 b 個： 23 c調(diào)心球軸承 1個 軸承代號 d D B 135 5 19 6 d深溝球軸承 1個 型號 內(nèi)徑 (d) 外徑 (D) 8 24 d圓柱直齒輪 1對 小齒輪： 模數(shù) =1， 齒 數(shù) =15， 外徑 =17內(nèi)孔 =3 厚度： 齒輪： 模數(shù) =1， 齒數(shù) =45，外徑 =47徑 =10 厚度 =10質(zhì) ：夾布塑料 體設(shè)計 體裝配圖 25 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 見視頻。 四 小車制作調(diào)試及改進 車制作流程 詳見工藝分析方案報告 車調(diào)試方法 小車的調(diào)試是個很重要的過程，有了大量的理論依據(jù)支撐，還必須用大量的實踐去驗證。小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容，如車速的快慢，繞過障礙物，小車整體的協(xié)調(diào)性，小車前進的 距離等。 26 （ 1）小車的速度的調(diào)試：通過小車在指定的賽道上行走，測量通過指定點的時間，得到多組數(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗，發(fā)現(xiàn)小車后半程速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動軸，減小過大的驅(qū)動力同時也增大了小車前進的距離。 （ 2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個機構(gòu)相對來說較簡單，損耗能量較少，但是避障不是很好，但與此同時，小車由于設(shè)計時采用了多組微調(diào)機構(gòu)，通過觀察小車在指定賽道上行走時避障的特點，微調(diào)螺母，慢慢小車避障性能改善，并做好標記。 車改進方法 由于本組小車采用膠水黏 貼各處，雖然少了許多的加工成本費用，也避免了能量的過多損耗，但小車會有時出現(xiàn)脫膠的現(xiàn)象，導致無法前進，于是想法改進，使小車能量損失減少，同時故障出現(xiàn)的次數(shù)減少，穩(wěn)定性能較好，避障多，前進遠。 另外，本組采用微調(diào)機構(gòu)，但通過計算編程發(fā)現(xiàn)要求精度非常高，是想法改進使小車精度降低，加工成本也減低。 五 評價分析 車優(yōu)缺點 優(yōu)點：（ 1）小車機構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少， （ 2）多處采用微調(diào)機構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物， （ 3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行 走距離遠， （ 4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過快， 缺點： 小車精度要求高，使得加工零件成本高，以及微調(diào)各個機構(gòu)都很費時，避障穩(wěn)定行差，時而偏左，時而偏右。 27 動行走比賽時的前行距離估計 通過理論與實踐結(jié)合，小車行走距離（包括繞開障礙物）約 20。 進方向 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(diào)整簡單，小車便能達到很好的行走效果。 六 參考文獻 28 七 附錄 配圖 29 30 31 32 能分析程序 符號定義 %重物下降 的高度 h %小車行駛的路程 s %內(nèi)部能耗系數(shù) n=10000; h=000; ,n); 11/5/m=1; g=; .5/i=1:10 % 0.1*i+%+0.2*i; 1+20/2+20/s=m*h/(1/)* s=s/s); on on ); 33 動學分析程序 符號定義 %重物下降的高度 h %驅(qū)動軸轉(zhuǎn)過角度 驅(qū)動軸傳動比 轉(zhuǎn)向輪軸心距 b %轉(zhuǎn)向桿的長 c %轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過的角度 驅(qū)動輪半徑 R %驅(qū)動輪 驅(qū)動輪 驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪的距離 d %小車行駛的路程 s %小車 x %小車 y %軌跡曲率半徑 曲柄半 徑 繩輪半徑 參數(shù)輸入 n=1000; h=,0.5,n); ; b=R=%驅(qū)動輪 a1 %驅(qū)動輪 a2 %曲柄半徑 r1 %繩輪半徑 34 %驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪的距離 d d=%轉(zhuǎn)向桿的長 c c=l=b2+)+(1000; %算法 g=h/ii+; C=l2-2*c2.*(.2-(.2; A=2.*c.*(; B=-2*c2; af=./.2+B.2)./A); d)./(; s=; ds=s(2); ( bd= dy=ds* ds* x= y= xb=x-(a1+* yb=y-(a1+* xc=d* yc=d* x,y,b,xb,b,xc,m); on on i=1:9 t=0:*t)t)+i; xy, 35 力學分析程序 n=1000; h=,0.5,n); ; b=R=%驅(qū)動輪 a1 %驅(qū)動輪 a2 %曲柄半徑 r1 %繩輪半徑 r2 %驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪的距離 d d=%轉(zhuǎn)向桿的長 c c=l=b2+)+(1000; %算法 g=h/ii+; C=l2-2*c2.*(.2-(.2; A=2.*c.*(; B=-2*c2; af=./.2+B.2)./A); d)./(; s=; ds=s(2); ( 36 bd= dy=ds* ds* x= y= xb=x-(a1+* yb=y-(a1+* xc=d* yc=d* 動力學分析 %參數(shù)輸入 %重物質(zhì)量 m=1; %小車總質(zhì)量 ; .8*; %小車慣量 I=mc*; +m*(2+); %傳動效率 % %前輪半徑 %前輪寬度 B=2/1000; %彈性模量 00*10000000