S型無(wú)碳小車設(shè)計(jì)論文說(shuō)明書(shū)

目錄 一 緒論 1.1 本屆競(jìng)賽命題主題 1.2 小車功能設(shè)計(jì)要求 1.3 小車整體設(shè)計(jì)要求 1.4 小車的設(shè)計(jì)方法 二 方案設(shè)計(jì) 2.1 路徑的選擇 2.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置 2.2.1 前輪轉(zhuǎn)向裝置 2.2.2 差速轉(zhuǎn)向裝置 2.2.3 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(jì) 3.1 路徑參數(shù)的確定 3.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定 3.2.1 前輪轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定 3.2.2 差速轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定 3.2.3 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(píng)價(jià)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(jìng)賽命題主題 本屆競(jìng)賽命題主題為“無(wú)碳小車”。要求經(jīng)過(guò)一定的前期準(zhǔn)備后，在集中比賽現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)行考核。每個(gè)參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理 4 項(xiàng)成績(jī)考核作業(yè)。 1.2 小車功能設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)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(shì)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。給定重力勢(shì)能為 4 焦耳（取 g=10m/s2），比賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為 1Kg 的重塊（ 50 65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來(lái)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(dòng)，不允許從小車上掉落。圖 1 為小車示意圖。 圖 1： 無(wú)碳小車示意圖 競(jìng)賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑 20mm、高 200mm 的多個(gè)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(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。見(jiàn)圖 2。 圖 2： 無(wú)碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖 1.3 小車整體設(shè)計(jì)要求 無(wú)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(wèn)題的能力。并在設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來(lái)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(jìng)賽場(chǎng)地。 3.要求小車為三輪結(jié)構(gòu) 4. 小車有效的繞障方法為 ：小車從賽道一側(cè)越過(guò)一個(gè)障礙后，整體穿過(guò)賽道中線且障礙物不被撞倒（擦碰障礙，但沒(méi)碰倒者，視為通過(guò)）；重復(fù)上述動(dòng)作，直至小車停止。 1.4 小車的設(shè)計(jì)方法 首先，小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，作品的設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過(guò)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?cè)O(shè)計(jì)的小車主要利用齒輪傳動(dòng)，因?yàn)辇X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(dòng)達(dá)到目的。 二 方案設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)小車的功能分析，小車 需要完成自動(dòng)避開(kāi)障礙物，驅(qū)動(dòng)自身行走，重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換功能。所以我們將小車的設(shè)計(jì)分為以下部分，路徑的選擇，自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置和車架部分。 2.1 路徑的選擇 因?yàn)楦?jìng)賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑 20mm、高 200mm 的多個(gè)圓棒，沿直線等距離擺放。為了在通過(guò)障礙物時(shí)，行進(jìn)的距離更短，設(shè)計(jì)了如圖 3 的路徑。即以擺線的方法通過(guò)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(wú)碳小車路徑 2.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置 為了能更好的讓小車在預(yù)計(jì)的軌道上行駛，小 車的自動(dòng)轉(zhuǎn)向需要考慮到前輪的自動(dòng)轉(zhuǎn)向和后輪的差速轉(zhuǎn)向。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置和差速轉(zhuǎn)向裝置。 2.2.1 前輪轉(zhuǎn)向裝置 通過(guò)重物的下落，帶動(dòng)齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，利用齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，實(shí)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)效益的原因，為了能實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，需在齒輪的帶動(dòng)下加入一個(gè)定軸齒輪系。在定軸輪系中，其中的一個(gè)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(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)桿在水平方向上的來(lái)回?cái)[動(dòng)。直角桿的另一端固定在前輪上，這樣隨著隨著直角桿的來(lái)回?cái)[動(dòng)就可 以實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。前輪轉(zhuǎn)向示意圖如 圖四 。其實(shí)，前輪轉(zhuǎn)向裝置分為兩部分，一部分為 齒輪的傳動(dòng)達(dá)到一定的傳動(dòng)比，令一部分為齒輪所帶動(dòng)的水平滑動(dòng)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(gè)滑塊，是為了能讓直角桿做水平運(yùn)功。在齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)候，小車行進(jìn)一個(gè)周期，轉(zhuǎn)彎兩次，即直角桿完成一次前后擺動(dòng)即可。并且需要在拐彎時(shí)直角桿擺動(dòng)，在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，直角桿不動(dòng)。小車前輪不轉(zhuǎn)彎。 2.2.2 差速轉(zhuǎn)向裝置 我們知道，小車在以弧線段 轉(zhuǎn)彎的過(guò)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?cè)O(shè)計(jì)了差速轉(zhuǎn)向裝置。并且，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，加入了差速轉(zhuǎn)向就會(huì)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(dòng)階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)，后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個(gè)周期長(zhǎng)度的距離。 2.2.3 小結(jié) 不管是前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，還是差速轉(zhuǎn) 向，單獨(dú)來(lái)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(gè)機(jī)構(gòu)都加入了小車中。誠(chéng)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(duì)轉(zhuǎn)向裝置的精度?？紤]到兩個(gè)機(jī)構(gòu)的組合會(huì)使能量損耗增加，但我們利用的都是齒輪傳動(dòng)，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(dòng)，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(wèn)題。 為了 減少能量的損耗，我們利用定滑輪，在下落過(guò)程中帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使整個(gè)小車前進(jìn)。易知，下落過(guò)程中，輪子所帶動(dòng)軸半徑的不同會(huì)導(dǎo)致軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)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(shí)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(dòng)圓錐筒型裝置，即可通過(guò)滑動(dòng)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，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 mmR 300 ，小車的寬度為 mma 150 ，小車轉(zhuǎn)角 7582.36 ，經(jīng)過(guò)MATLAB 擬合 的曲線 如圖十。 軌跡方程為 對(duì)方程求積分，得到曲線的長(zhǎng)度為 mmAAAA 47.19 24321 ) ； mmBBBB 35.1 4 44321 ； mmCCCC 58.2 4 04321 ； 曲線的長(zhǎng)度為 mmAAAA 40.8 5 45432 ； mmBBBB 40.8 5 45432 ； mmBBBB 40.8 5 45432 。 3.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定 自動(dòng)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(jì)是否合理，小車能否完成預(yù)計(jì)的軌道等實(shí)際問(wèn)題。這里，我們假設(shè)齒輪軸每轉(zhuǎn)一周，小車行進(jìn)一個(gè)周期。 3.2.1 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4321 AAAA。前輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置簡(jiǎn)圖如圖十一。 圖十一：前輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置簡(jiǎn)圖 又因?yàn)榍拜嗈D(zhuǎn)彎時(shí)需要行進(jìn)的距離為 mmS 47.1922 ，直線需要行進(jìn)的距離為mmL 40.8542 ，對(duì)應(yīng)的，小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，齒輪軸上的齒輪 1z 旋轉(zhuǎn)的角度為 1.330 ，小車直線時(shí)，齒輪 1z 旋轉(zhuǎn)的角度為 9.146 。此時(shí)齒輪 1z 為不完全齒輪，只有 1.330才有齒。而齒輪軸旋轉(zhuǎn)了 33.1 的時(shí)候，齒輪 4z 需要旋轉(zhuǎn) 180 。從而傳動(dòng)比44.51.3318014 i 。 由于 44.54114 zzi，傳動(dòng)比較大，所以加入了齒輪 2z 和3z，根據(jù)已知的傳動(dòng)比，為了便于加工等原因，求得 15；54；20；304321 zzzz。因?yàn)?1.330和 301 ，加工不方便也不符合現(xiàn)實(shí)，我們進(jìn)行了修正，將 15；50；22；334321 zzzz。這樣就考慮到實(shí)際 情況也滿足預(yù)期的軌跡。 我 們 設(shè) 計(jì) 小 車 總 長(zhǎng) 度 為 150mm ， 而 齒 輪 系 的 長(zhǎng) 度 以 達(dá) 到mmzzzzs 605.725115.162222 4321 ，所以連桿和直角桿的總長(zhǎng)為 90mm，所以我們?nèi)∵B桿的長(zhǎng)度為 30mm，直角桿的一端長(zhǎng)度為 50mm。 我們將在距離齒輪 4z 中心為 5mm 的地方裝一個(gè)銷釘。所以直角桿水平擺動(dòng)的距離為10mm。所以可以得到直角桿另一端的長(zhǎng)度為 mml 1.1577.19t a n52t a n5 。 3.2.2 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 4321 BBBB 和 4321 CCCC ,同時(shí)主動(dòng)階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)，后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個(gè)周期長(zhǎng)度的距離。 首先，由車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)分析圖， 圖十二：車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)分析圖 可以得到： 數(shù)學(xué) 表達(dá)式：211022121oooooiiiWiWWWrarVV 得出： rariioo 21式中， oW 表示齒輪軸的轉(zhuǎn)速， 1W 和 2W 分別表示左右兩輪的轉(zhuǎn)速。 1oi 和 2oi 分別表示左右側(cè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比。有因?yàn)閺膱D中和我們所選擇的路徑可以得到 mmr 5.22 ，mma 5.7 。 所以我們得到左右側(cè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比為 3521 r ariioo。 之 后，進(jìn)行齒輪的分析。后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡(jiǎn)圖如圖十三。 圖十三：后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡(jiǎn)圖 由圖可知左右側(cè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比 1oi ， 2oi 為 21ZZ和 43ZZ的相互組合。即傳動(dòng)比是變化的。 當(dāng)小車行進(jìn)在第一個(gè)轉(zhuǎn)彎口 時(shí)， 1 輪的速度小，此時(shí)可以得到：354321ZZZZ,為了使齒輪能夠夠相互嚙合，有 4321 ZZZZ 。通過(guò) LINGO 軟件 進(jìn)行計(jì)算，我們得到很多組解。為了使小車的設(shè)計(jì)更加合理，左右側(cè)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比 21ZZ和 43ZZ不能太大，太大會(huì)導(dǎo) 致在相同模數(shù)條件下 1Z 和 3Z 的齒數(shù)過(guò)大，也不能太小，太小會(huì)因?yàn)榧庸ぞ鹊脑虍a(chǎn)生巨大的誤差。從路徑參數(shù)的選擇中，我們知道了一個(gè)周期小車行進(jìn)的總長(zhǎng)為 mmS 3731.209 。我們也知道，在齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)候，小車前進(jìn)的路程為 mmS 3731.209 ，所以通過(guò)選用合適的傳動(dòng)比 21ZZ，能夠使小車后輪的半徑在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，綜上所述，最后，我們選擇的是 mmRZZZZ 3.83；30；90；20；100 4321 輪，為了減小齒輪的半徑，以上所有的齒輪模數(shù)都為 mmm 1 。 最后，我們要將小車兩后輪的運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)整到預(yù)期的水平，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。即最后需要滿足的是左右兩輪傳動(dòng)比的 相互轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，兩輪的總長(zhǎng)度是相同的。在將每一個(gè)周期分為兩個(gè)部分。對(duì) 1 輪來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)彎時(shí)需要行進(jìn)的距離為 mmS 35.1441 ，直線需要行進(jìn)的距離為 mmL 40.8541 ，此時(shí)齒輪軸所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 180，并且 1 輪的速度小于 2輪，此時(shí)應(yīng)是 3Z 和 4Z 嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時(shí) 3Z 對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為 05.261 。對(duì) 2 輪來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)彎時(shí)需要行進(jìn)的距離為 mmS 58.2403 ，直線需要行進(jìn)的距離為 mmL 40.8543 ，此時(shí)齒輪軸所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 180，并且 2 輪的速度大于 1 輪， 此時(shí)應(yīng)是 1Z 和 2Z 嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時(shí) 1Z 對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為 55.392 。由此分析可知，當(dāng)左右兩階梯齒輪夾角為 55.392 時(shí)，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 mmRZZZZ 3.83；30；90；20；100 4321 輪，模數(shù) mmm 1 ， 1Z 和 2Z 為不完全齒，左右階梯齒輪在安裝時(shí)夾角為 55.392 。 3.2.3 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(shí)滿足，后輪在轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，前輪也需要轉(zhuǎn)動(dòng)。我們從前兩問(wèn)算出的，得到齒輪 1z 為不完全齒輪，只有 1.330才有齒（一個(gè)周期中有兩個(gè) 1.330），而由差速轉(zhuǎn)向知道左右階梯齒輪在安裝時(shí)夾角為 55.392 ，雖然看起來(lái)0與2不同，但是，我們發(fā)現(xiàn)0是1和2的平均值，而通過(guò)計(jì)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(zhǎng)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(jì)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(zhǎng)為 130mm，上底長(zhǎng)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(guò)嚙合帶動(dòng)的，誤差不會(huì)太大，且穩(wěn)定性較高。而前輪轉(zhuǎn)向裝置中，是受桿的帶動(dòng)，受到桿長(zhǎng)和外界的影響較大，而前輪轉(zhuǎn)向裝置對(duì)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(zhǎng)，調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)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(píng)價(jià)分析 5.1 小車優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：（ 1）小車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，單級(jí)齒輪傳動(dòng)，損耗能量少。 （ 2）采用大的驅(qū)動(dòng)輪，滾阻系數(shù)小