S型無碳小車設計說明書

1、 . 目錄一 緒論1.1本屆競賽命題主題1.2小車功能設計要求1.3小車整體設計要求1.4 小車的設計方法二 方案設計2.1 路徑的選擇2.2自動轉(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 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

2、評價分析5.1小車優(yōu)缺點5.2 小車的改進方向六 附錄一 緒論1.1本屆競賽命題主題本屆競賽命題主題為“無碳小車”。要求經(jīng)過一定的前期準備后，在集中比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。每個參賽作品要提交相關(guān)的設計、工藝、成本分析和工程管理4項成績考核作業(yè)。1.2小車功能設計要求設計一種小車，驅(qū)動其行走與轉(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動，不允許

3、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賽道上設置的障礙物。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小車整體設計要求 無碳小車體現(xiàn)了大學生的創(chuàng)新能力，制作加工能力，解決問題的能力。并在設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)向控制機構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應

4、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）；重復上述動作，直至小車停止。1.4小車的設計方法首先，小車的設計一定要做到目標明確，作品的設計需要有系統(tǒng)性規(guī)性和創(chuàng)新性。設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，我們設計的小車主要利用齒輪傳動，因為齒輪的能量利用率達到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，所以也能運用齒輪傳動達到目的。二 方案設計 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)

5、動自身行走，重力勢能的轉(zhuǎn)換功能。所以我們將小車的設計分為以下部分，路徑的選擇，自動轉(zhuǎn)向裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置和車架部分。2.1路徑的選擇因為競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。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，行進的距離更短，設計了如圖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。所以我們設計了自動轉(zhuǎn)向裝置和差速轉(zhuǎn)向裝置。2.2.1前輪轉(zhuǎn)向裝置通過重物的

6、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)濟效益的原因，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到一定的傳動比，令一部分為齒輪所帶動的水平滑動機構(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

7、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功。在齒輪軸轉(zhuǎn)動一圈的時候，小車行進一個周期，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，在直線運動時，直角桿不動。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)彎的過程中，兩后輪的速度是不一樣的，為了能讓小車按照預期的軌道行駛，我們設計了差速轉(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，主要是運用兩階梯齒輪相互嚙合，在直線行進中，階梯齒輪的嚙合一樣，在擺線行進中，階梯齒輪的嚙合正好相反。而齒輪軸上的

8、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行。主動階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時，后輪輪子行進的距離應是一個周期長度的距離。2.2.3小結(jié)不管是前輪的轉(zhuǎn)動，還是差速轉(zhuǎn)向，單獨來看都可以滿足預期的軌跡。但是，為了減少能量的損耗，軌跡的精確性，我們把兩個機構(gòu)都加入了小車中。誠然，差速轉(zhuǎn)向?qū)C構(gòu)的精度要求很高，這就使轉(zhuǎn)向裝置的零件加工費用增加，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，前輪主要負責轉(zhuǎn)向，后輪主要負責驅(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的更遠

9、，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軸轉(zhuǎn)動，從而使整個小車前進。易知，下落過程中，輪子所帶動軸半徑的不同會導致軸轉(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的路程達到最大。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，使小車行進的路程達到最大。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

10、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，為了能讓小車行進的更遠，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，小車的寬度為，小車轉(zhuǎn)角，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； 曲線的長度為；。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計是否合理，小車能否完成預計的軌道等實際問題。這里，我們假設齒輪軸每轉(zhuǎn)一周，小車行進一個周期。3.2

11、.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，我們把前輪安裝在車架中間，則行進的軌跡為。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)彎時需要行進的距離為，直線需要行進的距離為，對應的，小車轉(zhuǎn)彎時，齒輪軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)的角度為，小車直線時，齒輪旋轉(zhuǎn)的角度為。此時齒輪為不完全齒輪，只有才有齒。而齒輪軸旋轉(zhuǎn)了33.1°的時候，齒輪需要旋轉(zhuǎn)180°。從而傳動比。由于，傳動比較大，所以加入了齒輪和，根據(jù)已知的傳動比，為了便于加工等原因，求得。因為和，加工不方便也不符合現(xiàn)實，我們進行了修正，將。這樣就考慮到實際情況也滿足預期的軌跡。我們設

12、計小車總長度為150mm，而齒輪系的長度以達到，所以連桿和直角桿的總長為90mm，所以我們?nèi)∵B桿的長度為30mm，直角桿的一端長度為50mm。我們將在距離齒輪中心為5mm的地方裝一個銷釘。所以直角桿水平擺動的距離為10mm。所以可以得到直角桿另一端的長度為。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中，階梯齒輪的嚙合一樣，在擺線行進中，階梯齒輪的嚙合正好相反，并且兩后輪所行進的軌跡滿足曲線和,同時主動階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時，后輪輪子行進的距離應是一個周期長度的距離。首先，由車輪轉(zhuǎn)彎運動分析圖，圖十二：車輪轉(zhuǎn)彎運動分析圖可以得到：數(shù)學表達式：得出：式中，表示齒輪軸的轉(zhuǎn)速，和分別表示左

13、右兩輪的轉(zhuǎn)速。和分別表示左右側(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，。所以我們得到左右側(cè)傳動鏈的傳動比為。之后，進行齒輪的分析。后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡圖如圖十三。圖十三：后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡圖由圖可知左右側(cè)傳動鏈的傳動比，為和的相互組合。即傳動比是變化的。當小車行進在第一個轉(zhuǎn)彎口時，1輪的速度小，此時可以得到：,為了使齒輪能夠夠相互嚙合，有。通過LINGO軟件進行計算，我們得到很多組解。為了使小車的設計更加合理，左右側(cè)傳動鏈的傳動比和不能太大，太大會導致在一樣模數(shù)條件下和的齒數(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的

14、總長為。我們也知道，在齒輪軸轉(zhuǎn)動一圈的時候，小車前進的路程為，所以通過選用合適的傳動比，能夠使小車后輪的半徑在一個合理的圍，綜上所述，最后，我們選擇的是，為了減小齒輪的半徑，以上所有的齒輪模數(shù)都為。最后，我們要將小車兩后輪的運動軌跡調(diào)整到預期的水平，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，兩輪的總長度是一樣的。在將每一個周期分為兩個部分。對1輪來說，轉(zhuǎn)彎時需要行進的距離為，直線需要行進的距離為，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，此時應是和嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時對應的旋轉(zhuǎn)的角度為。對2輪來說，轉(zhuǎn)彎時需要行進的距離為，直線需要行進的距離為，

15、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，此時應是和嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時對應的旋轉(zhuǎn)的角度為。由此分析可知，當左右兩階梯齒輪夾角為時，可以滿足行進的軌跡為預期軌跡。綜上所述，可以得到我們選擇的是，模數(shù)，和為不完全齒，左右階梯齒輪在安裝時夾角為。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，得到齒輪為不完全齒輪，只有才有齒（一個周期中有兩個），而由差速轉(zhuǎn)向知道左右階梯齒輪在安裝時夾角為，雖然看起來與不同，但是，我們發(fā)現(xiàn)是和的平均值，而通過計算我們也知道，只要將安裝在中間即可。3.3能量轉(zhuǎn)換

16、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

17、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)缺點優(yōu)點：（1）小車機構(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。（3）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，以與微調(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。5.2 改進方向 首先，對于路徑的選擇，我們就可以改進，選擇更好的路徑。對選擇路徑的要求就是使小車的轉(zhuǎn)角適中，在一個周期中行進的距離不能太長，在過彎時，圓半徑不能盡可能的大，使過彎時小車更安全。這其實是一個求最優(yōu)解的過程，可以通過LINGO軟件進行編程，最后得到一組最優(yōu)解。而我們是比較主觀的選擇了半徑和車寬。因為我們算出幾個值后，發(fā)現(xiàn)條件基本符合。 接著,可以利用微調(diào)裝置.在實際中,由于加工精度的原因，使小車的零件達不到要求，行進出來的路徑與預期路徑相差很大，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