無碳小車命題分析

閔淑輝第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命

題

分

析一. 命題二. 設(shè)計(jì)要求三. 制作要求四. 比賽要求五.

計(jì)算分析六.

結(jié)構(gòu)分析七.

示例競賽主題：無碳小車越障競賽競賽命題：以重力勢能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車考核內(nèi)容：設(shè)計(jì)、工藝、成本分析、工程管理。作品內(nèi)容：1.“無碳小車”實(shí)物作品；2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、工程管理方案、加工工藝方案、成本分析方案等4份報(bào)告（紙質(zhì)版+電子版）參加

競賽。報(bào)告按競賽秘書處發(fā)布的統(tǒng)一格式編寫。一、命題驅(qū)動(dòng)力：重力勢能4焦耳，1kg（Q235，Φ50mm*65mm

），落差高400mm； 不準(zhǔn)使用任何其它的能量形式車結(jié)構(gòu)：三輪；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小車其它具體結(jié)構(gòu)和材料選用不作要求。二、設(shè)計(jì)要求自我發(fā)揮部分小車的前輪設(shè)計(jì)：單向偏轉(zhuǎn)或?qū)崿F(xiàn)偏轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向角度的確定。小車的運(yùn)行軌道設(shè)計(jì)：根據(jù)轉(zhuǎn)向方案，設(shè)計(jì)出小車路程最少且位移量最大、符合命題要求的預(yù)算軌道，并確定小車的初始釋放位置；小車的能量轉(zhuǎn)換方式。小車的前后輪設(shè)計(jì)。小車的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。小車的外觀設(shè)計(jì)。成本分析。驅(qū)動(dòng)力：重力勢能4焦耳，1kg（Q235，Φ50mm*65mm

），落差高400mm； 不準(zhǔn)使用任何其它的能量形式車結(jié)構(gòu)：三輪；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小車其它具體結(jié)構(gòu)和材料選用不作要求。二、設(shè)計(jì)要求校內(nèi)制作：自主制作全部零件。比賽現(xiàn)場制作：（進(jìn)入第二競賽環(huán)節(jié)后）抽簽確定徽標(biāo)快速成型加工制作根據(jù)新的障礙物間距對自己

的小車進(jìn)行調(diào)整裝配或修配。三、制作要求競賽項(xiàng)目Ⅰ在指定賽道，比賽繞過障礙多少和行走距離。競賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)交錯(cuò)繞過賽道上設(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)量來綜合評定成績。四、比賽要求四、比賽競賽要項(xiàng)求目Ⅱ小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（長1525mm、寬

1370mm）上，繞相距一定距離的兩個(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。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個(gè)圓棒，相距一定距離放置在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺的中線上，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來綜合評定成績。見圖3。圖3：競賽項(xiàng)目二所用乒乓球臺及障礙設(shè)置圖參賽者參賽時(shí)，需要提交關(guān)于作品①設(shè)計(jì)說明書、②工程管理方案、③加工工藝方案、④成本分析方案報(bào)告。I-A組第二競賽環(huán)節(jié)四、比賽要求四、比賽要求集中參賽：（與預(yù)賽的時(shí)間、地點(diǎn)關(guān)系？）四、比賽要求總成績：五、計(jì)算分析力分析——小車質(zhì)量P0

，重力P0

g=地面支反力N0G=1kgG小車驅(qū)動(dòng)力矩M=等效力偶F0×D/2（小車驅(qū)動(dòng)力）F0=2M/DM由G獲取例如：M=G×Φ

/2=F0×D/2（暫不計(jì)效率）此時(shí)F0=G×Φ

/DΦ五、計(jì)算分析力約束——（克服運(yùn)行阻力的最小值和不打滑的最大值）克服運(yùn)行阻力：車體運(yùn)行阻力包括慣性阻力和靜阻力慣性阻力（N）=P0

×a

(小車啟動(dòng)加速度)靜阻力一般包括基本阻力、彎道阻力、坡道阻力、氣流阻力等基本阻力(N)=P0

g

w

式中：g

重力加速度；w

運(yùn)行阻力系數(shù)，實(shí)驗(yàn)得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，約0.01。F0

＞P0

(a+g

w

)

（注意，命題中沒有運(yùn)行時(shí)間要求）地面對小車摩擦阻力Ff

，F(xiàn)f

=P0

g

×f（摩擦系數(shù)）不打滑條件

F0

＜

Ff

=

P0

g

×

fG=1kg五、計(jì)算分析做功分析——設(shè)：S為小車行走距離，mm，η為小車總效率，F(xiàn)0

×

S

=G×

400mm×

η則：S

=G×400mm×η

/F0前面防滑計(jì)算得出：F0

＜Ff

=P0

g

×f可見：為了增大小車行走距離，

為了避免能量損失不打滑，在保證能夠驅(qū)動(dòng)小車行走的前提下，F(xiàn)0

越小越好。F0=

G×

Φ

/DG=1kgGΦ五、計(jì)算分析效率分析——小車總效率η

，包括機(jī)械傳動(dòng)效率；能量轉(zhuǎn)換效率

等部分機(jī)械傳動(dòng)效率見右表能量轉(zhuǎn)換過程中的效率損失練習(xí)查找資料六、結(jié)構(gòu)分析轉(zhuǎn)化方法很多，如：直接轉(zhuǎn)化——重力勢能 帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)；間接轉(zhuǎn)化——重力勢能 其它能量帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)蓄能——重力勢能 各種蓄能裝置 帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)；但是注意：為減少能量損失，轉(zhuǎn)化步驟越少越好主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)（原動(dòng)機(jī)構(gòu)）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)；不主張遙控。能量轉(zhuǎn)化機(jī)重力勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能動(dòng)能和勢能總構(gòu)稱為機(jī)械能，包括：動(dòng)能：物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能，叫做動(dòng)能，動(dòng)能的標(biāo)志是運(yùn)動(dòng)。重力勢能：物體由于被舉高而具有的能量叫做重力勢能，重力勢能的標(biāo)志是舉高。彈性勢能：物體由于發(fā)生了彈性形變而具有的能量叫做彈性勢能，彈性勢能的標(biāo)志是彈性形變。六、結(jié)構(gòu)分析主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)（原動(dòng)機(jī)構(gòu)）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)；但是注意：為減少效率損失，傳動(dòng)步驟越少越好傳動(dòng)機(jī)包括構(gòu)：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)裝置、液動(dòng)裝置、電動(dòng)裝置 等等六、結(jié)構(gòu)分析主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)（原動(dòng)機(jī)構(gòu)）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)向機(jī)非常多，構(gòu)而且繁雜。注意：命題中是單輪導(dǎo)向，不要拘泥于資料文獻(xiàn)的各種框框，要講究突破思維定勢、小巧靈活。能夠完成單軸擺動(dòng)即可。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)行駛路程與轉(zhuǎn)向周期間的關(guān)系；傳動(dòng)比控制在合理的數(shù)值范圍內(nèi)六、結(jié)構(gòu)分析主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)；車體結(jié)八仙過構(gòu)海各顯神通注意：體積不要過大，重量要輕；重心要低；輪距適中，注意保持穩(wěn)定性；v1v3H4522差速器2Lv1v3Pω13r2010全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)報(bào)告總頁第頁編號：產(chǎn)品名稱驅(qū)動(dòng)輪生產(chǎn)綱領(lǐng)件/年零件名稱生產(chǎn)批量件/月一、設(shè)計(jì)概述作品取名

作品創(chuàng)意：1.運(yùn)用空間四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。2轉(zhuǎn)向輪上安裝自制刻度盤便于調(diào)節(jié)。3.驅(qū)動(dòng)輪采用差速結(jié)構(gòu)，保證轉(zhuǎn)向時(shí)小車不側(cè)翻。4.使用錐形繞線輪，實(shí)現(xiàn)小車的勻速運(yùn)動(dòng)。5優(yōu)化各零件布局，降低小車重心。二6、.三設(shè)根立計(jì)桿思防止路小和車運(yùn)方行案中重塊擺動(dòng)。1.基本結(jié)構(gòu)A.小車以鋁板做的底板為主體，上面安裝軸承座以支承輸入軸、驅(qū)動(dòng)軸、吊掛重物的立桿等，小車的轉(zhuǎn)向輪架也要通過軸承固定在底板上。

B.使用滑輪機(jī)構(gòu)將重塊的能量通過細(xì)繩以轉(zhuǎn)矩的形式傳遞到輸入軸。C.輸入軸通過一級齒輪傳動(dòng)將能量傳到驅(qū)動(dòng)軸，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪并驅(qū)使小車向前運(yùn)動(dòng)。D.輸入軸通過一級齒輪傳動(dòng)與帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸控制小車的轉(zhuǎn)向。E.小車的轉(zhuǎn)向通過一個(gè)空間的四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在具體調(diào)試時(shí)，對桿長進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足規(guī)定要求。

F.小車的驅(qū)動(dòng)輪采用差速設(shè)計(jì)，減少能量損耗且便于轉(zhuǎn)彎相關(guān)計(jì)算用y=0.3sinπx近似擬合小車運(yùn)動(dòng)軌跡，可積分得當(dāng)小車位移為2m時(shí)小車所走路程為2.42m，又由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中齒輪的傳動(dòng)比5：1計(jì)算得小車驅(qū)動(dòng)輪直徑D=2.42/5=154mm。驅(qū)動(dòng)輪摩擦系數(shù)為0.014，小車質(zhì)量為1.5kg，總能量為5J，則小車?yán)碚撀烦虨閟=5/(0.