無碳小車設計方案

第10頁共11頁S型無碳小車設計方案參賽者：李澤亮唐鋮洪鑫吳東欣一緒論1.1小車功能設計要求設計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(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（￠50×65mm，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1.2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。二方案設計2.1車架車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁材加工制作成斷開式長方體板，可以利用廢材進行加工。2.2原動機構(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。（1）驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。（2）到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。（3）由于不同的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。（4）機構(gòu)簡單，效率高?；谝陨戏治鑫覀兲岢隽溯敵鲵?qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構(gòu)。如上圖可以通過改變繩子繞在不同直徑的繩輪上來改變其輸出的動力。2.3傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)的功能是把速度和轉(zhuǎn)矩傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌跡精確地行駛，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。1.考慮到小車行走軌跡的精確性，差速器比單輪驅(qū)動更準確。2.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。3.齒輪具有效率高、結(jié)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。2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設計的關(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，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。我們采用凸輪機構(gòu)+搖桿的方案。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)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難。2.5行走機構(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)系為對于相同的材為一定值。而滾動摩擦阻力f=M/R=(N)，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。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。而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。綜上所述行走機構(gòu)的輪子應有恰當?shù)某叽?，如果有條件可以通過實驗來確定實現(xiàn)差速的機構(gòu)方案。2.6微調(diào)機構(gòu)一臺完整的機器包括：原動機、