1、無碳小車 8 字型設計方案成 員: 指導教師： 2012年12月9日本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容相銜接，綜合體現大學生機械創新設計能力、制造工藝能力、實際動手能力、工程管理能力和團隊合作能力。競賽的目的在于激發大學生進行科學研究與探索的興趣，加強大學生工程實踐能力、創新意識和合作精神的培養。小車功能設計要求給定一重力勢能，根據能量轉換原理，設計一種可將該重力勢能轉換為機械能并可用來驅動小車行走的裝置。驅動小車行走及轉向的動力載荷只能由給定重力勢能（4焦耳）轉換得到。動力載荷按要求(5065mm,質量1kg,材料：普通碳鋼)準備，重塊落差4002mm

2、，并隨小車一起運動時鉛垂下落，不允許從小車上掉落。競賽小車在半張乒乓球臺（長1525mm，寬1370mm）上，繞相距一定距離的兩個障礙物沿8字形軌跡繞行。繞行時不得撞倒障礙物，不得掉下球臺。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構（1個轉向輪，2個驅動輪），具體結構造型以及材料選用均由參賽者自主設計完成。要求滿足：小車上面要裝載一件外形尺寸為6020 mm的實心圓柱型鋼制質量塊作為載荷，其質量應不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。轉向輪最大外徑應不小于30mm。全套圖紙，加153893706小車整體設計要求小車

3、設計過程中需要完成：結構設計方案、工藝設計方案、成本分析和工程管理方案設計。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，提出合理的工程規劃。設計能力項要求對參賽作品的設計具有創新性和規范性。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。結構設計方案1小車底板車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加工成本等，車架采用3mm的鋁板加工制作下圖所示的幾何形狀，上面的孔的位置是小車其它零件的裝配位置。工程圖如下：2原動機構原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。能實現這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優。小車對原動機構還有其它的具

4、體要求。（1）.驅動力適中，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。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，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。（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。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。（4）.機構簡單，效率高。圖一基于以上分析我們提出了輸出驅動力可調的繩輪式原動機構。如下圖：定滑輪支架動力軸繞線軸如下我們可以通過改變繩子繞在繩輪上不同位置

5、來改變其輸出的動力。2.1 結構圖圖二2.2 分析1）.在起始時原動輪的轉動半徑較大，起動轉矩大，有利起動。2）.起動后，原動輪半徑變小，轉速提高，轉矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。3）.當物塊距小車很近時，原動輪的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動輪勻速轉動，但是由于物塊的慣性，仍會減速下降，原動輪的半徑變小，總轉速比提高，小車緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車。2.3 梯形圓柱原動輪的作用1，剛開始牽動繩為小車提供動力的部分是梯形圓柱的粗端，這樣能為小車提供較為快捷的動力。2，下落物體不可避免的會和小車發生碰撞，這樣當物體快要和小車碰撞的時候牽動繩已繞到了梯形圓柱的細端，這

6、樣能減少物體的下落速度，減少物體和小車碰撞的能量損失。3.梯形原動輪的設計實現小車的起動和物塊的從低速到減速下落。減小因碰撞而損失的能量。4.利用公式m=f*r,當力一定是r越大矩就越大，轉動的就越快車啟動的就快；當m已達到一定的大少保持不變r變小，f就會增大，從而使物快減速。3 傳動機構傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等。（1）.不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅動輪子和轉向機構，此種方式效率最高、結構最簡單。在不考慮其它條件時這是最優的方式。（2）.帶輪具有結構簡單、傳動平

7、穩、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、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優先考慮使用齒輪傳動。我們組最終選用了耐磨、質量輕、價格合適的尼龍齒輪作為傳動機構，并且根據“8”字形的行走軌跡將現有的齒輪進行了加工，將齒輪銑去部分齒，與其它齒輪構成傳動機構。4轉向機構轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障的功能

8、。能實現該功能的機構有：凸輪機構+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉彎等等。結合小車的傳動機構和加工技術的限制，我們采用了簡單的偏心圓盤+搖桿的轉向機構。其優點在于：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，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。圖三在本小車設計中由于小車轉向頻率和傳遞的力不大故機構可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構并不復雜，可以再連桿兩端裝上關節軸承來減小摩擦和約束范圍并增大活動空間。走“8”字需要一個間歇的驅動機構，我們采用 缺齒齒輪雙聯缺齒齒輪與轉向機構相連來實現這一要求

9、。5行走機構 行走機構即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關系為 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“8”字曲線前進的，后輪必定會產生差速。我們采用了單輪驅動即只利用一個輪子作為驅動輪，一個為導向輪，另一個為從動輪（加裝一個軸承）。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅動輪間的差速依靠與地面的摩擦約束力調節。后輪的直徑暫定為240mm。6 微調機構 連桿的一端與圓盤連接，圓盤上的偏心孔的偏心距離為c，連

10、桿與轉向輪中心的水平距離為l,所以 前輪通過曲線的偏向角為圖五圖四lcl 7 主要尺寸設計及計算小車走“8”字形軌跡避讓障礙物，對于軌跡的設計及其重要，這對于小車的結構布局也很重要。我們設計的“8”字形軌跡如下圖：小車從起點出發，最初給定適合的前輪偏向起點圖六轉彎角，繞藍色的優弧進行“8”字的部分繞行，到達紅藍交叉處，轉彎機構開始轉彎，繼續沿藍色軌跡繞行通過起點處的紅藍交叉點完成“8”字的一半，此時轉前輪保持第一次轉向后的偏向角繼續沿紅色軌跡運行至轉彎處，轉向機構再次工作，是小車走完剩下的紅色軌跡完成一個完整的“8”字形。 由于我們采用的是單輪驅動，前輪導向與驅動輪的橫向距離越大，會使小車在繞

11、行“8”字時軌跡不對稱，即一個圓大，一個圓小。所以我們將驅動輪與前輪的橫向距離取消，三個輪子的相對位置如下圖： 導向輪導向輪與驅動輪共線，在合適的軸距b下，繞行曲線時兩輪的軌跡偏從動輪移量可以忽略，上圖中的粗線為前b輪和驅動輪的軌跡，細線為從動輪。驅動輪的軌跡。理論計算如下：圖七圖八在軌跡半徑確定的情況下，前后輪的軸距越小，偏向角越小，主動輪和前輪的軌跡偏移量就越小。本小車的設計只對上述情況作定性的分析，再設計與之相關的零件參數時簡化了模型。圖九80齒65齒余15齒60齒，固連余主動輪軸30齒90齒齒輪的相關參數如上圖所示。小車的設計參數：繞線軸半徑為r2小車的后輪的直徑d2=240mm，齒輪

12、傳動比為i前后輪軸距為190mm,前輪直徑為50mm 結合齒輪的傳動比，后輪繞行3周，雙聯缺齒齒輪驅動轉向機構工作兩次，走完一個“8”字，得到小車后輪的軌跡直徑d2=2r1=360mm,小車前輪的偏向角為： 圖十b輪a輪abdc小車行走軌跡分析只有a輪為驅動輪，當轉向輪轉過角度時，則小車轉彎的曲率半徑為小車行走過程中，小車整體轉過的角度當小車轉過的角度為時，有d、小車其他輪的軌跡以輪a為參考，則在小車的運動坐標系中，b的坐標c的坐標在地面坐標系中，有整理上述表達式有： 為求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通過設定合理的參數的到了小車運動軌跡基本符合預想軌跡。（圖六）能量計算1）力分析： 小車質量p0 ，重力p0 g=地面支反力n0 小車驅動力矩m=等效力偶f0d/ 2 （小車驅動力）f0=2m/d m由g獲取 例如：m= g/ 2= f0d/ 2（暫不計效率） 此時 f0= g/d 力約束（克服運行阻力的最小值和不打滑的最大值） 克服運行阻力（車體運行阻力包括慣性阻力和靜阻力） 慣性阻力（n）=p0 a (小車啟動加速度) 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 運行阻力系數，實驗得出經驗數據，約 0.03。 f0 p0 (a+ g w ) 地面對小車摩擦阻力ff