无碳小车结构设计报告

1、2014年大学生工程训练综合能力竞赛结构设计报告共 页第 1 页命题编号：参赛队编号1、设计概述根据大赛大赛题目的要求，为达到8字绕行的目的，无碳小车应实现两个功能：重力势能的转换和周期性的转向。据此可以将小车分为驱动机构和转向机构两部分。驱动机构要求能量损耗小、传动比准确，优先选用齿轮机构。转向机构要求控制精度高、摩擦损失小，选用不完全齿轮和空间四杆机构实现转向功能。1设计8字轨迹：左右半圆，中间用正弦曲线连接。2利用不完全齿轮传动与空间四杆机构实现转向功能。3. 四杆机构和小车底板上安装有磁铁，使小车在行进和转向过程中保持稳定。4后轮用两根轴，保证转弯时的差速。5使用一级齿轮传动，给小车足

2、够大的启动转矩。6利用二级滑轮装置减小绕线轮的制作难度。 7优化各零件布局，降低小车重心。2、 设计思路和方案 1轨迹的设计 设计8字轨迹：左右半圆，中间用正弦曲线连接。如下图（单位mm） 当要改变两个障碍物之间的距离时，只需放大轨迹，便可使小车安全通过。 2.设计小车的转向方案按照轨迹的要求，选择不完全齿轮传动与空间四杆机构实现转向功能。原理图如下： 1-后轮 2,3,6-普通齿轮 5-不完全齿轮 4-主绕线轮 7-曲柄 8-万向节 9-前轮令初始位置时，不完全齿轮5与齿轮6位于结束啮合的位置，前轮9有一个合适的角度。当重物下落带动绕线轮4转动时，齿轮3和不完全齿轮5将跟随4一起转动，齿轮3

3、通过与齿轮2啮合驱动后轮转动，而不完全齿轮5此时没与齿轮6啮合，前轮9角度不改变，小车走圆轨迹，当走到半圆时，不完全齿轮5和齿轮6啮合上，通过空间四杆机构的作用，前轮的角度将随着啮合的进行慢慢改变，随着小车的前进，小车走中间的正弦轨迹，直到不完全齿轮5和齿轮6脱离啮合，之后前轮9的角度又不变，走另一个半圆，之后又回到初始位置，完成一个8字。3.齿轮的传动比，不完全齿轮齿数比及后轮半径的设计按照轨迹及转向要求不完全齿轮转两圈小车走一个完整的8字。、其中S1为半圆轨迹长度，S2为中间一段正弦轨迹长度，S为整个轨迹的长度，则所求i即为所选择的不完全齿轮的缺齿与完整齿比。经过查找材料，取不完全齿轮的齿

4、数为31，去除17个齿，对应的与其啮合的齿轮6每啮合一次转半圈所以齿数取34。为了购买齿轮方便，选择齿轮3的齿数也为34。因为实际要让不完全齿轮的啮合的恰到好处不可能，需要对齿形进行修整，所以选择模数为1的齿轮。为保证零件的重心，车后轮的直径尽可能小，取其为150mm，则有：通过寻找材料，取齿轮3的齿数为12，再修正后轮半径为148.6mm。4. 转向差速由于小车是以8字型路线行走的，也就是说小车始终在转弯，这就导致后轮的左右两个轮子出现转速差，原本考虑通过加装一差速器来解决这一问题，但在设计差速器时发现，差速器不仅结构复杂，加工难度大，而且效率难以提高，会消耗很多能量，影响小车行驶距离。最终

5、，经过我小组成员讨论，决定采用单侧轮（左侧车轮）驱动，另一侧车轮（右侧车轮）从动的驱动方案。5绕线轮该小车的能量来源于给定的1kg重物的重力势能，根据能量转换原理，将该重力势能转换为机械能来驱动小车行走。1kg的重物系在一条轻质细线的一端，通过定滑轮和支架悬挂于小车上方，细线的另一端缠绕在绕线轮上。当重物下落时，便可带动绕线轮转动，经过一系列齿轮来改变扭矩，最终输送到后轮上来驱动小车前进。在理想情况下，以能保障小车稳定行驶为前提，绕线轮的直径越小越好，这样就能让小车行驶的最远,绕过的8字最多。但在实际情况下，由于各种因素的影响，绕线轮的直径并不能取得太小，否则，小车将有可能出现行驶中途停止甚至

6、直接走不动的情况。为了让小车能够稳定前进，又不至于出现车轮打滑的情况，因此车轮的驱动力应稍大于小车的行驶阻力。小车在平稳运行时，实验测得平均阻力F0.089N，换算为驱动轮的扭矩：MFD/2=0.0065949Nm因此取车轮的扭矩:M=0.0066Nm齿轮传动比i=34:12=17:6故绕线轮上应施以的转矩为:M2=M/i=0.0066(17/6)=0.00233Nm故绕线轮的直径:d=2M2/G10004.66mm由于齿轮轴的直径为4mm，绕线轴的直径仅有4.66mm,难以加工，故加一个直径比为3:2的二级线轮，这样主绕线轮的直径就可以放大1.5倍，即绕线轮的直径可以取7mm. 主绕线轮其中

7、绕线的时候先绕在1上后绕在2上，保证1比2直径大大概16mm，给小车足够大的启动转矩。.利用二级线轮装置减小绕线轮的制作难度。重物下降前将重物的线绕在2上，下降过程中由1将线轮上的线卷起从而带动其转动。这个线轮做到了等比降低主绕线轮上的转矩的作用，这样在后轮需要同等转矩的情况下，主绕线轮的直径等比增加。从而减小主绕线轮的制作难度。5. 磁铁安装 当小车在正弦轨道上运动时，四杆机构上磁铁的S极和小车底板上的N极相对，此时磁铁间的吸引力达到最大，四杆机构和小车间相对静止，使小车能够稳定行驶；当小车在半圆轨迹上运动时，四杆机构上的磁铁和小车底板上的磁铁相互错开，磁铁间存在较小的吸引力，使其在转向时速

8、度减慢稳定性增高。3、 设计结果1. 行驶距离估算重物下落高度h=400mm，主绕线轮直径=7mm，主绕线轮的周长：L=d=21.991149mm；二级线轮的直径分别为：d1=30mm和d2=20mm，周长分别为：L1=d1=30=94.2477796mm，L2=d2=20=62.831853mm；重物从最高点落到最低点，二级线轮可转的圈数：N1=h/L2=40062.831853=6.3661977（转）第二级卷起的线的长度:L3=N1L1=6.366197794.2477796=600mm主绕线轮转过的圈数:N2=L3/L=60021.991149=27.283705(转)根据小车的设计原

9、理,主绕线轮每旋转一圈,小车行走一个8字,故理论上小车可行走的8字个数为:N=N2/2=27.283705213.6(个)2.方案总结该设计方案创新点和优点： .主体结构用材以硬铝为主，减轻质量的同时也能保证结构强度，防止变形。 .转向机构设计简单精巧，在保证实现相关功能的前提下，简化了制作难度，同时也便于调节。 .绕线轮设计为多级结构，开始半径较大，以便于小车快速启动；当小车正常行驶时，又可以保证小车行驶平稳。 .绕线轮可更换设计，只需更换绕线轮便可改变扭矩，无需调节转向机构齿轮的传动比。 .通过利用二级绕线轮,增加了主绕线轮的直径,避免了因绕线轮尺寸过小而导致线轮加工难度增加。 .在小车底板和四杆机构上增加了磁铁，使小车在正弦轨迹上行驶时保持稳定减少偏移量。3.实际制作过程中对原设计方案进行了完善3.1 转向机构调节：车转向运动通过空间连杆机构运动的转换来实现，可以通过调节曲柄的长短来控制两半圆轨迹的直径，调节连杆的长短来制轨迹的偏向，从而使小车轨迹处于最佳状态。3.2 重物落下到底盘时，重物对小车有一定冲击，我们减小了绕线轮最后几圈处的直径。3.3 为防止小车转弯时重物晃动，我们添加了用纸板做成的护罩。 4.实际效果:经过前期的制造和调试,小车所走轨迹的精度基本控制在20mm之内，目前最