无碳小车设计说明书

1、.第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛无碳小车设计说明书参赛者：陈文 李志文黄素昕指导老师：廖志良.专业 .专注.摘要第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车 ”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路 ；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素 。我们借鉴了参数化设计、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了 PROE 等软件辅助设计 。我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计 、技术设计 、制作调试 。通过每一阶段的深入分析 、层层把关 ，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。

2、方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构 、传动机构、执行机构 、控制部分 、调节部分 ）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、调节机构六个模块 ，进行模块化设计 。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为 ：车架采用三角底板式 、原动机构采用了锥形轴 、传动机构采用齿轮或没有该机构 、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、调节机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助 MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析 、动力学分析 、灵

3、敏度分析 。 进而得.专业 .专注.出了小车的具体参数 ，和运动规律 。接着应用 PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真 。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能 、加工工艺 、成本等。小车大多是零件是标准件、可以购买 ，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外 ，大多数都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的 电锯 切割。 因为小车受力都不大 ，因此大量采用胶接 ，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。目录一、设计要求1.1 参赛要求二、方案设计2.1 车架2.

4、2 原动原理2.3 传动原理2.4 转向原理2.5 行走原理.专业 .专注.2.6 调节原理三、技术设计3.1 动力参数设计3.2 轨道参数设计3.3 传动参数设计3.4 行走参数设计3.5 调节参数设计3.6 小车各部件参数四、小车的调试五、评价分析一、设计要求1.本届竞赛主题 ：本届竞赛主题为 “无碳小车越障竞赛 ”。要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置 ，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理4 项报告 。2.竞赛命题 ：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计一种小车 ，驱动其行走及转向的能量是根据能量转

5、换原理 ，由给定重力势能转换来的 。给定重力势能为 4 焦耳（取 g=10m/s 2），竞赛时统一用质量为 1Kg 的重块（ 50 ×65 mm ，普通碳钢 ）铅垂下降来获.专业 .专注.得，落差 400±2mm ，重块落下后 ，须被小车承载并同小车一起运动 ，不允许从小车上掉落 。图 1 为小车示意图 。图 1： 无碳小车示意图要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源 。要求小车具有转向控制机构 ，且此转向控制机构具有可调节功能 ，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地 。要求小车为三轮结构 ，具体设计 、材料选用及加工制作均

6、由参赛学生自主完成 。3.竞赛项目 I：竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物 。 障碍物为直径 20mm 、高 200mm 的多个圆棒 ，沿直线等距离摆放 。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩 。见图 2。.专业 .专注.图 2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图二、方案设计2.1 车架车架不用承受很大的力 ，精度要求低 。考虑到重量加工成本等 ，车架采用有机塑料加工制作成三角底板式。2.2 原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种 ，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求 。 1.驱动力适中 ，

7、不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走 。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击 。 同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大 ，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高 。 3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样 。 在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。 4.机构简单 ，效率高 。.专业 .专注.2.3 传动机构传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效

8、率高、传动稳定、结构简单重量轻等 。1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高 、结构最简单 。在不考虑其它条件时这是最优的方式。2.带轮具有结构简单 、传动平稳 、价格低廉 、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高 。不适合本小车设计 。3.齿轮具有效率高 、结构紧凑 、工作可靠 、传动比稳定但价格较高 。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。2.4 转向机构转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能 。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单 ，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为

9、满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构 + 摇杆、曲柄连杆 + 摇杆、曲柄摇杆 、差速转弯等等 。.专业 .专注.而综合考虑后 ，我们决定用凸轮机构 + 摇杆优点：在理论情况下能比较精确实现给定的运动轨迹且结构设计比较简单 ，而且能实现连续不同障碍物间距的调节 ，且面接触便于润滑 ，故磨损减小 ，制造方便。缺点： 需要的构件数和运动副数往往比较多 ，这样就使机构结构复杂 ，工作效率降低 ， 而且机构运动规律对制造 、安装误差的敏感性增加 ；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡 ，在高速时将引起较大的振动和动载荷 ，故

10、连杆机构常用于速度较低的场合 。.专业 .专注.2.5 行走机构行走机构即为三个轮子 ，轮子又厚薄之分 ，大小之别 ，材料之不同需要综合考虑 。有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为MN对于相同的材料为一定值 。而滚动摩擦阻力 fMNRR ，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远 。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定 。由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速 。对于后轮可以采用双轮同步驱动 ，双轮差速驱动 ，单轮驱动 。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量 ，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹 ，不能够有

11、效避免碰到障碍 。.专业 .专注.双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速 。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗 ，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮 ，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着 。但由于单向轴承存在侧隙 ，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮 ，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的 。其效率比利用差速器高，但前进

12、速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。综上所述比结合实际情况采用单轮驱动。2.6 调节机构.专业 .专注.调节机构是小车的重要部分，命题要求改变杆与杆之间的距离。而要达到这个要求 ，我们是通过改变小车的拐角，在小车行走相同的路程的情况下，改变小车转向轮的偏转弧度范围，从而改变小车行走的水平距离。也就是通过增加小车行走路线的振幅来减少路线的波长。因此就可以实现绕过不同距离杆的目的 。要达到改变小车导向轮的拐角，我们采用的是以连杆的一端为圆心，以连杆为半径在曲柄上多开几个圆孔。改变连杆与曲柄连接的位置，也就是改变曲柄圆心到连杆连接端的距离来改变小车导向轮转动的角度。从而实现绕过不同距离杆的

13、目的 。再通过改变连杆距底板中心的距离实现连续微调。.专业 .专注.三、技术设计3.1 动力参数技术我们采用的是物快通过定滑轮带动梯形原动轮，而原动轮带动同轴上的大齿轮，大齿轮再传递到与车轮相连的小齿轮，从而使小车向前行走 。轴的原动轮的设计结构图.图 3.1 梯形原动轮分析1）.在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大 ，有利起动 。2）.起动后，原动轮半径变小 ，转速提高 ，转矩变小 ，和阻力平衡后小车匀速运动。3）.当物块距小车很近时 ，原动轮的半径再次变小 ，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动 ，但是由于物块的惯性 ，仍会减速下降 ，原动轮的半径变小 ，总转速比提高 ，小车缓慢减速 ，直

14、到停止 ，物块停止下落 ，正好接触小车 。.专业 .专注.梯形圆柱原动轮的作用1，刚开始牵动绳为小车提供动力的部分是梯形圆柱的粗端，这样能为小车提供较为快捷的动力 。2，下落物体不可避免的会和小车发生碰撞，这样当物体快要和小车碰撞的时候牵动绳已绕到了梯形圆柱的细端，这样能减少物体的下落速度，减少物体和小车碰撞的能量损失 。3.梯形原动轮的设计实现小车的起动和物块的从低速到减速下落。减小因碰撞而损失的能量 。4.利用公式 M=F*R, 当力一定是 R 越大矩就越大 ，转动的就越快车启动的就快；当 M 已达到一定的大少保持不变R 变小， F 就会增大 ，从而使物快减速 。参数设计原动轮主轴半径R=

15、7mm物快下降高度H=400mm原动轮的侧截面周长C=2 R=2×7×3.14=43.96mm圈数 N=H ÷C=400 ÷43.96 9 圈9 圈且定齿轮总传动比为1 也就是大概可以绕过18 个杆 。3.2 轨道参数设计.专业 .专注.32cm98cm无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图假设抽选的杆距为1000mm ，根据小车的行走路线近似的模拟为正弦曲线，所以齿轮选择三角函数运动规律。有实际的尺寸大小可得振幅为0.32m ，波长为2m ，轨迹方程近似为 ：Y=0.35sin x ；轨道长度 S=4 （0/2 ）1+ （ Y）?2dx最后算得 S24

16、33mm过两个杆后小车又回到同一个位置，及完成一个周期的行走过程。而一个周期的行走位移为 2000mm ，路线长度 S 约为 2433mm 。3.3传动参数设计齿轮传动部分采用的是齿数比45：15 的齿轮 。小齿轮：模数 =1 ，齿数 =15 ，外径 =17mm ，内孔 =3mm ，厚度：6.5mm.专业 .专注.大齿轮：模数 =1 ，齿数 =45 ，外径 =47mm ，内径 =10mm ，厚度：10mm传动行程传动比 （传动系数 ）：齿轮比乘以后轮直径，即为传动比 。以 C 代表大齿轮 ，F 代表小齿轮 ， G 代表齿数比 ，D 代表传动比 ， M 代表转动行程 ， B 代表后轮直径 ，它们

17、之间关系用公式表示 ，即：D=C ÷ F× B=GB由此可见 ，齿轮比确定之后，传动比是与后轮直径成正比的。传动行程 ：M=D ×=C ÷F×B×齿轮力的计算题目给定重力势能4J，重块 1kg ；设总的重量为 M ，则M=m （重块）+m （载荷）+m （车 )=1kg+400g+50g=1.45kg经网上查得 ,橡皮轮胎与干地面之间的动摩擦因素为0.71,设驱向轮所获得的摩擦阻力为 F，则F=M1N.专业 .专注.3.4 行走参数设计后轮直径由于轨道的长度S 是确定的 ，而齿轮也是固定的 ，根据传动行程我们可以算出小车后轮的直径BS

18、=M=D ×=C ÷F×B×=45 ÷15 ×B×3.14=2433mm后轮直径 B258mm其他参数小车导向轮直径d 定为 58mm ，宽为 8mm ，后轮直径 D 为 258mm ，宽6mm 。3.5 调节参数设计调节参数设计是本次比赛的重点部分，也是设计中的难点 ，尤其是参数化这一块，要定好调节装置中各零件的尺寸大小，还需要大量的反复的研讨与实验，而在设计的初级阶段 ，我们只能够去进行各零件的估算，没有太多的科学性 。连杆 L=116mm圆柄的直径 D=50mm.而小车导向轮摆正位置是连杆接口过圆柄圆心垂直于地面位置。

19、曲柄为逆时针旋转 ，当曲柄旋转到圆心 ，接口与连杆端点三点成一线时，则小车导向轮摆动的幅度最大 。当接口在圆心的左边时小车向右拐，当接口在圆心的右边时，小车向左拐 。而圆柄逆时针转的一周，小车的导向轮就又回到了初始状态，小车就行走一个周期 ，也就是小车绕过两个杆 。3.6 小车各部件参数.专业 .专注.车身长 L=300mm ，车身宽 140mm ，厚 8mm 。后轮直径 D=258mm, 宽 6mm ，导向轮直径 58mm ，宽 6mm 。梯形原动轮直径14mm ，长 30mm 。小齿轮：模数 =1 ，齿数 =15 ，外径 =17mm ，内孔 =3mm ，厚度：6.5mm过度齿轮 ：大齿轮：模数 =1 ，齿数 =45 ，外径 =47mm ，内径 =10mm ，厚度： 10mm圆柄直径 50mm ，厚度 8mm ，连杆长 150mm ，直径 5mm 。定滑轮直径 28mm ，厚 12mm ，支杆长 500mm ，直径 5mm 。四、