无碳小车设计说明

1、作品设计说明书摘要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.方案设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、限制局部、辅助局部把小车分为车架、原动机构、传动机构、 转向机构、行走机构五个模块,进行模块化设计.分别针对每一个模块进行多 方案设计,通过综合比照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、原动机构采用了带轮轴、传动机构采用带轮、转向机构采用凸轮机构、 行走机构采用双轮驱动.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别 进行了能运动学

2、分析和动力学分析,进而得出了小车的具体参数,和运动规律y 以及确定凸轮的轮廓曲线；接着应用Solidworks软件进行了小车的实体建模和 局部运动仿真.在实体建模的根底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、本钱等.小车大多零件是标准件,可以购置,同时除局部要求加工精度高的局部需要 特殊加工外,大多数者何以通过手工加工出来.调试过程会通过微调等方式改变 小车的参数进行试验,在试验的根底上验证小车的运动规律同时确定小车最优的 参数.关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计目录作品设计说明书1一绪论4命题主题4小车功能设计要求 5小车整体设计要求 5小车的设计方法 6二方案

3、设计6车架7原动机构7传动机构g转向机构8行走机构g三设计10建滋浮模1 0参确定14零册设计1 4小车运动仿真分析 19四小车制作调试及改进 19小车制作流程19小车调试方法19小车改进方法 20五评价分析20小车优缺点20改进方向20一绪论命题主题根据第四届全国大学生工程练习综合水平竞赛主题为“无碳小 车越障竞赛.命题与高校工程练习教学内容相衔接,表达综合性工 程水平.命题内容表达“创新设计水平、制造工艺水平、实际操作能 力和工程治理水平四个方面的要求.小车功能设计要求给定一重力势能,根据能量转换原理,设计一种可将该重力势能 转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置.该自行小车在前行时能 够

4、自动避开赛道上设置的障碍物间隔范围在700-1300mm放置一个直径20mm长200mm勺弹性障碍圆棒.以小车前行距离的远近、 以及避开障碍的多少来综合评定成绩.给定重力势能为4焦耳取g=10m/s2,竞赛时统一用质量为1Kg 的重块50X65 mm普通碳钢制作铅垂下降来获得,落差 400 ± 2mm重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不允许掉落.要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得,不可使用任何其他的能量形式.小车要求采用三轮结构1个转向轮,2个驱动轮,具体结构造 型以及材料选用均由参赛者自主设计完成.小车整体设计要求小车设计过程中需要完成：结构方案设

5、计、工艺方案设计、经济本钱分析 和工程治理方案设计.命题中的工程治理水平项要求综合考虑材料加工、制造 本钱等各方面因素,提出合理的工程规划.设计水平项要求对参赛作品的设计具 有创新性和标准,生命题中的制造工艺水平项以要求综合运用加工制造工艺知识 的水平为主.小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确通过对命题的分析我们得到了比较清楚开 阔的设计思路.作品的设计需要有系统性标准性和创新性.设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造本钱等给方面因素.明确小车小车功能分建模分析可行性方案确定方案结束二方案设计 为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个局部进行模块化 设车架、原动机构、传动机

6、构、转向机构、行走机构.三角形底板原动机构骨架式底板弹簧储能式绳轮式带轮传动在选择方案时应综合考虑功能、材料 加工、制造本钱等各方面因素,同时尽量 预防直接决策,减少决策时的主观因素,使得选择的方案能够综合最优.车架车架不用承受很大的力,精度要求低.考虑到重境加工本钱等,车架采用塑 料加工制作成三角式底板.勾原动机构的作用是将重物的重力势能转化为小车的驱动动能.能实现这一功 能的方案有多种,就效率和简洁性来殍南轮最优.小车对原动机构还有其它的具 体要求.1 .驱动力适中,不至于小车拐弯时速度过大倾翻,或重物晃动厉害影响行走.2 .到达终点前重物竖直方向的速度要尽可能小,预防对小车过大的冲击.同

7、时使 重物的势育於可能的转化到驱动小车前进的动能,如果重物竖直方向的速度较 大,重物本身还有较多势育冰释放,能量利用率不高.3 .机构简单,效率高,便于加工制作.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率高、传动稳定、结构 简等.1 .带轮具有结构简单传动平稳价格低B缓冲吸震等特点但其效率不是很高.2 .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,不易加工制 作.因此在第一种方式不能够满足要求的情况下可优先考虑使用齿轮传动.转向勾转向机构是本小车设计的关键局部,直接决定着小车的功能.转向机构也同

8、样需要尽可能的减少摩擦耗能,结构简单,零部件已获得等根本条件,同时还需 要有特殊的运动特性.能够将旋转运动转化为满足要求的往返摆动,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：凸轮摇杆、曲柄连 杆等等.凸轮摇杆：优点：只需设示®当的凸轮轮廓,便可使从动件得到任意的预期运动,而且结构 简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难.曲柄连杆：优点：运动副单位面积所受压力较小,且面接触便于润滑,故磨损减小；两构件 之间的接触是靠本身的几何封闭来保持接触.缺点：TS情况下只育区似实现给定的运动规律或运动轨迹,且设计较为复杂； 当给定的运动要求较多或较复杂时 需要的构

9、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,发生自锁的可能性增加.综合上面分析我们选择凸轮摇杆作为小车转向机构的方案.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.由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为：M N对于相同的材料 为一定值.M N而滚动摩擦阻力：f R R所以轮子越大小车受到的阻力越小,因此能够走的更远.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.双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑,使小车运动产生偏差,但由于小车速度 较小时,可以大大减小差速带来的影响.双轮差速驱动可以预防双轮同

10、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.但差速器的构造较为复杂,且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.综上所述行走机构的轮子应有恰当可调的尺寸,经过加工和本钱的综合考虑我们 选用双轮同步驱动.三设计技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺4设计的同时综 合考虑材料加工本钱等各因素.建立数学模型通过对小车建立数学模型,可以实现小车的参数化设计和优化设计,提升设 计的效率和得到较优的设计方案,充分发挥计算机在辅助设计中的作用.因此, 我们采用了 Matlab软件辅助设计.小车后轮直径计算：function D2 =fD2(LC,n)%D

11、2J、车后轮直径%LCJ、车行驶一个周期的路程%n小车行驶一个周期,后轮转的圈数.%确定n之后,也就确定了后轮轴与凸轮轴的转速比为n:1)D2=LC/pi/n;End推杆伸长吊计算：function Delta = fDelta(theta,yT)%丫得向杆长%Delta凸轮的推杆伸长量(假定伸长为正,缩短为负)%theta小车前轮转角(假定左转为正)Delta=yT*sin(theta);end小车路径上某点的曲率半径计算：function r = fr(x0,r0,l)%fr求小车路径h某点的曲率半径%r0零点处曲线的纵坐标,r0-y/2>10,y为两后轮间距%l两个障碍物间距,70

12、01300% fx01,fx02分别为fx0的一阶导,二阶导fx01=r0*pi*sin(pi*x0/l)/l;fx02=r0*(piA2)*cos(pi*x0/l)/(lA2);r=(1+(fx01八2)八(3/2)/fx02;end小车前轮转角计算：function theta = ftheta(r,x )%theta小车前轮转角(假定左转为正)%r小车路径上某点的曲率半径%x%轴与后轮轴间距theta=atan(x/r);end小车行驶一个周期的路程计算：function LC = fLC(r0,l)%!用第一类曲线积分,当被积函数为1时,即求曲线长度%r0零电处曲线的纵坐标,r0-y/

13、2>10,y为两后轮间距%l两个障碍物间距,7001300%LC、车行驶一个周期的路程x0=sym('x0');%r0=sym('r0'); l=sym(T); % 使结果带有r0和l这两符号f=sqrt(1+r0A2*piA2*(sin(pi/l*x0)A2/(lA2);LC=int(f,0,2*l);LC=double(LC); %各结果转化为数值.结果带有符号时不能使用 end凸轮轮廓曲线绘图：l=800;湖个障碍物间距,7001300r0=150; %?点处曲线的纵坐标,r0-y/2>10,y为两后轮间距x=200;洵轮轴与后轮轴间距yT=3

14、0; %yT1向杆长rj=10;咄轮基圆半径x1=72;咄轮轴(轴1)与前轮轴水平间距x2=72;嘛1与轴2间距x3=48;嘛2与轴3间距x0=0;r=fr(x0,r0,l);theta=ftheta(r,x);maxDelta=fDelta(theta,yT); %maxDeltai杆最大伸长(或缩短)的量maxDeltaxT=x1-rj-maxDelta;%xT1轮的推不叱度xT i=1;for alpha=0二2*pix0=alpha*l/pi;r=fr(x0,r0,l);theta=ftheta(r,x);Delta=fDelta(theta,yT);TL=rj+maxDelta+De

15、lta;n(i)=alpha;m(i)=TL;i=i+1;%hold on;%polar(alpha,TL); %苗点法画出凸轮轮廓%plot(x0,Delta); 新看Delta(推杆伸长缩短或)随乂0变化而变化的情况%plot(x0,theta);%看theta (前轮转角)随x0变化而变化的情况%hold off;endpolar(n,m);%axis equal;%苗点时,使横纵坐标单位间距相等参数确定单位：mm前轮轴与后轮轴间距x=200导向杆长x=30凸轮基圆半彳5R=10凸轮轴(轴1)与前轮轴水平间距x=80轴1与轴2间距x=72轴2与轴3间距x=48零部件设计1 .需加工的零件

16、：a.驱动轴、传动轴b.车轮c.轴承座d.底板e.凸轮2 .可购置的标准件：内圈10的深沟球轴承、7个不同弹性模量弹簧、M8方形内六角螺栓3 .局部加工零件二维图OO/300 氏2114,00moooOJ口goo讥.刀.2510.00中4QQ尚6mo o g inoQ016,00O8010.00阻.0n oo o 加0,00巧4,004.00_L_J42,695.寸寸寸2&00SSI0外挡 100>00 uO O 白 313,00已欣一grqSL“用0外挡100川.后轮2个小车运动仿真分析为了进一步分析本方案的可行性,我们利用了Solidworks进行了动态仿真.四小车制作调试及改进小车制作流程小车调试方法小车的调试是个很重要的过程,有了大量的理论依据支撑,还必须用大量的 实践去验证.小车的调试涉及到很多的内容,如车速的快慢,绕过障碍物, 小车整体的协调性等.(1)小车的速度的调试：通过小车在指定的赛道h行走,测量通过指定电 的时间,得到多组数据,从而得出小车行驶的速度,通过试验,发现小车后 半程速度较快,整体协调性能不是太好,于是车小了绕绳驱动轴,减小过大 的驱动力同时也增大了小车前进的距离.(2)小车避障的调试：虽然本组小车各个机构相对来说较简单,但损耗能 量稍多,同时避障也不是很好,可以通过改变摇杆与