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1、上海交通大學(xué) PRP 學(xué)生研究論文 項(xiàng)目名稱：以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車設(shè) 計(jì) 項(xiàng)目題目：無碳小車設(shè)計(jì)方案及分析 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 所在院系：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 指導(dǎo)老師： 承擔(dān)單位：工程訓(xùn)練中心 目 錄 一、功能及設(shè)計(jì)要求 ..................................................1 二、無碳小車設(shè)計(jì)方案 ................................................2 2.1 整車設(shè)計(jì) ......................................

2、...............3 2.2 轉(zhuǎn)向輪設(shè)計(jì) ...................................................4 2.3 驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì) ...................................................5 2.4 轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)輪的鏈接 ...........................................5 2.5 主要尺寸設(shè)計(jì) .................................................6 2.6 能量計(jì)算 ........................

3、.............................7 2.7 材料選擇 .....................................................8 2.8 工藝分析.................................................... 8 2.9 成本分析................................................... 8 三、實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析及改進(jìn)方案 3.1 比賽軌跡分析............................................... 9 3.

4、2 理論分析.................................................. 10 3.3 比賽實(shí)際狀況.............................................. 11 3.4 改進(jìn)方案.................................................. 12 摘要 本文詳細(xì)介紹了我們根據(jù)全國(guó)大學(xué)生工程能力競(jìng)賽的要求設(shè)計(jì)的一輛無碳小車，包括 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的原理，小車的尺寸設(shè)計(jì)，行進(jìn)路線計(jì)算，能量計(jì)算，材料選擇和工 藝分析等，根據(jù)此設(shè)計(jì)報(bào)告制造出的無碳小車成功的實(shí)現(xiàn)了競(jìng)賽的設(shè)計(jì)要求，并代表

5、交大 參加了全國(guó)工程能力競(jìng)賽，取得了好成績(jī)。這是一輛純機(jī)械系統(tǒng)控制，以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的 能夠自行按周期轉(zhuǎn)向的小車，對(duì)于開闊機(jī)械設(shè)計(jì)者的思路有很好的效果，也體現(xiàn)了低碳環(huán) 保的主題。 關(guān)鍵詞：無碳 設(shè)計(jì) 自行轉(zhuǎn)向 重力勢(shì)能 Abstract This text introduces a no-carbon car we desired according to the requirements of the national engineering competition. It contains the idea we used to drive and turn the direction of

6、 the car, the desire of size, the simulation of its route and energy, the choice of material and manufacture process. The car we manufactured have successfully achieve the requirements of the competition and it has won the third price in the national competition. It is a car controlled without power

7、; it is drived by gravitational potential energy and can turn its wheel automatically. It is a good example to broaden our prospective in mechanical desire and it also show the principle of low carbon and environmental friendly. Key words: no carbon,desire,turn automatically,gravitational potential

8、energy 一、功能設(shè)計(jì)要求 給定一重力勢(shì)能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用 來驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該自行小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔 1 米，放置一個(gè)直徑 20mm、高 200mm 的彈性障礙圓棒） 。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開 障礙的多少來綜合評(píng)定成績(jī)。 給定重力勢(shì)能為 5 焦耳（取 g=10m/s2） ，競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為 1Kg 的重塊（5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 5002mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一 起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。 要求小車前行過程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何

9、其他的能量形式。 小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1 個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪） ，具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由 參賽者自主設(shè)計(jì)完成。要求滿足：小車上面要裝載一件外形尺寸為6020 mm 的實(shí)心 圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于 750 克；在小車行走過程中，載荷不允許掉 落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。 圖 1： 無碳小車示意圖 圖 2： 無碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖 二、無碳小車設(shè)計(jì)方案 以下是具體的設(shè)計(jì)方案介紹： 2.1、整車設(shè)計(jì) 如圖 4 所示為我們?cè)O(shè)計(jì)小車的總圖。 圖 4 車身尺寸 330*220*700 2.2、轉(zhuǎn)向輪設(shè)計(jì) 圖 5 轉(zhuǎn)向輪由擺動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成,設(shè)計(jì)為

10、1 號(hào)擺桿來回?cái)[動(dòng)一次，整個(gè)前輪左右擺動(dòng)一定角度， 從而小車前輪左右擺動(dòng)一次， （具體擺動(dòng)角度要通過實(shí)驗(yàn)確定） 。 2.3、驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì) 圖 7 由于需要很好的控制小車的行進(jìn)速度，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)中軸機(jī)構(gòu)，這樣在重塊下 落的過程中，會(huì)首先拉動(dòng)齒輪 2 隨其轉(zhuǎn)動(dòng)，再由齒輪傳遞到齒輪 1 上，由于齒輪 1 與 整個(gè)后軸固定，所以可以帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。由于存在多級(jí)齒輪的傳遞，所以可以行進(jìn)更 多的距離。而后輪所受到的摩擦力會(huì)隨著多級(jí)齒輪而放大，這樣可以保證小車行進(jìn)的 足夠慢，這樣也保證了小車的穩(wěn)定性。 2.4、轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動(dòng)輪的鏈接 圖 8 我們是通過擺桿 2 的前后移動(dòng)來協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪的一致性，由于齒輪

11、 3 上的偏心 裝置我們帶動(dòng)擺桿 2 在 1 中的前后運(yùn)動(dòng)，我們把動(dòng)力從驅(qū)動(dòng)輪傳到前方的方向輪，使 它有周期的偏轉(zhuǎn)某個(gè)角度，來達(dá)到周而復(fù)始的波浪形運(yùn)動(dòng)。 2.5、主要尺寸設(shè)計(jì) 初擬定驅(qū)動(dòng)輪外徑 D1=230mm 兩齒輪外徑分別為 D2=20mm D3=60mm 導(dǎo)向輪半徑 D4=50mm 在中軸線上我們要求小車每前進(jìn) 2000mm 為一個(gè)周期，也就是控制轉(zhuǎn)向裝置的機(jī)構(gòu)只能 旋轉(zhuǎn)一周，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)軌跡是歪曲的，所以我們確立了小車輪子直徑為 230mm（具體結(jié)果見 后面） 。 2.7、能量計(jì)算 1）力分析： 小車質(zhì)量 P0 ，重力 P0 g=地面支反力 N0 小車驅(qū)動(dòng)力矩 M=等效

12、力偶 F0D/ 2 （小車驅(qū)動(dòng)力）F0=2M/D M 由 G 獲取 例如：M= G/ 2= F 0D/ 2（暫不計(jì)效率） 此時(shí) F 0= G/D 力約束（克服運(yùn)行阻力的最小值和不打滑的最大值） 克服運(yùn)行阻力（車體運(yùn)行阻力包括慣性阻力和靜阻力） 慣性阻力（N）=P 0 a (小車啟動(dòng)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(yùn)行阻力系數(shù)，實(shí)驗(yàn)得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 約 0.01。 F0 P0 (a+ g w ) 地面對(duì)小車摩擦阻力 Ff ， Ff = P0 g f（摩擦系數(shù)）

13、 不打滑條件 F 0 Ff = P0 g f 2）做功分析： 設(shè)：S 為小車行走距離，mm， 為小車總效率， F0 S =G500mm 則： S =G 500mm / F0 前面防滑計(jì)算得出：F 0 Ff = P 0 g f 可見： 為了增大小車行走距離， 為了避免能量損失不打滑， 在保證能夠驅(qū)動(dòng)小車行走的前提下，F(xiàn) 0 越小越好。 F0= G/D 2.8、材料選擇 初步選定鋁合金來制作整個(gè)車身及各種連接裝置，輪子的材料為輕質(zhì)塑料，具體材料 由實(shí)驗(yàn)得出。 2.9、工藝分析 加工部件 加工工序 車軸 車工 后輪 數(shù)銑，鉆孔 偏心裝置 數(shù)銑，鉆孔，攻

14、絲 前輪 鉗工，攻絲 車身 數(shù)銑，鉗工，鉆孔，攻絲 皮帶輪 數(shù)銑，壓花 2.10、成本分析 后輪：3mm 鋁板 20 元 驅(qū)動(dòng)軸： 10 元 軸承： 50 元 齒輪： 100 元 前輪： 10 元 龍門架： 20 元 其他部件： 70 元 鋁板：5mm 鋁板 12 元 合計(jì) 300 元 三、實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析及改進(jìn)方案 3.1、比賽軌跡分析 根據(jù)無碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（如圖） ， 受約束只能前后滑動(dòng)的傳動(dòng)桿將齒輪的勻速轉(zhuǎn) 動(dòng)轉(zhuǎn)化為自身正弦周期運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)又通過圖 示機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)

15、化為前輪正弦周期的左右擺動(dòng)。 小車的轉(zhuǎn)向幅度是與前輪擺動(dòng)的大小成正比 的，設(shè) 前輪擺 動(dòng)方向的函數(shù)為-sinwt,則小車的轉(zhuǎn)向軌跡為- sinwtdt=coswt,是余弦函數(shù)，且與前輪的左右轉(zhuǎn)向 相差了 /4 個(gè)周期。 若前輪的擺動(dòng)方向如下圖， 圖 1 則此時(shí)小車前進(jìn)的軌跡為 圖 2 下面分析比賽時(shí)無碳小車擺放的最佳初始狀態(tài): 圖 2 所示為行進(jìn)時(shí)的最佳軌跡。由圖看出，在初始狀態(tài)，小車并不是正對(duì)第一個(gè)桿， 而是橫向和第一個(gè)桿有一定距離。前輪也不是正對(duì)著前方，而是像圖 1 一樣轉(zhuǎn)到向右方的 最大偏角點(diǎn)。 初始狀態(tài)距離中心線

16、的距離應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況確定。這輛小車寬度為 230mm，所以距 離至少為 115mm，此外還要考慮由于制造精度的問題小車在行進(jìn)過程中會(huì)逐漸偏離理論軌 跡。因此我們還定了 70mm 的余量，最終小車初始狀態(tài)離中心線暫定為 190mm，在這種情況 下，小車經(jīng)過一個(gè)周期（過兩個(gè)桿） ，后輪前進(jìn)的距離應(yīng)為余弦曲線的弦長(zhǎng)（建模后測(cè)得為 216mm） 。定好小車軌跡后，可以據(jù)此設(shè)計(jì)小車周期和其它尺寸。 3.2 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 小車的驅(qū)動(dòng)力為 1kg 的重物，為了保證小車行進(jìn)中能保持穩(wěn)定狀態(tài)，既要能輕松啟動(dòng) 又不能速度太快，驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸設(shè)計(jì)很重要。在行進(jìn)過程中，小車的主要阻力為前輪與 地面的摩擦已經(jīng)各軸承內(nèi)

17、部的損失。最終小車的質(zhì)量約為 1.2kg,前輪承重約為 0.5kg,按滾 動(dòng)摩擦系數(shù) 0.04，所受阻力為 0.2N,再考慮各種機(jī)械損失，前進(jìn)中小車受阻力大約為 0.3N。重物提供的拉力為 10N,所以拉力阻力比約為 33:1，可以先通過 20:60 的齒輪將拉力 減小 3 倍，再通過 20:230 的小齒輪與后輪將拉力減小 11 倍。這樣重物提供的拉力可以正 好保證小車勻速運(yùn)動(dòng)。 （由于很多數(shù)據(jù)都是估算，需要在小車做好后，通過實(shí)踐確定最佳的 驅(qū)動(dòng)裝置尺寸） 3.3 比賽狀況 在全國(guó)大學(xué)生工程能力競(jìng)賽中，我們?cè)O(shè)計(jì)的小車參加了比賽。最終我們成功繞桿 13 個(gè)， 取得了三等獎(jiǎng)。比賽中最強(qiáng)的隊(duì)伍繞桿

18、 20 多個(gè)，前進(jìn)近 30 米。從中我們也看到了很大的 差距，通過對(duì)其他隊(duì)伍的觀察和幾天的學(xué)習(xí)，我們看到了我們的小車在設(shè)計(jì)和制造方面都 有許多的不足，現(xiàn)分析如下： 根據(jù)我們的尺寸設(shè)計(jì)，我們可以得到理論上行的最遠(yuǎn)的距離為 17.25 米，但在實(shí)際測(cè) 試過程中我們只能跑出 12 米左右的成績(jī)。附：理論行進(jìn)距離：第一個(gè)齒輪的放大比第二 個(gè)齒輪的放大比，即【（6020）（23020）=17.25】 3.4 原因分析及改進(jìn)方案： 原因分析： 1. 小車質(zhì)量太重，由于我們這輛小車采用了大量的鋁合金，所以導(dǎo)致了小車的整體質(zhì) 量還是偏重的，由于摩擦力是與壓力成正比的，這也必然導(dǎo)致我們的摩擦力會(huì)很大，所以 一旦

19、要啟動(dòng)這樣的車子需要更大的力，也導(dǎo)致理論距離縮短了。 2. 小車的行進(jìn)路線過于彎曲，小車由于要行進(jìn)更多的路程損失了較大部分的能量，所 以我們要選擇一條更好的線路來完成比賽。 3. 小車重心不穩(wěn)，且不在中軸線上，在左右移動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn) 生了很大的摩擦力。 改進(jìn)方案： 1. 減輕小車質(zhì)量，在保證小車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的前提下 保證小車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的前提下盡一切 力量減小車 保證小車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的前提下減小車身質(zhì)量，在 5J 前提下理論上可以行駛更遠(yuǎn) 的距離，同時(shí)速度方面身質(zhì)量也有相應(yīng)的提高。減輕質(zhì)量應(yīng)該至少?gòu)膬蓚€(gè)方面入手：1）對(duì) 于不需要的結(jié)構(gòu)盡量不要，比如小車地盤我們不需要一個(gè)完整的小車地盤，

20、甚至可以只用 幾根梁組合而成，這樣在結(jié)構(gòu)上對(duì)質(zhì)量有所 減輕。小車的龍門架我們也是用實(shí)心的鋼材做 成的，占了小車整體重量很大的比例，其實(shí)對(duì)這一部分對(duì)強(qiáng)度要求不高，我們可以選擇空 心的管材。2）選材上，在滿足剛度要求的前提下，選擇密度更小的材料來制作，也能減輕 車身質(zhì)量。 2. 對(duì)車身結(jié)構(gòu)的調(diào)整，主要是車身長(zhǎng)寬量化方面，以保證小車在前 保證小車在前 進(jìn) 的時(shí)候軌跡更加平滑。這樣做的意義在于：1）我們可以從示意進(jìn)的時(shí)候軌跡更加平滑 圖 中看出如果調(diào)整路徑后更平緩，通過想同數(shù)量障礙所行路程就 更短，小車就能跑得更遠(yuǎn)。 2）小車轉(zhuǎn)彎的角度更小，確保了小車的平穩(wěn)性。實(shí)現(xiàn)方式：對(duì)小車運(yùn)行軌跡、車身的長(zhǎng)度、 寬度量化， 通過人工計(jì)算和電腦計(jì)算確定出最佳的長(zhǎng)寬和運(yùn)行軌跡。 3. 重心調(diào)制重心調(diào)制。通過在設(shè)計(jì)時(shí)候?qū)χ匦牡恼{(diào)制使小車運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候轉(zhuǎn) 矩更小。該過程仍然采用量化。在實(shí)際操作中，通過調(diào)節(jié)附加重物，使小車的重心達(dá)到調(diào) 節(jié)。