無碳小車 " 8 "字型設(shè)計方案 成 員: 指導(dǎo)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(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接，綜合體現(xiàn)大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)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(fā)大學(xué)生進行科學(xué)研究與探索的興趣，加強大學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新意識和合作精神的培養(yǎng)。 小車功能設(shè)計要求 給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的動力載荷只能由給定重力勢能（4焦耳）轉(zhuǎn)換得到。動力載荷按要求(Φ50×65mm,質(zhì)量≤1kg,材料：普通碳鋼)準備，重塊落差400±2mm，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為60×20 mm的實心圓柱型鋼制質(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。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。 小車整體設(shè)計要求 小車設(shè)計過程中需要完成：結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、工藝設(shè)計方案、成本分析和工程管理方案設(shè)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(guī)劃。設(shè)計能力項要求對參賽作品的設(shè)計具有創(chuàng)新性和規(guī)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(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu) 原動機構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機構(gòu)還有其它的具體要求。 （1）.驅(qū)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(zhuǎn)化到驅(qū)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(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。 （4）.機構(gòu)簡單，效率高。 圖一 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構(gòu)。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來改變其輸出的動力。 2.1 結(jié)構(gòu)圖 圖二 2.2 分析 1）.在起始時原動輪的轉(zhuǎn)動半徑較大，起動轉(zhuǎn)矩大，有利起動。 2）.起動后，原動輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(shè)計實現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)就會增大，從而使物快減速。 3 傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)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(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。 （2）.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、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(shè)計。 （3）.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)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(yōu)先考慮使用齒輪傳動。 我們組最終選用了耐磨、質(zhì)量輕、價格合適的尼龍齒輪作為傳動機構(gòu)，并且根據(jù)“8”字形的行走軌跡將現(xiàn)有的齒輪進行了加工，將齒輪銑去部分齒，與其它齒輪構(gòu)成傳動機構(gòu)。 4轉(zhuǎn)向機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)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?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。 結(jié)合小車的傳動機構(gòu)和加工技術(shù)的限制，我們采用了簡單的偏心圓盤+搖桿的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。其優(yōu)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(gòu)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(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。 圖三 在本小車設(shè)計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構(gòu)并不復(fù)雜，可以再連桿兩端裝上關(guān)節(jié)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(qū)動機構(gòu)，我們采用 缺齒齒輪 雙聯(lián)缺齒齒輪與轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連來實現(xiàn)這一要求。 5行走機構(gòu) 行走機構(gòu)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(guān)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(chǎn)生差速。我們采用了單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)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(qū)動輪間的差速依靠與地面的摩擦約束力調(diào)節(jié)。后輪的直徑暫定為240mm。 6 微調(diào)機構(gòu) 連桿的一端與圓盤連接，圓盤上的偏心孔的偏心距離為C，連桿與轉(zhuǎn)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 L C L 7 主要尺寸設(shè)計及計算 小車走“8”字形軌跡避讓障礙物，對于軌跡的設(shè)計及其重要，這對于小車的結(jié)構(gòu)布局也很重要。我們設(shè)計的“8”字形軌跡如下圖：小車從起點出發(fā)，最初給定適合的前輪偏向 起點 圖六 轉(zhuǎn)彎 角，繞藍色的優(yōu)弧進行“8”字的部分繞行，到達紅藍交叉處，轉(zhuǎn)彎機構(gòu)開始轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)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(zhuǎn)前輪保持第一次轉(zhuǎn)向后的偏向角繼續(xù)沿紅色軌跡運行至轉(zhuǎn)彎處，轉(zhuǎn)向機構(gòu)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(qū)動，前輪導(dǎo)向與驅(qū)動輪的橫向距離越大，會使小車在繞行“8”字時軌跡不對稱，即一個圓大，一個圓小。所以我們將驅(qū)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(dǎo)向輪 導(dǎo)向輪與驅(qū)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(qū)動輪的軌跡，細線為從動輪。 驅(qū)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(shè)計只對上述情況作定性的分析，再設(shè)計與之相關(guān)的零件參數(shù)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(guān)參數(shù)如上圖所示。 小車的設(shè)計參數(shù)： 繞線軸半徑為r2 小車的后輪的直徑d2=240mm，齒輪傳動比為i 前后輪軸距為190mm, 前輪直徑為50mm 結(jié)合齒輪的傳動比，后輪繞行3周，雙聯(lián)缺齒齒輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)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 a b d c 小車行走軌跡分析 只有A輪為驅(qū)動輪，當轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時，則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 小車行走過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度 當小車轉(zhuǎn)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(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運動軌跡基本符合預(yù)想軌跡。（圖六） 能量計算 1）力分析： 小車質(zhì)量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0 小車驅(qū)動力矩M=等效力偶F0×D/ 2 （小車驅(qū)動力）F0=2M/D M由G獲取 例如：M= G×Φ/ 2= F0×D/ 2（暫不計效率） 此時 F0= G×Φ/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(shù)，實驗得出經(jīng)驗數(shù)據(jù)，約 0.03。 F0＞ P0 (a+ g w ) 地面對小車摩擦阻力Ff ， Ff = P0 g × f（摩擦系數(shù)） 不打滑條件 F0 ＜ Ff = P0 g × f 2）做功分析： 設(shè)：S為小車行走距離，mm，η為小車總效率， F0 × S =G×500mm×η 則： S =G× 500mm× η / F0 前面防滑計算得出：F0＜ Ff = P0 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)動小車行走的前提下，F(xiàn)0 越小越好。 F0= G×Φ/D 工藝設(shè)計方案 成本分析方案 工程管理方案 無碳小車 " 8 "字型設(shè)計方案 成 員: 指導(dǎo)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(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接，綜合體現(xiàn)大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)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(fā)大學(xué)生進行科學(xué)研究與探索的興趣，加強大學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新意識和合作精神的培養(yǎng)。 小車功能設(shè)計要求 給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的動力載荷只能由給定重力勢能（4焦耳）轉(zhuǎn)換得到。動力載荷按要求(Φ50×65mm,質(zhì)量≤1kg,材料：普通碳鋼)準備，重塊落差400±2mm，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為60×20 mm的實心圓柱型鋼制質(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。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。 小車整體設(shè)計要求 小車設(shè)計過程中需要完成：結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、工藝設(shè)計方案、成本分析和工程管理方案設(shè)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(guī)劃。設(shè)計能力項要求對參賽作品的設(shè)計具有創(chuàng)新性和規(guī)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(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu) 原動機構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機構(gòu)還有其它的具體要求。 （1）.驅(qū)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(zhuǎn)化到驅(qū)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(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。 （4）.機構(gòu)簡單，效率高。 圖一 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構(gòu)。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來改變其輸出的動力。 2.1 結(jié)構(gòu)圖 圖二 2.2 分析 1）.在起始時原動輪的轉(zhuǎn)動半徑較大，起動轉(zhuǎn)矩大，有利起動。 2）.起動后，原動輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(shè)計實現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)就會增大，從而使物快減速。 3 傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)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(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。 （2）.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、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(shè)計。 （3）.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)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(yōu)先考慮使用齒輪傳動。 我們組最終選用了耐磨、質(zhì)量輕、價格合適的尼龍齒輪作為傳動機構(gòu)，并且根據(jù)“8”字形的行走軌跡將現(xiàn)有的齒輪進行了加工，將齒輪銑去部分齒，與其它齒輪構(gòu)成傳動機構(gòu)。 4轉(zhuǎn)向機構(gòu) 轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)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?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。 結(jié)合小車的傳動機構(gòu)和加工技術(shù)的限制，我們采用了簡單的偏心圓盤+搖桿的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。其優(yōu)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(gòu)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(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。 圖三 在本小車設(shè)計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構(gòu)并不復(fù)雜，可以再連桿兩端裝上關(guān)節(jié)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(qū)動機構(gòu)，我們采用 缺齒齒輪 雙聯(lián)缺齒齒輪與轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連來實現(xiàn)這一要求。 5行走機構(gòu) 行走機構(gòu)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(guān)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(chǎn)生差速。我們采用了單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)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(qū)動輪間的差速依靠與地面的摩擦約束力調(diào)節(jié)。后輪的直徑暫定為240mm。 6 微調(diào)機構(gòu) 連桿的一端與圓盤連接，圓盤上的偏心孔的偏心距離為C，連桿與轉(zhuǎn)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 L C L 7 主要尺寸設(shè)計及計算 小車走“8”字形軌跡避讓障礙物，對于軌跡的設(shè)計及其重要，這對于小車的結(jié)構(gòu)布局也很重要。我們設(shè)計的“8”字形軌跡如下圖：小車從起點出發(fā)，最初給定適合的前輪偏向 起點 圖六 轉(zhuǎn)彎 角，繞藍色的優(yōu)弧進行“8”字的部分繞行，到達紅藍交叉處，轉(zhuǎn)彎機構(gòu)開始轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)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(zhuǎn)前輪保持第一次轉(zhuǎn)向后的偏向角繼續(xù)沿紅色軌跡運行至轉(zhuǎn)彎處，轉(zhuǎn)向機構(gòu)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(qū)動，前輪導(dǎo)向與驅(qū)動輪的橫向距離越大，會使小車在繞行“8”字時軌跡不對稱，即一個圓大，一個圓小。所以我們將驅(qū)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(dǎo)向輪 導(dǎo)向輪與驅(qū)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(qū)動輪的軌跡，細線為從動輪。 驅(qū)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(shè)計只對上述情況作定性的分析，再設(shè)計與之相關(guān)的零件參數(shù)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(guān)參數(shù)如上圖所示。 小車的設(shè)計參數(shù)： 繞線軸半徑為r2 小車的后輪的直徑d2=240mm，齒輪傳動比為i 前后輪軸距為190mm, 前輪直徑為50mm 結(jié)合齒輪的傳動比，后輪繞行3周，雙聯(lián)缺齒齒輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)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 a b d c 小車行走軌跡分析 只有A輪為驅(qū)動輪，當轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時，則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 小車行走過程中，小車整體轉(zhuǎn)過的角度 當小車轉(zhuǎn)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(shè)定合理的參數(shù)的到了小車運動軌跡基本符合預(yù)想軌跡。（圖六） 能量計算 1）力分析： 小車質(zhì)量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0 小車驅(qū)動力矩M=等效力偶F0×D/ 2 （小車驅(qū)動力）F0=2M/D M由G獲取 例如：M= G×Φ/ 2= F0×D/ 2（暫不計效率） 此時 F0= G×Φ/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(shù)，實驗得出經(jīng)驗數(shù)據(jù)，約 0.03。 F0＞ P0 (a+ g w ) 地面對小車摩擦阻力Ff ， Ff = P0 g × f（摩擦系數(shù)） 不打滑條件 F0 ＜ Ff = P0 g × f 2）做功分析： 設(shè)：S為小車行走距離，mm，η為小車總效率， F0 × S =G×500mm×η 則： S =G× 500mm× η / F0 前面防滑計算得出：F0＜ Ff = P0 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)動小車行走的前提下，F(xiàn)0 越小越好。 F0= G×Φ/D 工藝設(shè)計方案 成本分析方案 工程管理方案 學(xué)校名稱：北京交通大學(xué) 2012北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽 工程管理報告 總2頁 第1頁 編號： 產(chǎn)品名稱 無碳小車 生產(chǎn)綱領(lǐng) 500件/年 零件名稱 無碳小車 生產(chǎn)批量 100件/批 1、工程概況 無碳小車是具有自主創(chuàng)意的工程訓(xùn)練產(chǎn)品，驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的動力載荷只能由給定重力勢能（4焦耳）轉(zhuǎn)換得到。動力載荷按要求(Φ50×65mm,質(zhì)量≤1kg,材料：普通碳鋼)準備，重塊落差400±2mm，并隨小車一起運動時鉛垂下落，不允許從小車上掉落。小車在半張乒乓球臺上按8字形繞障行走，根據(jù)成功完成行走次數(shù)計分。無碳小車制造的工程管理可描述為：在工程的設(shè)計及實施階段，工程部和項目管理人員，按照工程實施的有關(guān)法律、法規(guī)、技術(shù)規(guī)范的要求，用系統(tǒng)工程的理論、觀點和方法，進行有效的規(guī)劃、決策、組織、協(xié)調(diào)、控制等系統(tǒng)性的、科學(xué)的管理，使公司取得應(yīng)有的社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益。 2、生產(chǎn)過程組織 根據(jù)每批100臺的中批量生產(chǎn)原則，采取率先生產(chǎn)零件的方式，工序的時間組織按零件的順序移動方式 。由車工、銑工、裝配車間分別生產(chǎn)車軸、車輪、轉(zhuǎn)向桿支架、底盤等零件通過流水線的流水組裝，裝配成車。 生產(chǎn)分為五批次進行，由第三個月開始，每批次用時兩個月，每年的一月份做年終總結(jié)和市場調(diào)查分析，二月份用于購置和改進零件。 小車的生產(chǎn)分為五個批次，每個批次生產(chǎn)100臺，單個季度支出327×100=32700元，售出后進行市場調(diào)查，反饋回來的信息可指導(dǎo)下一批的生產(chǎn)及改進，收回的成本繼續(xù)投入到下批的生產(chǎn)，這樣可以實現(xiàn)小額資金完成年產(chǎn)500臺的生產(chǎn)任務(wù)。 3、人力資源配置 勞動分工的原則 1.有利于發(fā)揮勞動者的技術(shù)專長，要盡可能使每個工人所擔(dān)負的工作適合本人的技術(shù)技能，使得到人盡其才，并保證產(chǎn)品質(zhì)量。 2.要使每個工人有足夠的工作量，使工人的工作時間得以充分利用。 3.在配備工人時，分工不宜過細，同時要培養(yǎng)工人掌握多種技術(shù)，以根據(jù)需要，承擔(dān)部分其它工種任務(wù)。 4.要使每個工人都有明確的責(zé)任，并建立相應(yīng)的崗位責(zé)任制，消除無人負責(zé)的現(xiàn)象。需要有多人共同完成的工作，要指定總負責(zé)人，并盡可能明確的規(guī)定每個成員的工作任務(wù)，以充分調(diào)動每個人的積極性和責(zé)任心。 工作輪班的組織 通過輪班組織，把工人之間的協(xié)作關(guān)系，從時間上有效地組織起來，保證生產(chǎn)正常進行。 4、生產(chǎn)進度計劃與控制 三個車間大生產(chǎn)時限的規(guī)定 （一） 車工車間生產(chǎn)時限的規(guī)定 1． 正常100根軸無特殊的情況下為2個工作日內(nèi)完成； 2．若材料特殊、短缺推后4個工作日內(nèi)完成； 3．車工車間必須逐批分階段向銑工車間交接，以免造成針車車間生產(chǎn)堵塞，中途若非人為原因造成的拖延應(yīng)及時向生產(chǎn)辦說明滯后原因。 （二）銑工車間生產(chǎn)時限的規(guī)定 1．正常工藝，100件局部零件無特殊技術(shù)難題的狀況下為4個工作日完成 2．特殊的允許順延5個工作日。中途非人為原因造成的拖延應(yīng)及時向生產(chǎn)辦說明滯后原因。 4．銑工車間必須逐批分階段向組裝車間交接，組裝車間無特殊交待，銑工車間不得在最后交接時刻一次性移交，以免造成成型車間生產(chǎn)不順。 （三） 組裝車間生產(chǎn)時限的規(guī)定 1．正常工藝，無特殊操作缺陷狀況的為2個工作日內(nèi)完成； 2．若屬特殊情況并經(jīng)生產(chǎn)部同意的給予順延1個工作日內(nèi)完成； 5、質(zhì)量管理 5.1質(zhì)量管理主要分為三部分 （1）進貨檢驗：投產(chǎn)前，對外購原材料進行質(zhì)檢，防止不符合質(zhì)量要求的原材料進入生產(chǎn)過程，確保穩(wěn)定的生產(chǎn)秩序和產(chǎn)成品的質(zhì)量。 （2）工人自檢：在每一道工序加工結(jié)束時由生產(chǎn)工人對所生產(chǎn)的零件進行質(zhì)檢，預(yù)防不合格品進入下道工序。 （3）成品檢驗：對完工后的產(chǎn)品進行質(zhì)檢，質(zhì)量合格并包裝后才能入庫登記。 5.2為確保產(chǎn)品質(zhì)量合格，設(shè)定以下規(guī)定 1.凡產(chǎn)品出廠前，因設(shè)計、計劃、投料、加工而造成返修、報廢的損失其中各責(zé)任部門所罰款項的80%； 2.凡具備交檢條件檢驗員應(yīng)及時檢查，嚴禁壓檢、錯檢，漏檢。如是過程檢的責(zé)任扣所屬部門，終檢責(zé)任扣檢計處。過程檢、終檢員應(yīng)履行各自的工作職責(zé)，在業(yè)務(wù)上屬檢計處領(lǐng)導(dǎo)，在問題處理上由檢計處裁決?？绮块T的責(zé)任處理，不得私自處理。必須通知相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)，否則由所在部門承擔(dān)責(zé)任。 3.凡產(chǎn)生重大質(zhì)量事故的責(zé)任者，扣發(fā)當月獎金，根據(jù)情節(jié)輕重和后果并給予其他行政紀律處理。 4.開展個人標兵活動，個人標兵必須是完成全年下達的生產(chǎn)任務(wù)，全年無質(zhì)量事故者。由質(zhì)管處審查后報廠工會在年終總結(jié)評比時作為單項標兵進行一次獎勵。 裝 訂 線 學(xué)校名稱：北京交通大學(xué) - 1 - 缺齒齒輪的加工工藝 機械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 零件圖號 產(chǎn)品名稱 缺齒齒輪 零件名稱 缺齒齒輪 共 1 頁 第 1 頁 材 料 牌 號 PA6 毛 坯 種 類 塊狀尼龍 毛坯外形尺寸 65x20x65 每毛坯件數(shù) 1 每 臺 件 數(shù) 1 備 注 工 序 號 工 名 序 稱 工 序 內(nèi) 容 車 間 工 段 設(shè) 備 工 藝 裝 備 工 時 準終 單件 1 銑 粗銑P面厚度14 金工 X52K 專用銑夾具 35 0.8 2 銑 粗銑外表面為φ50圓 金工 X52K 專用銑夾具 34 0.7 3 鉆 鉆擴較孔2—?4F9至2- ?4F9,孔口倒角1×45 °, 鉆孔4—?4 金工 Z3025 專用鉆夾具 51．3 0．9 4 銑 銑凸臺面 金工 X52K 專用銑夾具 34 0.7 5 鏜 粗鏜孔2—?8,孔口倒角1×45 ° 金工 組合機床 專用鏜夾具 33 .08 6 銑 精銑N面 金工 X6132 專用銑夾具 38 0.9 7 銑 銑15齒 金工 X52K 專用銑夾具 53 1.2 8 銑 銑薄無齒部分T8 金工 X6132 專用銑夾具 36 0.9 二、齒輪加工工藝分析 （一）工藝過程分析 圖1-1所示為一缺齒齒輪，材料為尼龍，精度為7－6－6級?！　? 齒輪加工工藝過程大致要經(jīng)過如下幾個階段：齒坯加工、齒形加工、齒端加工及齒形精加工等。 圖1-1缺齒齒輪 齒坯最初進入機械加工的階段。由于齒輪的傳動精度主要決定于齒形精度和齒距分布均勻性，而這與切齒時采用的定位基準（孔和端面）的精度有著直接的關(guān)系，所以，這個階段主要是為下一階段加工齒形準備精基準，使齒的內(nèi)孔和端面的精度基本達到規(guī)定的技術(shù)要求。在這個階段中除了加工出基準外，對于齒形以外的次要表面的加工，也應(yīng)盡量在這一階段的后期加以完成。 圖1-2 　 加工的最后階段是齒形的精加工階段。這個階段的目的，在于進一步提高齒形精度和降低表面粗糙度，使之達到最終的精度要求。在這個階段中首先應(yīng)對定位基準面（孔和端面）進行修整，以修整過的基準面定位進行齒形精加工，可以使定位準確可靠，余量分布也比較均勻，以便達到精加工的目的。 （二）缺齒加工 此步驟將雙聯(lián)齒輪中的一個加工為只留15尺的缺齒齒輪，由于尼龍材料便于加工，故采取了鉗工中銼削的方法，將多余的齒輪挫平，再使用砂輪進行外觀美化，直到使其符合安裝要求。 　?。ㄈ┒ㄎ换鶞实拇_定 　　定位基準的精度對齒形加工精度有直接的影響。軸類齒輪的齒形加工一般選擇頂尖孔定位，某些大模數(shù)的軸類齒輪多選擇齒輪軸頸和一端面定位。盤套類齒輪的齒形加工常采用兩種定位基準。 　　1）內(nèi)孔和端面定位　　選擇既是設(shè)計基準又是測量和裝配基準的內(nèi)孔作為定位基準，既符合“基準重合”原則，又能使齒形加工等工序基準統(tǒng)一，只要嚴格控制內(nèi)孔精度，在專用芯軸上定位時不需要找正。故生產(chǎn)率高，廣泛用于成批生產(chǎn)中。 　　2）外圓和端面定位　　齒坯內(nèi)孔在通用芯軸上安裝，用找正外圓來決定孔中心位置，故要求齒坯外圓對內(nèi)孔的徑向跳動要小。因找正效率低，一般用于單件小批生產(chǎn)。 　?。ㄋ模X端加工 如圖9－18所示，齒輪的齒端加工有倒圓、倒尖、倒棱，和去毛刺等 用銑刀進行齒端倒圓，如圖上圖所示。倒圓時，銑刀在高速旋轉(zhuǎn)的同時沿圓弧作往復(fù)擺動（每加工一齒往復(fù)擺動一次）。加工完一個齒后工件沿徑向退出，分度后再送進加工下一個齒端。 　 2012北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽 加工成本分析報告 總4 頁 第1 頁 編號： 產(chǎn)品名稱 無碳小車 生產(chǎn)綱領(lǐng) 500臺/年 1、材料成本分析（包括毛坯件和標準件） 編號 標準件 標準件尺寸 每臺件數(shù) 單價 備注 編號 材料 毛坯種類 毛坯尺寸 件數(shù)/毛坯 每臺件數(shù) 備注 1 帶座608軸承 外徑22，內(nèi)徑8 5 5 1 鋁合金 板材 60×60×20 20/1 1 2 608軸承 外徑22，內(nèi)徑8 3 2 2 鋁合金 棒料 Φ10×1000 10/1 1 3 1模60齒輪 孔8/外徑62/齒厚10 1 30 3 鋼材 棒料 Φ8×1000 60/1 1 4 1模90齒輪 孔8/外徑92/齒厚10 1 45 4 鋁合金 角鋁 3×3×2000 25/1 1 5 1模80齒輪 孔8/外徑82/齒厚10 1 40 5 有機玻璃 板材 1000×2000 30/1 2 6 1模30齒輪 孔8/外徑32/齒厚10 1 20 標準件共計（批量購買低于單價）（5×5+2×3+30+45+40+20）×500=83000元； 鋁合金棒料市場價格23元/kg，小車主要零件使用材料重量：（0.007+0.008×2+0.030）kg/臺×500臺=26.5kg，計入誤差后，材料成本為27×23=621元； 8mm軸承鋼棒市場價格11（元/m）,車軸的總長度：（0.18+0.07+0.065）×500臺=157.5m，計入誤差后材料成本：160×11=1760元 鋁合金板材市場價格200元/㎡，共需0.16×0.25×500=20平方米 ，計入誤差后材料成本：20.5×200=4100元 有機玻璃板材市場價格500（元/張）×30=15000元； 材料總價為：83000+621+1760+4100+15000=104484 材料運費：1500元 采購材料總花費：104484+1500=105984元 2、人工費和制造費分析（含有管理費用、稅費、水電費和機器的折舊費用等） 編 號 零件名稱 工藝內(nèi)容 工 時 工藝成本計算與分析 機動時間 輔助時間 總時間 1 小車底 板 ⑴沖壓加工 ⑵銑削加工 ⑶鉗工 沖壓外協(xié)加工 車削人工費：8元/小時，車床使用費：18元/小時； 銑削人工費：9元/小時，銑床使用費：18元/小時； 鉗工人工費: 20元/小時，鉆床使用費：8元/小時。 銑削費用：(9+20)×18/60=8.7元 鉗工費用：20×11/60=3.7元 共計：8.7+3.7=12.4元 15min 3min 18min 8min 3min 11min 裝 訂 線 學(xué)校名稱：北京交通大學(xué)  2012北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽 工藝成本分析卡片 總4 頁 第2 頁 編號： 產(chǎn)品名稱 無碳小車 生產(chǎn)綱領(lǐng) 500臺/年 2、人工費和制造費分析 序 號 零件 名稱 工藝內(nèi)容 工 時 工藝成本分析 機動時間 輔助時間 終準時間 2 軸承座增高柱 (1) 鉗工 (2)鉆孔 鉆孔費用：8×30/60=4元 鉗工費用：20×15/60=5元 共計：4+5=9元 20min 10min 30min 10min 5min 15min 3 車軸約束座 (1) 銑削 (2) 鉗工 (3) 鉆孔 10min 5min 15min 銑削費用：(9+20)×15/60=7.3元 鉗工費用：20×6/60=2.0元 鉆孔費用：8×7/60=0.9元 共計：7.3+2.0+0.9=10.2元 5min 1min 6min 5min 2min 7min 4 轉(zhuǎn)向軸 (1)車削 (2)鉗工 車削費用：(8+20)×8/60=3.7元 鉗工費用：20×2/60=0.7元 共計：3.7+0.7=4.4元 5min 3min 8min 1min 1min 2min 5 轉(zhuǎn)向輪 車削 8min 2min 10min 車削費用：(8+20)×10/60=4.7元 共計：4.7元 學(xué)校名稱：北京交通大學(xué) 裝 訂 線 2012北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽 工藝成本分析卡片 總4頁 第3 頁 編號： 產(chǎn)品名稱 無碳小車 生產(chǎn)綱領(lǐng) 500臺/年 2、人工費和制造費分析 序 號 零件 名稱 工藝內(nèi)容 工 時 工藝成本分析 機動時間 輔助時間 終準時間 6 固定軸套 (1) 銑削 (2) 車削 (3) 鉗工 20min 10min 30min 銑削費用：(9+20)×30/60=14.5元 車削費用：（8+20）×12/60=5.6元 鉗工費用：20×4/60=1.3元 共計：14.5+5.6+1.3=22.4元 10min 2min 12min 3min 1min 4min 7 偏心圓盤 ⑴車削 ⑵銑削 ⑶鉗工 5min 2min 7min 車削費用：(8+20)×7/60=3.3元 銑削費用：(9+20)×8/60=3.9元 鉗工費用：20×3/60=1.0元 共計：3.3+3.9+1.0=8.3元 5min 3min 8min 2min 1min 3min 8 轉(zhuǎn)向輪座 (1)銑削 (2)鉗工 (3)鉆孔 10min 2 min 15min 銑削費用：(9+20)×15/60=7.3元 鉗工費用：20×6/60=2.0元 鉆孔費用：8×4/60=0.5元 共計：7.3+2.0+0.5=9.8元 3min 3min 6min 3min 1min 4min 裝 訂 線 學(xué)校名稱：北京交通大學(xué) 2012北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽 工藝成本分析卡片 總3 頁 第4 頁 編號： 產(chǎn)品名稱 無碳小車 生產(chǎn)綱領(lǐng) 500臺/年 2、人工費和制造費分析 序 號 零件 名稱 工藝內(nèi)容 工 時 工藝成本分析 機動時間 輔助時間 終準時間 9 后輪1 (1) 車削 (2) 銑削 8 min 2 min 10 min 車削費用：（8+20）×10/60=4.7元 銑削費用：（9+20）×10/60=4.8元 共計：4.7+4.8=9.5元 8 min 2 min 10 min 10 后輪2 （1）車削 （2）銑削 8 min 2 min 10 min 車削費用：（8+20）×10/60=4.7元 銑削費用：（9+20）×10/60=4.8元 共計：4.7+4.8=9.5元 8 min 2 min 10 min 3、總成本： 無碳小車的零件有些直接采用標準件，沒有標準件的零件設(shè)計的結(jié)構(gòu)簡單實用，大大減少了加工工藝和工序，在材料的使用、加工設(shè)備的選擇及合理的工程管理方面，在不影響小車功能的前提下，將小車的成本控制在可承受的范圍內(nèi)。 ① 采購標準件和材料：105984元； ② 需要加工的零件人工及設(shè)備費：（12.4+9+10.2+4.4+4.7+22.4+8.3+9.8+19）×500=50100元； ③ 螺釘、螺母，費用共計：2×500=1000元； ④ 生產(chǎn)所需要的輔助費用（如工裝、輔料、庫房）：4000元； ⑤ 小車的裝配、調(diào)試費用：5×500=2500元 無碳小車總成本=105984+50100+1000+4000+2500=163584元； 每臺小車單價：163584÷500=327元。 小車的生產(chǎn)分為五個批次，每個批次生產(chǎn)100臺，單個季度支出327×100=32700元，售出后進行市場調(diào)查，反饋回來的信息可指導(dǎo)下一批的生產(chǎn)及改進，收回的成本繼續(xù)投入到下批的生產(chǎn)，這樣可以實現(xiàn)小額資金完成年產(chǎn)500臺的生產(chǎn)任務(wù)。 學(xué)校名稱：北京交通大學(xué) 裝 訂 線 - 5 -