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第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽無碳小車設(shè)計(jì)說明書目錄一 緒論1.1 本屆競賽命題主題1.2 小車功能設(shè)計(jì)要求1.3 小車整體設(shè)計(jì)要求二 方案設(shè)計(jì)2.1 路徑的選擇2.2 差速問題解決2.3 重物與后輪的連接問題2.4 轉(zhuǎn)向裝置三 參數(shù)的設(shè)計(jì)3.1 路徑參數(shù)的確定3.2 其他參數(shù)四 小車的工程圖4.1 小車各裝配圖4.2 小車 CAD 工程圖五 功能分析六 選材與加工分析一 緒論1.1 本屆競賽命題主題本屆競賽命題主題為“無碳小車” 。要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在集中比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運(yùn)行裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場競爭性運(yùn)行考核。每個(gè)參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理 4 項(xiàng)成績考核作業(yè)。在設(shè)計(jì)小車過程中特別注重設(shè)計(jì)的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設(shè)計(jì)思路；作品的設(shè)計(jì)做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計(jì)過程中綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì) 、優(yōu)化設(shè)計(jì) 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)發(fā)明理論方法；采用了MATLAB、PROE 等軟件輔助設(shè)計(jì)。1.2 小車功能設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為 4 焦耳（取 g=10m/s2） ，比賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為 1Kg 的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動，不允許從小車上掉落。圖 1 為小車示意圖。圖 1： 無碳小車示意圖競賽小車在前行時(shí)能夠自動交錯(cuò)繞過賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑 20mm、高 200mm 的多個(gè)圓棒，沿直線等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來綜合評定成績。見圖 2。圖 2： 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖1.3 小車整體設(shè)計(jì)要求無碳小車體現(xiàn)了大學(xué)生的創(chuàng)新能力，制作加工能力，解決問題的能力。并在設(shè)計(jì)過程中需要考慮到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小車具有下列要求：1.要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。2.要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競賽場地。3.要求小車為三輪結(jié)構(gòu)4. 小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側(cè)越過一個(gè)障礙后，整體穿過賽道中線且障礙物不被撞倒（擦碰障礙，但沒碰倒者，視為通過） ；重復(fù)上述動作，直至小車停止。二 方案設(shè)計(jì)小車走 S 形方案通過對小車的功能分析，小車需要完成自動避開障礙物，驅(qū)動自身行走，重力勢能的轉(zhuǎn)換功能。所以我們將小車的設(shè)計(jì)分為以下部分，路徑的選擇，自動轉(zhuǎn)向裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置和車架部分。2.1 路徑的選擇因?yàn)楦傎愋≤囋谇靶袝r(shí)能夠自動交錯(cuò)繞過賽道上設(shè)置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高 200mm 的多個(gè)圓棒，沿直線等距離擺放。為了在通過障礙物時(shí)，行進(jìn)的距離更短，設(shè)計(jì)了如圖 3 的路徑。即以擺線的方法通過障礙物，然后以相切的直線到達(dá)下一障礙物，我們的路徑是圓弧和直線的結(jié)合。圖 3：無碳小車路徑（此軌跡為后輪的軌跡）后面的計(jì)算均以后輪為準(zhǔn)2.2 差速問題考慮到后輪轉(zhuǎn)向時(shí)，兩輪有速度差，并且一般的差速器比較復(fù)雜，損耗較高，故我們采 取單輪差速驅(qū)動，只要能保證后輪的一輪驅(qū)動，并且同時(shí)控制轉(zhuǎn)向，那么另一個(gè)后輪也會自動跟著行駛，因此解決了差速問題2.3 重物與后輪的連接問題重物與通過軸與后輪相連，開始驅(qū)動時(shí)，滾動摩擦力一定較大，故所需的力矩也需要適當(dāng)?shù)脑黾樱?dāng)車子能平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，力矩又應(yīng)該適當(dāng)減少，未解決這個(gè)問題，我們采取了錐形導(dǎo)繩輪裝置，通過錐形導(dǎo)繩輪與繩子相連。既起到了平穩(wěn)運(yùn)行的效果，又能有儲能飛輪的功能2.4 轉(zhuǎn)向裝置：幾何封閉型凸輪+滑塊機(jī)構(gòu)考慮到凸輪能夠獲得前輪所需的任意轉(zhuǎn)角，從而完全確定小車的軌跡因而我 們采用封閉形凸輪加滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向三 計(jì)算及參數(shù)的確定3.1 路徑參數(shù)的確定在上面的討論中，我們的路徑是擺線和直線的組合，為了能讓小車更順利的轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎角度不能太小，為了能讓小車行進(jìn)的更遠(yuǎn)，必須使小車轉(zhuǎn)向的半徑不能太大。所以，確定了曲線的半徑為 ，小車前后輪距離 d=180mm mR30?因?yàn)楫?dāng)為圓弧時(shí)，前輪與車身的轉(zhuǎn)角為一個(gè)定值，通過簡化成單車模型計(jì)算，我們得出其實(shí)在小車運(yùn)動的一個(gè)周期內(nèi)前輪與車身的轉(zhuǎn)角總共只有四個(gè)值一個(gè)為+34.5 度 0 度 -34.5度 0 度。在一個(gè)周期內(nèi)當(dāng)為切線 1 時(shí)：轉(zhuǎn)角 0 度，行程 0.8m，凸輪轉(zhuǎn)角 124 度當(dāng)為圓弧 A 時(shí)：轉(zhuǎn)角 34.5 度，行程 0.3611m，凸輪轉(zhuǎn)角 56 度當(dāng)為切線 2 時(shí)：轉(zhuǎn)角 0 度，行程 0.8m，凸輪轉(zhuǎn)角 124 度當(dāng)為圓弧 B 時(shí)：轉(zhuǎn)角—34.5 度，行程 0.3611m，凸輪轉(zhuǎn)角 56 度基于上述數(shù)據(jù)我們得到如圖的凸輪經(jīng)過修正后的凸輪3.2 其他參數(shù)考慮到后輪傳遞到凸輪需要齒輪來連接，所以我們在后輪軸與凸輪間加一對齒輪，設(shè)定大輪半徑 R=1.8m，得到大輪周長為 1.1304m，一個(gè)運(yùn)動周期的長度為 2.4268 因此得出齒輪的傳動比約等于 2，另外為保證誤差較小，我們設(shè)定兩輪寬為 0.16m其余數(shù)據(jù)在小車的 CAD 裝配圖中可看出四 設(shè)計(jì)圖紙4.1 小車總裝配圖（小車總體效果圖，重物支撐柱設(shè)在三輪所構(gòu)成的三角形的重心處，有利于保持小車平穩(wěn)）（車架部分降低有利于緩解因?yàn)榇筝嗊^高引起的車子重心升高）（小車后部錐形導(dǎo)繩輪及齒輪傳動部分，第二個(gè)齒輪與凸輪盤同軸）上圖 （幾何封閉形凸輪，傳遞到轉(zhuǎn)向盤）下圖 （固定板與車架相連，起到固定凸輪連桿，使之只能在一方向上運(yùn)動）（滑槽機(jī)構(gòu)，控制前輪轉(zhuǎn)向）4.2 小車 CAD 工程圖五 功能分析5.1 小車優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)：（1）小車機(jī)構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，再加一個(gè)幾何封閉凸輪。（2）凸輪連桿處采用微調(diào)機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)連桿的長度便于糾正軌跡。（3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)。（4）凸輪輪廓設(shè)計(jì)簡單，輪廓只是幾個(gè)簡單的不同半徑的圓疊加，只要適當(dāng)修正即可（5）錐形導(dǎo)繩輪裝置，通過錐形導(dǎo)繩輪與繩子相連。既起到了平穩(wěn)運(yùn)行的效果，又能有儲能飛輪的功能缺點(diǎn)： 小車精度要求高六 選材與加工分析選材：軸 車輪 車架 齒輪 凸輪 連桿 采用鋁板毛坯制造連桿采用鋁柱毛坯其余零件采用標(biāo)準(zhǔn)件即可加工：1 齒輪機(jī)構(gòu) 齒輪機(jī)構(gòu)是小車中要完成傳遞的主要零部件，本小車中齒輪機(jī)構(gòu)用在了兩個(gè)部分，由于加工設(shè)備的有限本小車中所有的齒輪都是用線切割完成的2.凸輪機(jī)構(gòu)是本小車中要完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要零部件 由于該零件要求精度高外形比較復(fù)雜 因此采用數(shù)控洗方法實(shí)現(xiàn)，首先通過 UG 制圖軟件鑿出凸輪的三維立體結(jié)構(gòu) 再通過加工軟件 masterCAM 進(jìn)行編程加工