無碳小車 " 8 "字型設(shè)計(jì)方案 成 員: 指導(dǎo)教師： 2012年12月9日 本屆競(jìng)賽命題主題 本屆競(jìng)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(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際動(dòng)手能力、工程管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。競(jìng)賽的目的在于激發(fā)大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究與探索的興趣，加強(qiáng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和合作精神的培養(yǎng)。 小車功能設(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。驅(qū)動(dòng)小車行走及轉(zhuǎn)向的動(dòng)力載荷只能由給定重力勢(shì)能（4焦耳）轉(zhuǎn)換得到。動(dòng)力載荷按要求(Φ50×65mm,質(zhì)量≤1kg,材料：普通碳鋼)準(zhǔn)備，重塊落差400±2mm，并隨小車一起運(yùn)動(dòng)時(shí)鉛垂下落，不允許從小車上掉落。競(jìng)賽小車在半張乒乓球臺(tái)（長(zhǎng)1525mm，寬1370mm）上，繞相距一定距離的兩個(gè)障礙物沿8字形軌跡繞行。繞行時(shí)不得撞倒障礙物，不得掉下球臺(tái)。 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：①小車上面要裝載一件外形尺寸為60×20 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。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。 小車整體設(shè)計(jì)要求 小車設(shè)計(jì)過程中需要完成：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、工藝設(shè)計(jì)方案、成本分析和工程管理方案設(shè)計(jì)。命題中的工程管理能力項(xiàng)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(jì)能力項(xiàng)要求對(duì)參賽作品的設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和規(guī)范性。命題中的制造工藝能力項(xiàng)以要求綜合運(yùn)用加工制造工藝知識(shí)的能力為主。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 1小車底板 車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]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(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。 （1）.驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過大傾翻，或重塊晃動(dòng)厲害影響行走。 （2）.到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對(duì)小車過大的沖擊。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。 （3）.由于不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場(chǎng)地小車是需要的動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。 （4）.機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。 圖一 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)。如下圖：定滑輪 支架 動(dòng)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(dòng)力。 2.1 結(jié)構(gòu)圖 圖二 2.2 分析 1）.在起始時(shí)原動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，有利起動(dòng)。 2）.起動(dòng)后，原動(dòng)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(yùn)動(dòng)。 3）.當(dāng)物塊距小車很近時(shí)，原動(dòng)輪的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于物塊的慣性，仍會(huì)減速下降，原動(dòng)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(dòng)輪的作用 1，剛開始牽動(dòng)繩為小車提供動(dòng)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(dòng)力。 2，下落物體不可避免的會(huì)和小車發(fā)生碰撞，這樣當(dāng)物體快要和小車碰撞的時(shí)候牽動(dòng)繩已繞到了梯形圓柱的細(xì)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(dòng)輪的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小車的起動(dòng)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(dāng)力一定是R越大矩就越大，轉(zhuǎn)動(dòng)的就越快車啟動(dòng)的就快；當(dāng)M已達(dá)到一定的大少保持不變R變小，F(xiàn)就會(huì)增大，從而使物快減速。 3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。 （1）.不用其它額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。 （2）.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。 （3）.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)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(dòng)。 我們組最終選用了耐磨、質(zhì)量輕、價(jià)格合適的尼龍齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且根據(jù)“8”字形的行走軌跡將現(xiàn)有的齒輪進(jìn)行了加工，將齒輪銑去部分齒，與其它齒輪構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)和加工技術(shù)的限制，我們采用了簡(jiǎn)單的偏心圓盤+搖桿的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)在于：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)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(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來保持接觸。 圖三 在本小車設(shè)計(jì)中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)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(dòng)空間。走“8”字需要一個(gè)間歇的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，我們采用 缺齒齒輪 雙聯(lián)缺齒齒輪與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連來實(shí)現(xiàn)這一要求。 5行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)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(duì)于相同的材料為一定值 而滾動(dòng)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(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。 由于小車是沿著“8”字曲線前進(jìn)的，后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速。我們采用了單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪（加裝一個(gè)軸承）。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)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(jī)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(zhǎng),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(jì)及計(jì)算 小車走“8”字形軌跡避讓障礙物，對(duì)于軌跡的設(shè)計(jì)及其重要，這對(duì)于小車的結(jié)構(gòu)布局也很重要。我們?cè)O(shè)計(jì)的“8”字形軌跡如下圖：小車從起點(diǎn)出發(fā)，最初給定適合的前輪偏向 起點(diǎn) 圖六 轉(zhuǎn)彎 角，繞藍(lán)色的優(yōu)弧進(jìn)行“8”字的部分繞行，到達(dá)紅藍(lán)交叉處，轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)沿藍(lán)色軌跡繞行通過起點(diǎn)處的紅藍(lán)交叉點(diǎn)完成“8”字的一半，此時(shí)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(yùn)行至轉(zhuǎn)彎處，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)再次工作，是小車走完剩下的紅色軌跡完成一個(gè)完整的“8”字形。 由于我們采用的是單輪驅(qū)動(dòng)，前輪導(dǎo)向與驅(qū)動(dòng)輪的橫向距離越大，會(huì)使小車在繞行“8”字時(shí)軌跡不對(duì)稱，即一個(gè)圓大，一個(gè)圓小。所以我們將驅(qū)動(dòng)輪與前輪的橫向距離取消，三個(gè)輪子的相對(duì)位置如下圖： 導(dǎo)向輪 導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)輪共線，在合適的軸 距b下，繞行曲線時(shí)兩輪的軌跡偏 從動(dòng)輪 移量可以忽略，上圖中的粗線為前 b 輪和驅(qū)動(dòng)輪的軌跡，細(xì)線為從動(dòng)輪。 驅(qū)動(dòng)輪 的軌跡。 理論計(jì)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(dòng)輪和前輪的軌跡偏移量就越小。本小車的設(shè)計(jì)只對(duì)上述情況作定性的分析，再設(shè)計(jì)與之相關(guān)的零件參數(shù)時(shí)簡(jiǎn)化了模型。 圖九 80齒—65齒 余15齒 60齒，固連余主動(dòng)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(jì)參數(shù)： 繞線軸半徑為r2 小車的后輪的直徑d2=240mm，齒輪傳動(dòng)比為i 前后輪軸距為190mm, 前輪直徑為50mm 結(jié)合齒輪的傳動(dòng)比，后輪繞行3周，雙聯(lián)缺齒齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作兩次，走完一個(gè)“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(dòng)輪，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過角度時(shí)，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(dāng)小車轉(zhuǎn)過的角度為時(shí)，有 d、小車其他輪的軌跡 以輪A為參考，則在小車的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，B的坐標(biāo) C的坐標(biāo) 在地面坐標(biāo)系中，有 整理上述表達(dá)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(yùn)動(dòng)軌跡基本符合預(yù)想軌跡。（圖六） 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=等效力偶F0×D/ 2 （小車驅(qū)動(dòng)力）F0=2M/D M由G獲取 例如：M= G×Φ/ 2= F0×D/ 2（暫不計(jì)效率） 此時(shí) F0= G×Φ/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）=P0 × 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 0.03。 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)） 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(jì)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(dòng)小車行走的前提下，F(xiàn)0 越小越好。 F0= G×Φ/D 工藝設(shè)計(jì)方案 成本分析方案 工程管理方案