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第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽無碳小車設計說明書目錄一 緒論1.1 本屆競賽命題主題1.2 小車功能設計要求1.3 小車整體設計要求二 方案設計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 轉向裝置三 參數的設計3.1 路徑參數的確定3.2 其他參數四 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” 。要求經過一定的前期準備后，在集中比賽現場完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進行現場競爭性運行考核。每個參賽作品要提交相關的設計、工藝、成本分析和工程管理 4 項成績考核作業(yè)。在設計小車過程中特別注重設計的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設計思路；作品的設計做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設計過程中綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。我們借鑒了參數化設計 、優(yōu)化設計 、系統(tǒng)設計等現代設計發(fā)發(fā)明理論方法；采用了MATLAB、PROE 等軟件輔助設計。1.2 小車功能設計要求設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換來的。給定重力勢能為 4 焦耳（取 g=10m/s2） ，比賽時統(tǒng)一用質量為 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能夠自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙物為直徑 20mm、高 200mm 的多個圓棒，沿直線等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞障數量來綜合評定成績。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 小車整體設計要求無碳小車體現了大學生的創(chuàng)新能力，制作加工能力，解決問題的能力。并在設計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換獲得，不可使用任何其他的能量來源。2.要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。3.要求小車為三輪結構4. 小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側越過一個障礙后，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） ；重復上述動作，直至小車停止。二 方案設計小車走 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，驅動自身行走，重力勢能的轉換功能。所以我們將小車的設計分為以下部分，路徑的選擇，自動轉向裝置，能量轉換裝置和車架部分。2.1 路徑的選擇因為競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高 200mm 的多個圓棒，沿直線等距離擺放。為了在通過障礙物時，行進的距離更短，設計了如圖 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下一障礙物，我們的路徑是圓弧和直線的結合。圖 3：無碳小車路徑（此軌跡為后輪的軌跡）后面的計算均以后輪為準2.2 差速問題考慮到后輪轉向時，兩輪有速度差，并且一般的差速器比較復雜，損耗較高，故我們采 取單輪差速驅動，只要能保證后輪的一輪驅動，并且同時控制轉向，那么另一個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，開始驅動時，滾動摩擦力一定較大，故所需的力矩也需要適當的增加，當車子能平穩(wěn)運行時，力矩又應該適當減少，未解決這個問題，我們采取了錐形導繩輪裝置，通過錐形導繩輪與繩子相連。既起到了平穩(wěn)運行的效果，又能有儲能飛輪的功能2.4 轉向裝置：幾何封閉型凸輪+滑塊機構考慮到凸輪能夠獲得前輪所需的任意轉角，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構轉向三 計算及參數的確定3.1 路徑參數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彎，轉彎角度不能太小，為了能讓小車行進的更遠，必須使小車轉向的半徑不能太大。所以，確定了曲線的半徑為 ，小車前后輪距離 d=180mm mR30?因為當為圓弧時，前輪與車身的轉角為一個定值，通過簡化成單車模型計算，我們得出其實在小車運動的一個周期內前輪與車身的轉角總共只有四個值一個為+34.5 度 0 度 -34.5度 0 度。在一個周期內當為切線 1 時：轉角 0 度，行程 0.8m，凸輪轉角 124 度當為圓弧 A 時：轉角 34.5 度，行程 0.3611m，凸輪轉角 56 度當為切線 2 時：轉角 0 度，行程 0.8m，凸輪轉角 124 度當為圓弧 B 時：轉角—34.5 度，行程 0.3611m，凸輪轉角 56 度基于上述數據我們得到如圖的凸輪經過修正后的凸輪3.2 其他參數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，設定大輪半徑 R=1.8m，得到大輪周長為 1.1304m，一個運動周期的長度為 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，我們設定兩輪寬為 0.16m其余數據在小車的 CAD 裝配圖中可看出四 設計圖紙4.1 小車總裝配圖（小車總體效果圖，重物支撐柱設在三輪所構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為大輪過高引起的車子重心升高）（小車后部錐形導繩輪及齒輪傳動部分，第二個齒輪與凸輪盤同軸）上圖 （幾何封閉形凸輪，傳遞到轉向盤）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動）（滑槽機構，控制前輪轉向）4.2 小車 CAD 工程圖五 功能分析5.1 小車優(yōu)缺點優(yōu)點與創(chuàng)新點：（1）小車機構簡單，單級齒輪傳動，再加一個幾何封閉凸輪。（2）凸輪連桿處采用微調機構，可調節(jié)連桿的長度便于糾正軌跡。（3）采用大的驅動輪，滾阻系數小，行走距離遠。（4）凸輪輪廓設計簡單，輪廓只是幾個簡單的不同半徑的圓疊加，只要適當修正即可（5）錐形導繩輪裝置，通過錐形導繩輪與繩子相連。既起到了平穩(wěn)運行的效果，又能有儲能飛輪的功能缺點： 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準件即可加工：1 齒輪機構 齒輪機構是小車中要完成傳遞的主要零部件，本小車中齒輪機構用在了兩個部分，由于加工設備的有限本小車中所有的齒輪都是用線切割完成的2.凸輪機構是本小車中要完成轉向系統(tǒng)的主要零部件 由于該零件要求精度高外形比較復雜 因此采用數控洗方法實現，首先通過 UG 制圖軟件鑿出凸輪的三維立體結構 再通過加工軟件 masterCAM 進行編程加工