无碳小车说明书.doc

第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛无碳小车说明书参赛者：扌指导老师： 丘E丽梅2012 —12—14摘要第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小 车”在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分 析得到清晰开阔的设计思路； 作品的设计做到有系统性规范性和创新 性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素我 们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论 方法我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调 试通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最 优设计靠拢方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机 构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架 、 原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块， 进行模块化设计 分别针对每一个模块进行多方案设计， 通过综合对 比选择出最优的方案组合我们的方案为：车架采用三角底板式、原 动机构采用了锥形轴、 传动机构采用圆锥齿轮、 转向机构采用曲柄连 杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、 微调机构采用在轮子上面套上 不同的垫圈其中转向机构利用了深沟球轴承、外球面轴承。

技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLA分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏 度分析进而得出了小车的具体参数，和运动规律接着应用 PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真 在实体建模的基础上对 每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、 成本等小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度 高的部分需要特殊加工外， 大多数都可以通过手工加工出来 因为小 车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配调试过程 会通过微调等方式改变小车的参数进行试验， 在试验的基础上验证小 车的运动规律同时确定小车最优的参数 目录摘要 错误！未定义书签一 绪论 41.1 本届竞赛命题主题 41.2 小车功能设计要求 41.3 小车整体设计要求 61.4 小车的设计方法 6二 方案设计 72.1 车架 82.2 原动机构 82.3 传动机构 92.4 转向机构 92.5 行走机构 112.6 轨道设计 错误！未定义书签三 整体设计 131313错误！未定义书签3.1 底板设计 3.2 支撑架设计 3.3 专项设计 3.4 后轮驱动设计 133.5 圆锥齿轮．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 14四 装配图 15五 总结 16一 绪论1.1 本届竞赛命题主题本届竞赛命题主题为“无碳小车” 。

命题与高校工程训练教学内容相衔接， 体现综合性工程能力命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操 作能力和工程管理能力”四个方面的要求1.2 小车功能设计要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置 该自行小车在前行时能 够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔 1米，放置一个直径20mm 高200mm的弹性障碍圆棒）以小车前行距离的远近、以及避开障碍 的多少来综合评定成绩给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg 的重块（*50X 65 mm普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 400士 2mm 重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式小车要求采用三轮结构，具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成1.3小车整体设计要求小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本 分析和工程管理方案设计命题中的工程管理能力项要求综合考虑材 料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划设计能力 项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。

命题中的制造工艺能 力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主1.4小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路作品的设计需要有系统性规范性和创新 性设计过程中需要综合考虑材料 、加工、制造成本等给方面因素小车的设计是提咼小车性能的关键在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法采用 了 MATLAB PROE等软件辅助设计下面是我们设计小车的流程（如 图一）明确小车的任务要求~^^-丁 - —~— _— •——*小车功能分祈建模分斯初歩参數确定加工制作可行时方耒粗含几种可行的方累TN敲定方案參数优化讴试改谜n i方案设计技术设计 制作调试.图一二方案设计通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、 驱动自身行走、自动避开障碍物为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架 、原动机构、传 动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构）为了得到令人满意方 案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思2.1 车架车架不用承受很大的力，精度要求低考虑到重量加工等，车架 采用铝板加工制作成三角底板式。

2.2 原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力能实 现这一功能的方案有多种， 就效率和简洁性来看绳轮最优 小车对原 动机构还有其它的具体要求 1.驱动力适中， 不至于小车拐弯时速度 过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走 2. 到达终点前重块竖直方向的 速度要尽可能小， 避免对小车过大的冲击 同时使重块的动能尽可能 的转化到驱动小车前进上， 如果重块竖直方向的速度较大， 重块本身 还有较多动能未释放， 能量利用率不高 3. 由于不同的场地对轮子的 摩擦摩擦可能不一样， 在不同的场地小车是需要的动力也不一样 在 调试时也不知道多大的驱动力恰到好处 因此原动机构还需要能根据 不同的需要调整其驱动力 4. 机构简单，效率高基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构如下图四如上图我们可以通过改变绳学绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力2.3传动机构传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上要 使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效 率高、传动稳定、结构简单重量轻等1. 不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机 构，此种方式效率最高、结构最简单。

在不考虑其它条件时这是最优 的方式2. 带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但 其效率及传动精度并不高不适合本小车设计3. 齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传 动2.4 转向机构转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能转 向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能， 结构简单， 零部件已获得 等基本条件， 同时还需要有特殊的运动特性 能够将旋转运动转化为 满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功 能能实现该功能的机构有：凸轮机构 +摇杆、曲柄连杆 +摇杆、曲柄 摇杆、差速转弯等等 凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副 接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动 优点：只需设计适当的凸轮轮廓， 便可使从动件得到任意的预期运动， 而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难 在本小车设计中由于： 凸轮轮廓加工比较困难、 尺寸不能够可逆的改 变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）因 此不采用曲柄连杆 +摇杆 优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨 损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的 几何封闭来维系的， 它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持 接触。

缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且 设计较为复杂； 当给定的运动要求较多或较复杂时， 需要的构件数和 运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅 发生自锁的可能性增加， 而且机构运动规律对制造、 安装误差的敏感 性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力 难以平衡， 在高速时将引起较大的振动和动载荷， 故连杆机构常用于 速度较低的场合 在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的 比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，利用 MATLA进行参数化设计并不困难，加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效 率对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决曲柄摇杆 结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低 其急回特性导致难以设计出较好的机构差速转弯 差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样 而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速小 车通过差速实现拐弯避障差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案和凸轮同样， 对轮子的加工精度要求很高， 加工出来后也无法根据需要来调整轮子 的尺寸。

由于加工和装配的误差是不可避免的）综合上面分析我们选择曲柄连杆 +摇杆作为小车转向机构的方2.5行走机构行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不 同需要综合考虑有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为M = N对于相同的材料「•为一定值M - N而滚动摩擦阻力f R r ，所以轮子越大小车受到的 阻力越小，因此能够走的更远但由于加工问题材料问题安装问题等 等具体尺寸需要进一步分析确定由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动 摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其 轨迹，不能够有效避免碰到障碍双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速 器或单向轴承来实现差速差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减 少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动单向轴承实现差速的原理是 但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动 轮，这样交替变换着但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的 功能还需进一步分析。

单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个 为从动轮就如一辆自行车外加一个车轮一样 从动轮与驱动轮间的 差速依靠与地面的运动约束确定的 其效率比利用差速器高，但前进 速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，可以如果有条件可以 通过实验来确定实现差速的机构方案，如果规则允许可以采用单轮驱 动2.6轨道设计:近s形偏转设计及其轨道设计轨道设计如图所示三．小车整体及外观设计3.1 小车底板设计：小车底板宽度160mm总长度228mm前半部分采用等腰梯形， 上底60mn,下底160mm长127 mn，后半部分为矩形设计长为 101mm 宽度为160mm底板厚度3mm3.2 重物支撑架设计：采用长度为520m。