无碳小车

无碳小车设计机械学院（机电10-3）成员姓名：张军辉、刘泽华、田永廷•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x米，放置一个障碍圆棒）。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4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（50×65mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±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（1个转向轮，1个驱动轮,1个从动轮），具体结构造型以及材料选用均自主设计完成。绪论：绪论：•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。方案设计•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。下面为我们设计图框方案设计•在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。方案设计方案设计•2.1车架•车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用轻质铝板材加工制作成三角底板式，具体形状可在设计过程中灵活调整。•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缠绕轮的绳轮式原动机构。方案设计•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.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点虽其效率及传动精度并不高，但适合远距离传递动力。•2.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，因此优先考虑使用齿轮传动。方案设计•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：凸轮拨销机构+推杆、凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。•经过分析我们选择凸轮拨销机构+推杆作为小车转向机构的方案方案设计方案设计•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•对于相同的材料为一定值。•而滚动摩擦阻力，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。我们选择直径160mm，单轮驱动方案设计方案设计•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。方案设计•2.6微调机构•一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用凸轮拨销机构+推杆方案，由于凸轮拨销机构+推杆对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹。•微调机构可以采用微调螺母式、滑槽式。参数设计•三参数设计•参数设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。•为了全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.小车能量转换效率四方面考虑。•通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。•同时小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。•同时在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。参数设计•具体数据如下:•模数m=1.5mm•缠绕轮d1=20mmc1=pi*d1=62.8mm•一级带轮d2=60mmi12=3•二级带轮d3=30mmi23=2•一级齿轮d4=90mmi34=3z4=60•二级齿轮d5=36mmi45=2.5z5=24•三级齿轮d6=90mmi56=2.5z6=40•四级齿轮d7=30mmi67=3z7=20•车轮d8=160mm参数设计•转向齿轮d9=60mmz9=40•齿轮传动比缠绕轮转动圈数400/62.8=6.4圈•车轮转动一圈行进路程pi*d8=502.4mm•二级带轮与一级齿轮间距为零，二级齿轮与三级齿轮间距为零。•齿厚8mm四级齿轮d7与车轮间距20mm•圆柱空心立柱高420mm•搭载缠绕轮的横梁长50mm•转向摇臂18mm参数设计•推杆最大长度60mm,最小长度15mm•拨销最大滑移长度25mm，最小滑移长度8mm•转向摇臂上开导向槽长4.5mm•推杆与车底板之间加导向块•小车车身尺寸初定为长200，宽100mm•a、驱动：•当重物下降时，驱动轴（轴1）转过的角度为，则有•则曲柄轴（轴1）转过的角度•小车移动的距离为（以A轮为参考）•b、转向：曲柄在0-90度之间转动，其沿前进方向上的距离L1•c、小车行走轨迹•A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，参数设计•小车转弯的曲率半径为:•小车行走过程中，•小车整体转过的角度:参数设计•小车一旦设计出来在不改变其参数的条件下小车的轨迹就已经确定，但由于加工误差和装配误差的存在，装配好小车后可能会出现其轨迹与预先设计的轨迹有偏离，需要纠正。其次开始设计的轨迹也许并不是最优的，需要通过调试试验来确定最优路径，同样需要改变小车的某些参数。为了得到改变不同参数对小车运行轨迹的影响，事先需做一些计算的工作。参数设计•3.2零部件设计•需加工的零件：•a．驱动轴•空心铝合金管。外径6mm内径3mm•b．车轮•有机玻璃。厚度：8mm•c.齿轮参数设计•4.2小车调试方法•小车的调试是个很重要的过程，有了大量的理论依据支撑，还必须用大量的实践去验证。小车的调试涉及到很多的内容，如车速的快慢，绕过障碍物，小车整体的协调性，小车前进的距离等。•（1）小车的速度的调试：通过小车在指定的赛道上行走，测量通过指定点的时间，得到多组数据，从而得出小车行驶的速度，通过试验，发现小车后半程速度较快，整体协调性能不是太好，于是车小了缠绕轮，减小过大的驱动力同时也增大了小车前进的距离。•（2）小车避障的调试：虽然本组小车各个机构相对来说较简单，损耗能量较少，但是避障不是很好，但与此同时，小车由于设计时采用了多组微调机构，通过观察小车在指定赛道上行走时避障的特点，微调螺母，慢慢小车避障性能改善，并做好标记。参数设计•4.3小车改进方法•本组采用微调机构，但通过计算发现要求精度非常高，改变0.001mm都可能使小车偏离原轨道，于是想法改进使小车精度降低，加工成本也减低。图片展示•图片展示：整体结构图片展示•小车车轮图片展示•小车前轮图片展示•小车转向机构图片展示•齿轮机构图片展示•重物支架图片展示•带轮•齿轮•小车后轮•转向推杆支座图片展示•前轮支架前轮图片展示•转向推杆图片展示重物支撑立杆谢谢观赏！