“无碳小车”设计说明书-第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛

昆明理工大学 第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛 “无碳小车”设计 说明 书 项目名称 ： 无碳小车 设计者： 指导教师： 日期： 2014 年 11 月 21 日 “无碳小车”设计方案 1 目 录 1 摘要 2 关键字 3 总体设计方案 4 各机构设计 5 参考文献 备注：立体图只提供一个模型，具体尺寸请参照各单元模块的设计。所以所有立体图中的细线、皮带、齿及徽标均省略 “无碳小车”设计方案 2 1 摘要 “无碳小车” 是根据能量转换原理， 将给定的重力势能 转换为机械能 驱动小车行走 并能够在前行时 自动避开赛道上设置的障碍物 的装置 。该小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通过传动机构将运动传给转向机构 使转向轮周期性转向从而自动避开障碍物。 2 关键字 无碳小车 能量转换 传动 周期 转向 “无碳小车”设计方案 3 3 总体设计方案 计思路 与原理 计思路 如图， 小车后轮轴上装一梯形轮，将轻质细线 （图中省略） 绕在 梯形轮上，细线另一头连接重物，通过定滑轮系统和支架将重物悬 挂在小车上方 。 当重物下落时，便可带动梯形轮及后轮转动。 小车后轮轴上装有皮带传动主动轮，从动轮安装在转向轮一侧。从动轮与一齿轮同心转动，通过两个轴线相互垂直的啮合齿轮的传动，使角速度矢量方向由平行于地面转化为垂直于地面。此方向的转动可带动转盘摇杆机构使摇杆做来回往复的摆动，此摆动又可带动转向轮做周期性的转动，从而使小车周期性转向以绕过障碍物。 “无碳小车”设计方案 4 理 小车运行轨迹如图所示 ： 规定沿障碍物连线方向为正方向，小车从 A 点沿正方向出发， 由几何关系可得： 2000d 解得 =22 由于 较小，所以可用线段 度近似代替弧线 设转向轮转向周期为 T ，则有 10002 v 解得 T = 2000 设后轮半径为1r，则后轮角速度为 1 1vw r 设皮带传动机构的主动轮、从动轮半径分别为2r、3r；角速度分别为2w、3w。则1w=2w=1 由轮系传动原理可得 3 223w ， 3w =23 在转向机构中，转向盘与传动齿轮啮合。设转向盘与传动齿轮的半径分别为：5r、4r；齿数分别为：5z，4z；角速度分别为：5w，4w。 “无碳小车”设计方案 5 同理可得 5 445w ，又因为传动齿与从动轮同轴，所以 4w = 3w ，由式可得 5w=453 转向机构中，设长杆固定点与转向盘中心距离为 h，则摇杆摆动方程为 555s i na r c t a nc o 若从 A 点开始计，小车速率为 V，方向正右，即转向盘上的转向杆在小车的中轴线上。小车从 A 点到 B 点的过程中，经过 T/4 时， 达到最大：5m a i n / 4a r c t a nc o s / 4令5 /4，由 得：425 3 1500c o r r 所以m a i na r c t a nc o 4 各机构设计 量转换机构 能量转换机构由支架和梯形轮构成。 支架 上端安装定滑轮，将重物支起。 梯形轮表面有螺旋曲线槽，用来缠绕细绳。 梯形轮的设计实现了小车的起动和重物的从低速到减速下落，减小了因碰撞而损失的能量。 “无碳小车”设计方案 6 在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。 起动后，原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。 当重物距小车很近时，梯形轮的半径再次变小，绳子的拉力不足以使梯形轮匀速转动，但是由于重物的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速直到停止，物块停止下落，正好接触小车。 对于梯形轮表面螺旋槽螺距的设置，进行如下近似计算： 设螺旋线总长为 L，螺距为 S，梯形轮高为 H，上下底面直径分别为：1D、2D。 圆柱形螺旋线 2 2 由回旋线性质，可取等效直径 12211D 利用 立公式计算，可得到如下较为合适的尺寸数据： “无碳小车”设计方案 7 2 0 180D 动机构 传动机构 主要 由皮带传动机构和齿轮传动机构组成。 皮带传动机构由皮带、主动轮、从动轮构成，齿轮传动机构由从动轴和从动轴齿轮构成。 皮带传动机构为一级减速机构，齿轮传动机构 为二级减速机构。两个传动机构把后轮较快的角速度减慢，为了让 转向盘缓慢转动，才能实现转向轮平稳而缓慢地转向，最终让小车平稳运行，而不会因为方向突然改变而出现翻车现象。 转向机构 主要 由 转向杆、转向轮、短杆构成。 转向盘与从动轴齿轮啮合 。 短杆一端通过销钉与转向杆连接在一起，可自由转动。另一端与转向轮的轴固定于小车的中心轴线处。 当转向盘匀速转动，转向“无碳小车”设计方案 8 杆会周期性左右摆动，然后通过短杆的传动，可以实现转向轮的转向。从而控制小车绕开障碍物的整体运行。 查机械原理可知，此转向机构具有急回特性。 如果 转向杆的固定点到转向盘中心的距离和转向盘半径的比值5大，急回特性越显著，但空回程速度变化剧烈。这不利于小车的运行。所以5比值应该比较小。另一方面，5比值较小了，可实现转向盘在半个周期内转动的角度趋于 0180 。这样可以实现转向杆的周期性摆动。 由此可设计 150h 15r 所以 5m a xt a n 0 ， 0 再由得5s o ，所以2又由425 3 1500c o r r 得 4 2 153c o s 0 . 0 7 35 0 0 2z r “无碳小车”设计方案 9 2r、3可分别设计为8482316 ，所以 由此可设计451 3 3 0，（齿），由4455可设计456 . 5 m m 1 5 m ，。 下面求解转向杆、短杆的长度。 设转向盘中心（圆心）到短杆固定点（转向轮竖直轴）的距离为x，转向杆长 L，短 杆长 l 由图可得如下表达式： m a xs i n t a nc o a x h ，m a xc o s c o sL l a x h 设计 10x 为一合适的值 ， 代入 1 0 , 1 5