S型无碳小车设计论文说明书

目录 一 绪论 1.1 本届竞赛命题主题 1.2 小车功能设计要求 1.3 小车整体设计要求 1.4 小车的设计方法 二 方案设计 2.1 路径的选择 2.2 自动转向装置 2.2.1 前轮转向装置 2.2.2 差速转向装置 2.2.3 小结 2.3 能量转换装置 2.4 车架 2.5 微调部分 三 参数的设计 3.1 路径参数的确定 3.2 自动转向装置参数的确定 3.2.1 前轮转向装置参数的确定 3.2.2 差速转向装置参数的确定 3.2.3 小结 3.3 能量转换装置参数的确定 3.4 车架参数的确定 3.5 微调部分参数的确定 四 小车的工程图 4.1 小车部分零件工程图 4.2 小车各装置工程图 4.3 小车总装配图 五 评价分析 5.1 小车优缺点 5.2 小车的改进方向 六 附录 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”。要求经过一定的前期准备后，在集中比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理 4 项成绩考核作业。 1.2 小车功能设计要求 设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为 4 焦耳（取 g=10m/s2），比赛时统一用质量为 1Kg 的重块（ 50 65 mm，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，不允许从小车上掉落。图 1 为小车示意图。 图 1： 无碳小车示意图 竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径 20mm、高 200mm 的多个圆棒，沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成 功绕障数量来综合评定成绩。见图 2。 图 2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 1.3 小车整体设计要求 无碳小车体现了大学生的创新能力，制作加工能力，解决问题的能力。并在设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小车具有下列要求： 1.要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。 2.要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。 3.要求小车为三轮结构 4. 小车有效的绕障方法为 ：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒（擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过）；重复上述动作，直至小车停止。 1.4 小车的设计方法 首先，小车的设计一定要做到目标明确，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 、制造成本等方面因素。其次，为了降低小车的能量损耗，我们设计的小车主要利用齿轮传动，因为齿轮的能量利用率达到 95%，最后，做到控制调节路径的功能，由于齿轮便于安装等特点，所以也能运用齿轮传动达到目的。 二 方案设计 通过对小车的功能分析，小车 需要完成自动避开障碍物，驱动自身行走，重力势能的转换功能。所以我们将小车的设计分为以下部分，路径的选择，自动转向装置，能量转换装置和车架部分。 2.1 路径的选择 因为竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径 20mm、高 200mm 的多个圆棒，沿直线等距离摆放。为了在通过障碍物时，行进的距离更短，设计了如图 3 的路径。即以摆线的方法通过障碍物，然后以相切的直线到达下一障碍物，我们的路径是圆弧和直线的结合。 图 3：无碳小车路径 2.2 自动转向装置 为了能更好的让小车在预计的轨道上行驶，小 车的自动转向需要考虑到前轮的自动转向和后轮的差速转向。所以我们设计了自动转向装置和差速转向装置。 2.2.1 前轮转向装置 通过重物的下落，带动齿轮轴的旋转，利用齿轮轴的旋转，实现前轮的转向。并在齿轮轴上安装齿轮，考虑到加工和经济效益的原因，为了能实现较大的传动比，需在齿轮的带动下加入一个定轴齿轮系。在定轴轮系中，其中的一个齿轮和一连接杆铰接在一起，连接杆在铰接上一根直角杆，直角杆放置在水平滑槽中，组成组成水平滑动装置，实现杆在水平方向上的来回摆动。直角杆的另一端固定在前轮上，这样随着随着直角杆的来回摆动就可 以实现前轮的转动。前轮转向示意图如 图四 。其实，前轮转向装置分为两部分，一部分为 齿轮的传动达到一定的传动比，令一部分为齿轮所带动的水平滑动机构 。 图四 : 前轮转向示意图 1 图五 : 前轮转向示意图 2 图六 :前轮滑块部分 需要注意的是，直角杆的两杆连接部位有一个滑块，是为了能让直角杆做水平运功。在齿轮轴转动一圈的时候，小车行进一个周期，转弯两次，即直角杆完成一次前后摆动即可。并且需要在拐弯时直角杆摆动，在直线运动时，直角杆不动。小车前轮不转弯。 2.2.2 差速转向装置 我们知道，小车在以弧线段 转弯的过程中，两后轮的速度是不一样的，为了能让小车按照预期的轨道行驶，我们设计了差速转向装置。并且，在转弯过程中，加入了差速转向就会使能量损耗减小，从而增加小车的行程。差速转向装置示意图如 图七 。 图七 :差速转向装置 在此装置中，主要是运用两阶梯齿轮相互啮合，在直线行进中，阶梯齿轮的啮合相同，在摆线行进中，阶梯齿轮的啮合正好相反。而齿轮轴上的阶梯齿轮为不完全齿轮，才能使得齿轮间的相互啮合顺利进行。主动阶梯齿轮转一圈时，后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离。 2.2.3 小结 不管是前轮的转动，还是差速转 向，单独来看都可以满足预期的轨迹。但是，为了减少能量的损耗，轨迹的精确性，我们把两个机构都加入了小车中。诚然，差速转向对机构的精度要求很高，这就使转向装置的零件加工费用增加，但是加入了前轮转向装置后，就减小了对转向装置的精度。考虑到两个机构的组合会使能量损耗增加，但我们利用的都是齿轮传动，能量损耗率很小，前轮主要负责转向，后轮主要负责驱动，相互影响也很小。综上所述，我们加入了前轮转向和差速转向。 2.3 能量转换装置 为了能让小车行进的更远，怎么将一定的总能量尽可能以高利用率的形式转换是非常重要的问题。 为了 减少能量的损耗，我们利用定滑轮，在下落过程中带动齿轮轴转动，从而使整个小车前进。易知，下落过程中，轮子所带动轴半径的不同会导致轴转动的速度不同。太小的半径提供的力偶距太小而导致小车禁止不懂，太大的半径会使重物掉落的加速度太大而增加能量的损耗，理想的状态时重物匀速下落，这要就可以使小车前进的路程达到最大。所以在此装置中，我们加入了可滑动圆锥筒型装置，即可通过滑动圆锥筒改变提供力偶距的大小，使小车行进的路程达到最大。能量转换装置示意图如 图八 。 图八 :能量转换装置 2.4 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，美观等因素，车架采用木材加工制作成三角底板式。 三 参数的确定 3.1 路径参数的确定 在上面的讨论中，我们的路径是摆线和直线的组合，为了能让小车更顺利的转弯，转弯角度不能太小，为了能让小车行进的更远，必须使小车转向的半径不能太大。所以，确定了曲线的半径为 mmR 300 ，小车的宽度为 mma 150 ，小车转角 7582.36 ，经过MATLAB 拟合 的曲线 如图十。 轨迹方程为 对方程求积分，得到曲线的长度为 mmAAAA 47.19 24321 ) ； mmBBBB 35.1 4 44321 ； mmCCCC 58.2 4 04321 ； 曲线的长度为 mmAAAA 40.8 5 45432 ； mmBBBB 40.8 5 45432 ； mmBBBB 40.8 5 45432 。 3.2 自动转向装置参数的确定 自动转向装置参数的确定包含前轮转向装置参数的确定和后轮差速转向装置参数的确定。参数的确定有利于判断小车的设计是否合理，小车能否完成预计的轨道等实际问题。这里，我们假设齿轮轴每转一周，小车行进一个周期。 3.2.1 前轮转向装置参数的确定 前轮转向装置是为了更好的按照规定的轨迹行进，我们把前轮安装在车架中间，则行进的轨迹为4321 AAAA。前轮自动转向装置简图如图十一。 图十一：前轮自动转向装置简图 又因为前轮转弯时需要行进的距离为 mmS 47.1922 ，直线需要行进的距离为mmL 40.8542 ，对应的，小车转弯时，齿轮轴上的齿轮 1z 旋转的角度为 1.330 ，小车直线时，齿轮 1z 旋转的角度为 9.146 。此时齿轮 1z 为不完全齿轮，只有 1.330才有齿。而齿轮轴旋转了 33.1 的时候，齿轮 4z 需要旋转 180 。从而传动比44.51.3318014 i 。 由于 44.54114 zzi，传动比较大，所以加入了齿轮 2z 和3z，根据已知的传动比，为了便于加工等原因，求得 15；54；20；304321 zzzz。因为 1.330和 301 ，加工不方便也不符合现实，我们进行了修正，将 15；50；22；334321 zzzz。这样就考虑到实际 情况也满足预期的轨迹。 我 们 设 计 小 车 总 长 度 为 150mm ， 而 齿 轮 系 的 长 度 以 达 到mmzzzzs 605.725115.162222 4321 ，所以连杆和直角杆的总长为 90mm，所以我们取连杆的长度为 30mm，直角杆的一端长度为 50mm。 我们将在距离齿轮 4z 中心为 5mm 的地方装一个销钉。所以直角杆水平摆动的距离为10mm。所以可以得到直角杆另一端的长度为 mml 1.1577.19t a n52t a n5 。 3.2.2 差速转向装置 在差速转向装置中，需要满足在直线行进中，阶梯齿轮的啮合相同，在摆线行进中，阶梯齿轮的啮合正好相反，并且两后轮所行进的轨迹满足曲线 4321 BBBB 和 4321 CCCC ,同时主动阶梯齿轮转一圈时，后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离。 首先，由车轮转弯运动分析图， 图十二：车轮转弯运动分析图 可以得到： 数学 表达式：211022121oooooiiiWiWWWrarVV 得出： rariioo 21式中， oW 表示齿轮轴的转速， 1W 和 2W 分别表示左右两轮的转速。 1oi 和 2oi 分别表示左右侧传动链的传动比。有因为从图中和我们所选择的路径可以得到 mmr 5.22 ，mma 5.7 。 所以我们得到左右侧传动链的传动比为 3521 r ariioo。 之 后，进行齿轮的分析。后轮差速转向装置简图如图十三。 图十三：后轮差速转向装置简图 由图可知左右侧传动链的传动比 1oi ， 2oi 为 21ZZ和 43ZZ的相互组合。即传动比是变化的。 当小车行进在第一个转弯口 时， 1 轮的速度小，此时可以得到：354321ZZZZ,为了使齿轮能够够相互啮合，有 4321 ZZZZ 。通过 LINGO 软件 进行计算，我们得到很多组解。为了使小车的设计更加合理，左右侧传动链的传动比 21ZZ和 43ZZ不能太大，太大会导 致在相同模数条件下 1Z 和 3Z 的齿数过大，也不能太小，太小会因为加工精度的原因产生巨大的误差。从路径参数的选择中，我们知道了一个周期小车行进的总长为 mmS 3731.209 。我们也知道，在齿轮轴转动一圈的时候，小车前进的路程为 mmS 3731.209 ，所以通过选用合适的传动比 21ZZ，能够使小车后轮的半径在一个合理的范围内，综上所述，最后，我们选择的是 mmRZZZZ 3.83；30；90；20；100 4321 轮，为了减小齿轮的半径，以上所有的齿轮模数都为 mmm 1 。 最后，我们要将小车两后轮的运动轨迹调整到预期的水平，实现差速转向。即最后需要满足的是左右两轮传动比的 相互转换。在一个周期内，两轮的总长度是相同的。在将每一个周期分为两个部分。对 1 轮来说，转弯时需要行进的距离为 mmS 35.1441 ，直线需要行进的距离为 mmL 40.8541 ，此时齿轮轴所转过的角度为 180，并且 1 轮的速度小于 2轮，此时应是 3Z 和 4Z 啮合，所以转弯时 3Z 对应的旋转的角度为 05.261 。对 2 轮来说，转弯时需要行进的距离为 mmS 58.2403 ，直线需要行进的距离为 mmL 40.8543 ，此时齿轮轴所转过的角度为 180，并且 2 轮的速度大于 1 轮， 此时应是 1Z 和 2Z 啮合，所以转弯时 1Z 对应的旋转的角度为 55.392 。由此分析可知，当左右两阶梯齿轮夹角为 55.392 时，可以满 足行进的轨迹为预期轨迹。 综上所述，可以得到我们选择的是 mmRZZZZ 3.83；30；90；20；100 4321 轮，模数 mmm 1 ， 1Z 和 2Z 为不完全齿，左右阶梯齿轮在安装时夹角为 55.392 。 3.2.3 小结 我们知道，不管是前轮转向装置还是差速转向装置，都必须同时满足，后轮在转弯的同时，前轮也需要转动。我们从前两问算出的，得到齿轮 1z 为不完全齿轮，只有 1.330才有齿（一个周期中有两个 1.330），而由差速转向知道左右阶梯齿轮在安装时夹角为 55.392 ，虽然看起来0与2不同，但是，我们发现0是1和2的平均值，而通过计算我们也知道，只要将0安装在2中间即可。 3.3 能量转换装置的参数确定 我们知道，不同圆锥筒半径提供不同的力偶距，使小车前进的速度不同。我们选定R1=10mm， R2=40mm,由于有了前轮转向装置，齿轮 z1 距离齿轮轴中心的距离为 15mm，所以圆锥筒最长宽度为 30mm。且圆锥筒的母线与中心线的夹角为 45。 则圆锥筒直径变化范围为 20-80mm。 为了固定绳子的环绕，加入了夹角为 45的小片。利用橡皮筋固定。 3.4 车架装置参数的确定 在我们的设计中，已经知道两后轮的距离为 150mm，前后轮的距离为 150mm，为了方便加工并考虑到经济条件，我们选用的是梯形板，下底长为 130mm，上底长为 20mm，高为 160mm。 3.4 微调装置参数的确定 差速转向装置是齿轮通过啮合带动的，误差不会太大，且稳定性较高。而前轮转向装置中，是受杆的带动，受到杆长和外界的影响较大，而前轮转向装置对小车行进产生了巨大的影响。所 以需要缴入微调装置调节微调杆长，调节杆长后于预期的轨道重合。 四 小车的工程图 4.1 小车部分零件工程图 4.2 小车各装置工程图 4.3 小车总装配图 五 评价分析 5.1 小车优缺点 优点：（ 1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少。 （ 2）采用大的驱动轮，滚阻系数小