无碳小车设计说明书(一等奖作品)

1、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 参赛者：龚雪E赵鹏E刘述壳 指导老师：朱政强 戴莉莉 2011-1-16 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 特别注重设讣的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设讣思路；作品的设讣做到有 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；采用了 MATLAB、 PROE等软件辅助设计。 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，是我们的设讣尽

2、可能向最优设讣靠拢。 方案设讣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：车架釆用三角底板式、原动机构釆用了锥形 轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现 差速、微调机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。 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MATLAB分别进行了能耗 规律分析、运动学分析、动力

3、学分析、灵敬度分析。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。对于塑料会采用自制的电锯切割。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。 关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计微调机构 灵敏度分析 目录 一绪论 1.1本

4、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（取萨10m/s2）,竞赛时统一用质量为lKg的重块（050X65 mm,普通碳钢）铅

5、垂下降来获得，落差5002mm,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山此能量转换获得，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，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由 参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为060X20 mm的实心圆 柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。 转向轮最大外径应不小于0 30mm。 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

6、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。设讣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LI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。作品的设讣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。 小车的设计是提高小车性能的关键。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） 厳定方果 忌

7、体诛计 方案设计 技术设计 制作调试 .图 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，釆用扩展性思维设讣每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。下面为我们设 计图框（图二） 原动机构 三角底板式I T 骨架式 绳轮式 弹簧储能式 犍辂式 无碳小车 曲柄揺杆 ; 转 向 机 构 直齿轮 锥齿轮 带轮 不用附加传动 I凸轮谯杆I- 曲柄连杆冷疽 差速转向 圆柱凸轮 普通凸轮 行走机构 双轮同步

8、双轮差潼驱型 单轮驱动 使用差速器 偏心轮 单向轴承 微调机构 微调螺母 滑槽 图二 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。 r- 加工制作 避开障碍多 行走路程远 功 能 实 现 减少内 部摩擦 损耗 简化机构 减少高副 减少转轴轴 承等直径 保证尊件精 度 减少小车重 増大轮于的 半径 保证加工装配精 度 对小车行走彩响 较灵敏的寒部件 尺寸可微调 尽呈采闭标准件, 城少加工件数蚩 成本 图三 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，车架采用木材加工制作 成三角底板

9、式。可以通过回收废木材获得，已加工。 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

10、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纟 亡图四仑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 in jo不适合本小车设计。

11、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。因此在笫一种方式 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

12、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。 在本小车设讣中由于：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儿何封闭来维系的，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

13、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、安装误差的敬 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。 在本小车设计中曲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MATLAB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。对于安装误差的敬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

14、个偏心轮作为驱动轮，山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案。 2. 5行走机构 行走机构即为三个轮子，轮子乂厚薄之分，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d为一定值。 而滚动摩擦阻力J _ R _ R ,所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能 够走的更

15、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。 Ill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，山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。但山于单向轴

16、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。山于前面确定了转向采

17、用曲柄连杆+摇杆方案，山于曲柄连杆机构对 于加工误差和装配误差很敬感，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。 微调机构可以采用下面两种方式微调螺母式、滑块式如图五 图五 山于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得岀较优的方案而不能得到最优的方 案。因此我们设讣了一种机构简单的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过 试验比较得到最优的小车。 三技术设计 技术设计阶段的LI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。 3.1建立数学模型及参

18、数确定 通过对小车建立数学模型，可以实现小车的参数化设计和优化设计，提高设计的效率和 得到较优的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。 3. 1. 1能耗规律模型 为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为1-纟，即小车 能量的传递效率为小车轮与地面的摩阻系数为6,理想悄况下认为重块的重力势能都用 在小车克服阻力前进上。则有 3 Z = 1 v 3 工N严g U=1 M为第i个轮子对地面的压力。 摇杆长c二0. 06; 驱动轮直径D二0. 355; 驱动轮A与转向轮横向偏距al二0. 08 驱动轮B与转向轮横向偏距 驱动轴与转向轮的距离*0. 18; 曲柄长 r 1

19、 二0.01347; 绳轮半径r2二0. 006 3. 2零部件设计 需加工的零件： a.驱动轴 6061空心铝合金管。外径6mm内径3mm b车轮 聚屮醛板(POM板材)。片度：8mm规格尺寸：600*1200mm 22可购买的标准件： a-单向离合器轴承2个 型號 Bearing Number 外型尺寸(mm) FC系列 d D FC-6K (2) 6 10 bRBL关节轴承1个:SQ 5-RS number 尺 寸 Dimensions (nun Load ; rt mg * Itfht w d a mn mix 1 他i Lt Ml St L CMS Lt 01 6 mu SO 5-R

20、S 5 M5X0 8 9 19 29 S 10 21 7 35 4 9 - M 1 1 25 LiaJ 0.026 c 调心球轴承1个 轴承代号 d D B 135 5 19 6 d 深沟球轴承1个 型号 内径(d) 外径(D) R85zz 5 8 d. 圆柱直齿轮1对 小齿轮：模数二1,齿数=15,夕卜径=17mm,内孔二3mm, 厚度：6. omm 大齿轮：模数二1,齿数二45,夕卜径=47mm,内径二10mm, 厚度二10mm 材质：夹布塑料 3. 3整体设计 3. 3.1整体装配图 3. 3. 2小车运动仿真分析 为了进一步分析本方案的可行性，我们利用了 proe和MATLAB进行了动

21、态仿真，详见视 频。 四小车制作调试及改进 4.1小车制作流程 详见工艺分析方案报告 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，于是车小了绕绳驱动轴，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

22、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。 4. 3小车改进方法 山于本组小车采用胶水黏贴各处，虽然少了许多的加丄成本费用，也避免了能量的过多 损耗，但小车会有时出现脱胶的现象，导致无法前进，于是想法改进，使小车能量损失减 少，同时故障岀现的次数减少，稳定性能较好，避障多，前进远。 另外，本组釆用微调机构，但通过计算编程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。 五评价分析 5.1小车优缺点 优点：（1）小车机构简单，单级

23、齿轮传动，损耗能量少， （2）多处釆用微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物， （3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远， （4）采用磁阻尼，小车稳定性提高，不致使车速过快， 缺点：小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，避障稳定 行差，时而偏左，时而偏右。 5.2自动行走比赛时的前行距离估计 通过理论与实践结合，小车行走距离（包括绕开障碍物）约20-25米。 5. 3改进方向 小车最大的缺点是精度要求非常高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达 到很好的行走效果。 六参考文献 七附录 7.1装配图 7. 2耗能分析程序 clear clc tic %符号定义 %

24、重物下降的高度h %小车行驶的路程s %内部能耗系数ypxl n=10000; h二0. 5; nn=1000; ypxl=l inspace (0. 5, 1, n); R2=lll/nn; Rl=35/nn; m=l; g=9.8; mz=2; sgm=0. 5/nn; for i=l:10 % sgnF(0 l*i+0. 2)/nn; %mz=l. 75-0. 2+0. 2*i; R1二Rl+20/nn; R2=R2+20/nn; s=ypxl*m*h/(mz*(1/R1+2/R2)*sgm); s=s/l. 0456; plot (ypxl, s); hold on grid on e

25、nd plot (0. 5, 0); 7. 3运动学分析程序 clear clc tic %符号定义 %重物下降的高度h %驱动轴转过角度sd2 %驱动轴传动比ii %转向轮轴心距b %转向杆的长c %转向轮转过的角度 h=l inspace (0, 0. 5, n); ii=3; b 二 0. 15; R二0. Ill; %驱动轮A与转向轮横向偏距a 1 al=0.08; %驱动轮B与转向轮横向偏距a2 a2=0. 08; %曲柄半径rl rl=0.01347; %绳轮半径r2 r2=0. 006; %驱动轴与转向轮的距离d d二 0 18; %转向杆的长c c二0. 06; l=sqrt(

26、b2+rl2) + (0. 351)/1000; %算法 g 二 TO; sd2二h/r2; sdl=sd2/ii+pi/2; C=122*c2r12. *(cos(sdl). 2-(brl. *sin(sdl). 2; A=2. *c. *(b-rl. *sin(sdl); B二-2*c2; af=asin(C. /sqrt (A. 2+B. 2) )atan (B. /A); format long rou=al+(d). /(tan(af); s=sd2*R; ds二s(2)-s(l); dbd=ds/(rou); bd=cumsum(dbd); dy=ds*cos(bd); dx=-d

27、s*sin(bd); x=cumsum(dx); y=cumsum(dy); xb二x- (al+a2). *cos(bd); yb=y-(al+a2). *sin(bd); xc=x-al*cos(bd)-d*sin(bd); yc=y-al*sin(bd)+d*cos(bd); plot (x, y, 1 b , xb, yb, b , xc, yc, )； hold on grid on for i=l:9 t二0:0. 01:2*pi; xy=0. 01. *cos(t)-0. 23; yy二0. 01. *sin(t)+i ; plot (xy, yy); hold on end 7

28、. 4动力学分析程序 clear clc tic n二1000; h=l inspace (0, 0 5, n); ii=3; b 二 0. 15; R二0 111; %驱动轮A与转向轮横向偏距a 1 al二0 08; %驱动轮B与转向轮横向偏距a2 a2=0. 08; %曲柄半径rl rl=0. 01347; %绳轮半径r2 r2二0. 006; %驱动轴与转向轮的距离d d 二 0. 18; %转向杆的长c c二0. 06; l=sqrt(b2+r2) + (0. 351)/1000; %算法 g 二 TO; sd2二h/r2; sdl=sd2/ii+pi/2; C=1 22*c2r 12. *(cos(sdl). 2-(brl. *sin(sdl). 2; A=2. *c. (