S型无碳小车设计说明书.doc

第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛

无碳小车设计说明书

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
二 方案设计
2.1 路径的选择
2.2 差速问题解决
2.3 重物与后轮的连接问题
2.4 转向装置
三 参数的设计
3.1 路径参数的确定
3.2 其他参数
四 小车的工程图
4.1小车各装配图
4.2小车CAD工程图
五 功能分析
六 选材与加工分析

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。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；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。

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。

二 方案设计
小车走S形方案
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（此轨迹为后轮的轨迹）后面的计算均以后轮为准

2.2 差速问题
考虑到后轮转向时，两轮有速度差，并且一般的差速器比较复杂，损耗较高，故我们采 取单轮差速驱动，只要能保证后轮的一轮驱动，并且同时控制转向，那么另一个后轮也会自动跟着行驶，因此解决了差速问题

2.3 重物与后轮的连接问题
重物与通过轴与后轮相连，开始驱动时，滚动摩擦力一定较大，故所需的力矩也需要适当的增加，当车子能平稳运行时，力矩又应该适当减少，未解决这个问题，我们采取了锥形导绳轮装置，通过锥形导绳轮与绳子相连。既起到了平稳运行的效果，又能有储能飞轮的功能

2.4 转向装置：几何封闭型凸轮+滑块机构
考虑到凸轮能够获得前轮所需的任意转角，从而完全确定小车的轨迹因而我 们采用封闭形凸轮加滑块机构转向

三 计算及参数的确定
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，小车前后轮距离d=180mm

因为当为圆弧时，前轮与车身的转角为一个定值，通过简化成单车模型计算，我们得出其实在小车运动的一个周期内前轮与车身的转角总共只有四个值一个为+34.5度 0度 -34.5度 0度。在一个周期内
当为切线1时：转角0度，行程0.8m，凸轮转角124度
当为圆弧A时：转角34.5度，行程0.3611m，凸轮转角56度
当为切线2时：转角0度，行程0.8m，凸轮转角124度
当为圆弧B时：转角—34.5度，行程0.3611m，凸轮转角56度

基于上述数据我们得到如图的凸轮

经过修正后的凸轮

3.2其他参数
考虑到后轮传递到凸轮需要齿轮来连接，所以我们在后轮轴与凸轮间加一对齿轮，设定大轮半径R=1.8m，得到大轮周长为1.1304m，一个运动周期的长度为2.4268 因此得出齿轮的传动比约等于2，另外为保证误差较小，我们设定两轮宽为0.16m
其余数据在小车的CAD装配图中可看出

四 设计图纸

4.1小车总装配图

（小车总体效果图，重物支撑柱设在三轮所构成的三角形的重心处，有利于保持小车平稳）

（车架部分降低有利于缓解因为大轮过高引起的车子重心升高）

（小车后部锥形导绳轮及齿轮传动部分，第二个齿轮与凸轮盘同轴）

上图 （几何封闭形凸轮，传递到转向盘）

下图 （固定板与车架相连，起到固定凸轮连杆，使之只能在一方向上运动）

（滑槽机构，控制前轮转向）

4.2小车CAD工程图

五 功能分析
5.1小车优缺点
优点与创新点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，再加一个几何封闭凸轮。
（2）凸轮连杆处采用微调机构，可调节连杆的长度便于纠正轨迹。
（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。
（4）凸轮轮廓设计简单，轮廓只是几个简单的不同半径的圆叠加，只要适当修正即可
（5）锥形导绳轮装置，通过锥形导绳轮与绳子相连。既起到了平稳运行的效果，又能有储能飞轮的功能

缺点： 小车精度要求高

六 选材与加工分析
选材：轴 车轮 车架 齿轮 凸轮 连杆 采用铝板毛坯制造
连杆采用铝柱毛坯
其余零件采用标准件即可
加工：1 齿轮机构 齿轮机构是小车中要完成传递的主要零部件，本小车中齿轮机构用在了两个部分，由于加工设备的有限本小车中所有的齿轮都是用线切割完成的
2.凸轮机构是本小车中要完成转向系统的主要零部件 由于该零件要求精度高外形比较复杂 因此采用数控洗方法实现，首先通过UG制图软件凿出凸轮的三维立体结构 再通过加工软件masterCAM进行编程加工