工程訓(xùn)練大賽無碳小車說明及其計算

1、無碳小車設(shè)計說明無碳小車設(shè)計說明 構(gòu)架部分構(gòu)架部分 轉(zhuǎn)向部分轉(zhuǎn)向部分 驅(qū)動部分驅(qū)動部分 細(xì)節(jié)說明細(xì)節(jié)說明 1.構(gòu)架部分構(gòu)架部分 小車采用三輪結(jié)構(gòu)（小車采用三輪結(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向，個轉(zhuǎn)向，2個驅(qū)動）個驅(qū)動） 重物落差重物落差0.5米物重米物重1kg. 2.轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向 轉(zhuǎn)向機構(gòu)與驅(qū)動軸相連轉(zhuǎn)向機構(gòu)與驅(qū)動軸相連 小車的轉(zhuǎn)向輪周期性的擺動小車的轉(zhuǎn)向輪周期性的擺動 計算傳動機構(gòu)，使小車行使計算傳動機構(gòu)，使小車行使200厘米時，轉(zhuǎn)厘米時，轉(zhuǎn) 向輪擺動一個周期。向輪擺動一個周期。 確定連桿在轉(zhuǎn)盤有位置，盡量減小轉(zhuǎn)向輪確定連桿在轉(zhuǎn)盤有位置，盡量減小轉(zhuǎn)向輪 的擺動角度，從而使小車先驅(qū)的實際距離的擺動角度，從而使小車先

2、驅(qū)的實際距離 變大。確定初始位置與擺輪角度的關(guān)系。變大。確定初始位置與擺輪角度的關(guān)系。 3驅(qū)動驅(qū)動 原理：繩拉力為動力。將物塊下落的勢能原理：繩拉力為動力。將物塊下落的勢能 盡可能多的轉(zhuǎn)換為小車的動能，進(jìn)而克服盡可能多的轉(zhuǎn)換為小車的動能，進(jìn)而克服 阻力做功。物塊在下落的過程中不可避免阻力做功。物塊在下落的過程中不可避免 的要與小車發(fā)生碰撞，碰撞過程必然要有的要與小車發(fā)生碰撞，碰撞過程必然要有 能量損失，所以要解決的問題：能量損失，所以要解決的問題：1下降過程下降過程 中，盡可能的降低下落的速度；中，盡可能的降低下落的速度；2在將要下在將要下 降到小車時，改變轉(zhuǎn)速比，使物塊減速下降到小車時，改變

3、轉(zhuǎn)速比，使物塊減速下 落，進(jìn)一步減少碰撞損耗。落，進(jìn)一步減少碰撞損耗。 解決方案 一、小車的勻速運動過程 傳輸功率傳輸功率=轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩X角速度角速度 ，通過一系列的齒通過一系列的齒 輪，帶輪，轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速比，使作用在后輪，帶輪，轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速比，使作用在后 輪的轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩平衡，物塊低速勻速輪的轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩平衡，物塊低速勻速 下落。下落。 在后輪轉(zhuǎn)軸上安放多個不同半徑的帶輪，在后輪轉(zhuǎn)軸上安放多個不同半徑的帶輪， 微調(diào)轉(zhuǎn)矩，適應(yīng)不同的環(huán)境下阻力的不同。微調(diào)轉(zhuǎn)矩，適應(yīng)不同的環(huán)境下阻力的不同。 制作多套后輪，微調(diào)轉(zhuǎn)矩。改變后輪時，制作多套后輪，微調(diào)轉(zhuǎn)矩。改變后輪時， 也要相應(yīng)的改變轉(zhuǎn)向傳動輪的大小，

4、同時也要相應(yīng)的改變轉(zhuǎn)向傳動輪的大小，同時 保持車身水平，適當(dāng)調(diào)整前輪轉(zhuǎn)軸的長度。保持車身水平，適當(dāng)調(diào)整前輪轉(zhuǎn)軸的長度。 （現(xiàn)場可實現(xiàn)）（現(xiàn)場可實現(xiàn)） 二、小車的起始和結(jié)束過程 梯形原動輪的設(shè)計實現(xiàn)小車的起動 和物塊的從低速到減速下落。減小 因碰撞而損失的能量。 梯形原動輪 阻 力 速 度 1.在起始時原動輪的轉(zhuǎn)動半徑較大，起動轉(zhuǎn) 矩大，有利起動。 2.起動后，原動輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn) 矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。 3.當(dāng)物塊距小車很近時，原動輪的半徑再次 變小，繩子的拉力不足以使原動輪勻速轉(zhuǎn)動， 但是由于物塊的慣性，仍會減速下降， 原動輪的半徑變小，總轉(zhuǎn)速比提高，小車緩慢 減速，直到

5、停止，物塊停止下落，正好接觸 小車。 在整個過程中，重力勢能完 全轉(zhuǎn)換為小車運動過程的損 耗。使小車行進(jìn)的更遠(yuǎn). 4細(xì)節(jié)設(shè)計細(xì)節(jié)設(shè)計 車身車身 車輪車輪 軸承軸承 以減小小車重力和阻力為目的以減小小車重力和阻力為目的 一一. 命題命題 二二. 設(shè)計要求設(shè)計要求 三三. 制作要求制作要求 四四. 比賽要求比賽要求 5 計算分析計算分析 六六. 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析 主主 題：無碳小車（三輪）題：無碳小車（三輪） 考核內(nèi)容：設(shè)計、工藝、成本分析、工程管理。考核內(nèi)容：設(shè)計、工藝、成本分析、工程管理。 作品內(nèi)容：作品內(nèi)容：1.“無碳小車無碳小車”實物作品；實物作品； 2.加工制作及組裝過程的視頻錄像（加工

6、制作及組裝過程的視頻錄像（10分鐘）；分鐘）； 3.帶有徽標(biāo)的載荷質(zhì)量塊（徽標(biāo)說明）；帶有徽標(biāo)的載荷質(zhì)量塊（徽標(biāo)說明）； 4.作品的設(shè)計說明書（作品的設(shè)計說明書（word、.ppt 文稿）；文稿）； 5.工程管理方案、加工工藝方案、成本分析工程管理方案、加工工藝方案、成本分析方案方案。等。等 一、命題一、命題 1.驅(qū)動力：重力勢能，驅(qū)動力：重力勢能，1kg（Q235， 50mm*65mm ），落差高），落差高500mm； 不準(zhǔn)使用任何其它的能量形式不準(zhǔn)使用任何其它的能量形式 2.車結(jié)構(gòu)：三輪，車結(jié)構(gòu)：三輪，1輪導(dǎo)向，輪導(dǎo)向，2輪驅(qū)動；輪驅(qū)動； 3.轉(zhuǎn)向輪：最大外徑轉(zhuǎn)向輪：最大外徑30mm； 4

7、.配載荷：不小于配載荷：不小于400g、外型、外型60mm*20mm； 小車其它具體結(jié)構(gòu)和材料選用不作要求。小車其它具體結(jié)構(gòu)和材料選用不作要求。 二、設(shè)計要求二、設(shè)計要求 1.校內(nèi)制作：自主制作全部零件。校內(nèi)制作：自主制作全部零件。 2.比賽現(xiàn)場制作比賽現(xiàn)場制作：（進(jìn)入第二競賽環(huán)節(jié)后）：（進(jìn)入第二競賽環(huán)節(jié)后） 小車轉(zhuǎn)向輪小車轉(zhuǎn)向輪 （1）計算機三維造型；）計算機三維造型； （2）加工制作，方法可包括：）加工制作，方法可包括： 快速成型機制作、快速成型機制作、 機床加工、機床加工、 鉗工方法鉗工方法 等；等； （3）組裝調(diào)試。）組裝調(diào)試。 三、制作要求三、制作要求 預(yù)賽：預(yù)賽： 在指定賽道，比賽

8、繞過障礙多少和行走距離。文件原文在指定賽道，比賽繞過障礙多少和行走距離。文件原文 四、比賽要求四、比賽要求 集中參賽：（與預(yù)賽的時間、地點關(guān)系？）集中參賽：（與預(yù)賽的時間、地點關(guān)系？） 四、比賽要求四、比賽要求 集中參賽：（與預(yù)賽的時間、地點關(guān)系？）集中參賽：（與預(yù)賽的時間、地點關(guān)系？） 四、比賽要求四、比賽要求 總成績：總成績： 四、比賽要求四、比賽要求 五、計算分析五、計算分析 力分析力分析 小車質(zhì)量小車質(zhì)量P0 ，重力，重力P0 g=地面支反力地面支反力N0 小小車驅(qū)動車驅(qū)動力矩力矩M=等效力偶等效力偶F0D/ 2 （小車驅(qū)動力）（小車驅(qū)動力）F0=2M/D M由由G獲取獲取 例如：例如

9、：M= G / 2= F0D/ 2（暫不計效率）（暫不計效率） 此時此時 F0= G /D G=1kg G 五、計算分析五、計算分析 力約束力約束 （克服運行阻力的（克服運行阻力的最小值最小值和不打滑的和不打滑的最大值最大值） 克服運行阻力：克服運行阻力： 車體運行阻力包括慣性阻力和靜阻力車體運行阻力包括慣性阻力和靜阻力 慣性阻力（慣性阻力（N）=P0 a (小車啟動加速度小車啟動加速度) 靜阻力一般包括靜阻力一般包括基本阻力基本阻力、彎道阻力彎道阻力、坡道阻力、氣流阻力等等 基本阻力基本阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；重力加速度；w 運行阻力系數(shù)，實驗得出運行阻力系數(shù)，實驗得

10、出經(jīng)驗數(shù)據(jù)，約經(jīng)驗數(shù)據(jù)，約0.01。 F0 P0 (a+ g w ) ) （注意，命題中沒有運行時間要求）（注意，命題中沒有運行時間要求） 地面對小車摩擦地面對小車摩擦阻力阻力Ff ， Ff = P0 g f（摩擦系數(shù)）（摩擦系數(shù)） 不打滑條件不打滑條件 F0 Ff = P0 g f G=1kg 五、計算分析五、計算分析 做功分析做功分析 設(shè)：設(shè)：S為小車行走距離，為小車行走距離，mm，為小車總效率，為小車總效率， F0 S =G 500mm 則：則： S =G 500mm / F0 前面防滑計算得出：前面防滑計算得出：F0 Ff = P0 g f 可見：可見： 為了增大小車行走距離，為了增大

11、小車行走距離， 為了避免能量損失不打滑，為了避免能量損失不打滑， 在保證能夠驅(qū)動小車行走的前提下，在保證能夠驅(qū)動小車行走的前提下， F0 越小越好。越小越好。 F0= G /D G=1kg G 五、計算分析五、計算分析 效率分析效率分析 小車總效率小車總效率 ，包括，包括 機械傳動效率；機械傳動效率； 能量轉(zhuǎn)換效率能量轉(zhuǎn)換效率 等等 部分機械傳動效率見右表部分機械傳動效率見右表 能量轉(zhuǎn)換過程中的效率損失能量轉(zhuǎn)換過程中的效率損失 練習(xí)查找資料練習(xí)查找資料 六、結(jié)構(gòu)分析六、結(jié)構(gòu)分析 主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)；不主張遙控。主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車體結(jié)

12、構(gòu)；不主張遙控。 重力勢能轉(zhuǎn)換為動能重力勢能轉(zhuǎn)換為動能 動能和勢能總稱為機械能，包括：動能和勢能總稱為機械能，包括： （1）動能：物體由于運動而具有的能，叫做動能，動能的標(biāo)志是運動。）動能：物體由于運動而具有的能，叫做動能，動能的標(biāo)志是運動。 （2）重力勢能：物體由于被舉高而具有的能量叫做重力勢能，重力勢能的標(biāo)志是舉高。）重力勢能：物體由于被舉高而具有的能量叫做重力勢能，重力勢能的標(biāo)志是舉高。 （3）彈性勢能：物體由于發(fā)生了彈性形變而具有的能量叫做彈性勢能，彈性勢能的標(biāo)）彈性勢能：物體由于發(fā)生了彈性形變而具有的能量叫做彈性勢能，彈性勢能的標(biāo) 志是彈性形變。志是彈性形變。 轉(zhuǎn)化方法很多，如：直接

13、轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化方法很多，如：直接轉(zhuǎn)化重力勢能重力勢能 帶動輪軸轉(zhuǎn)動；帶動輪軸轉(zhuǎn)動； 間接轉(zhuǎn)化間接轉(zhuǎn)化重力勢能重力勢能 其它能量其它能量 帶動輪軸轉(zhuǎn)動帶動輪軸轉(zhuǎn)動 蓄能蓄能重力勢能重力勢能 各種蓄能裝置各種蓄能裝置 帶動輪軸轉(zhuǎn)動；帶動輪軸轉(zhuǎn)動； 但是注意：為減少能量損失，轉(zhuǎn)化步驟越少越好但是注意：為減少能量損失，轉(zhuǎn)化步驟越少越好 六、結(jié)構(gòu)分析六、結(jié)構(gòu)分析 主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)；主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)； 包括：包括： 齒輪傳動機構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、繩傳動機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、繩

14、傳動機構(gòu)、 凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、氣動裝置、液動裝置、電動裝置凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)、氣動裝置、液動裝置、電動裝置 等等等等 但是注意：為減少效率損失，傳動步驟越少越好但是注意：為減少效率損失，傳動步驟越少越好 六、結(jié)構(gòu)分析六、結(jié)構(gòu)分析 主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)；主要考慮：能量轉(zhuǎn)化機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、車體結(jié)構(gòu)； 非常多，而且繁雜。非常多，而且繁雜。 注意：命題中是單輪導(dǎo)向，不要拘泥于資料文獻(xiàn)的各種框框，要講究突破思維定勢、注意：命題中是單輪導(dǎo)向，不要拘泥于資料文獻(xiàn)的各種框框，要講究突破思維定勢、 小巧靈活。能夠完成單軸擺動即可。小巧靈活。能夠完成單軸擺動即可。 六、結(jié)構(gòu)分析六、結(jié)構(gòu)分析 主要考