無碳小車說明書_井岡山大學

1、第三屆全國大學生工程訓練大賽無碳小車設(shè)計說明書設(shè)計者：周東井岡山大學機電工程學院2013年4月24 / 23摘要第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽主題為“無碳小車越障競賽”。在設(shè)計小車過程中，特別注重設(shè)計的思維方法，力求通過對主題的全面分析而得到清晰開闊的設(shè)計思路，使得設(shè)計的作品有系統(tǒng)性、規(guī)性和創(chuàng)新性，設(shè)計過程中綜合考慮功能實現(xiàn) 、加工制作和成本等各方面的因素。我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計 、優(yōu)化設(shè)計 、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計理論方法，采用了MATLAB與Solidworks軟件輔助設(shè)計。我們把小車的設(shè)計分為三個階段：方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、制作調(diào)試。通過每一階段的深入分析、層層把關(guān)，使得我們的設(shè)計盡可能向

2、最優(yōu)化設(shè)計靠攏。方案設(shè)計階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機器的構(gòu)成（原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) 、微調(diào)機構(gòu)六個模塊，進行模塊化設(shè)計。分別針對每一個模塊進行多方案設(shè)計，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。我們的方案為;原動機構(gòu)采用線纜加滾輪機構(gòu)，傳動機構(gòu)采用齒輪機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄搖桿加連桿機構(gòu)，行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速，通過調(diào)節(jié)曲柄搖桿的長度可以調(diào)節(jié)前輪能轉(zhuǎn)動的最大角度。技術(shù)設(shè)計階段我們先對方案建立數(shù)學模型進行理論分析，借助MATLAB分別進行了能耗規(guī)律分析、運動學分析、動力學分析、靈敏度分析。進而得出了小車

3、的具體參數(shù)和運動規(guī)律。接著應(yīng)用Solidworks軟件進行了小車的實體建模和部分運動仿真。在實體建模的基礎(chǔ)上對每一個零件進行了詳細的設(shè)計，綜合考慮小車的功能實現(xiàn)、加工制作和成本等方面的因素。小車齒輪、軸承等標準件可以采購，部分精度要求高的零件需要機器設(shè)備加工。小車受力不大，配合處可采用膠接。調(diào)試過程會通過微調(diào)改變小車的參數(shù)進行試驗，在試驗的基礎(chǔ)上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。關(guān)鍵字：無碳小車；參數(shù)化設(shè)計；軟件輔助設(shè)計；微調(diào)機構(gòu)；靈敏度分析目錄摘要3第一章緒論61.1本屆競賽命題主題61.2小車功能設(shè)計要求61.3小車整體設(shè)計要求71.4小車的設(shè)計方法7第二章方案設(shè)計82.1小車整體

4、模型圖122.2車架122.3原動機構(gòu)132.4傳動機構(gòu)142.5轉(zhuǎn)向機構(gòu)152.6行走機構(gòu)17第三章技術(shù)設(shè)計183.1建立數(shù)學模型與參數(shù)確定183.2能耗規(guī)律模型18第四章零部件設(shè)計204.1后輪與前輪214.2齒輪傳動機構(gòu)224.3前輪機構(gòu)22第五章結(jié)論與展望245.1結(jié)論245.2展望24參考文獻24第一章 緒論1.1本屆競賽命題主題本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。命題與高校工程訓練教學容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。命題容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)計能力、制造工藝能力、實際操作能力和工程管理能力”四個方面的要求。1.2小車功能設(shè)計要求給定一定重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為

5、機械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物（間隔1米，直徑20mm、高200mm的多個圓棒）。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來綜合評定成績。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式。小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），具體結(jié)構(gòu)造型以與材料選用均由參賽者自主設(shè)計完成。要求滿足：小車上面要裝載一

6、件外形尺寸為60×20 mm的實心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。1.3小車整體設(shè)計要求 小車設(shè)計過程中需要完成：機械設(shè)計、工藝方案設(shè)計、經(jīng)濟成本分析和工程管理方案設(shè)計。命題中的工程管理能力項要求綜合考慮材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程規(guī)劃。設(shè)計能力項要求對參賽作品的設(shè)計具有創(chuàng)新性和規(guī)性。命題中的制造工藝能力項以要求綜合運用加工制造工藝知識的能力為主。1.4小車的設(shè)計方法小車的設(shè)計一定要做到目標明確，通過對命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設(shè)計思路。作品的設(shè)計需要有系統(tǒng)性規(guī)性和創(chuàng)新性。

7、設(shè)計過程中需要綜合考慮材料 、加工 、制造成本等給方面因素。小車的設(shè)計是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計方法上我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計 、優(yōu)化設(shè)計 、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法。采用了MATLAB、Solidworks等軟件輔助設(shè)計。小車的設(shè)計流程圖如圖1所示。圖1 小車設(shè)計流程第二章 方案設(shè)計 通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設(shè)計，這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設(shè)計（車架 、原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu) 、微調(diào)機構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思，選擇最

8、優(yōu)方案。小車的設(shè)計框圖如圖2所示。 在選擇方案時應(yīng)綜合考慮小車的功能實現(xiàn)、加工制作、成本等各方面因素，小車的功能實現(xiàn)框圖如圖3所示。加工制作和成本框圖如圖4所示。 圖2 小車設(shè)計框圖圖3 小車功能實現(xiàn)框圖圖4設(shè)計考慮的因素2.1小車整體模型圖2.2車架車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁合金板加工制作成長方形底板式。2.3原動機構(gòu)原動機構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.到達終點前重塊豎直方向

9、的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機構(gòu)簡單，效率高?；谝陨戏治鑫覀兲岢隽溯敵鲵?qū)動力繩輪式原動機構(gòu)。如下圖四如上圖我們可以通過改變繩子繞在繩輪上來輸出的動力。2.4傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠與按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定

10、、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。1.不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。2.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率與傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。綜上所述所以我們決定采兩齒輪傳動機構(gòu)；如下圖所示：2.5轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動

11、轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。優(yōu)點：只需設(shè)計適當?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A期運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設(shè)計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動摩擦）因此不采用 曲柄連桿+搖桿，優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已

12、獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點：一般情況下只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡，且設(shè)計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構(gòu)中做平面復雜運動和作往復運動的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。在本小車設(shè)計中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構(gòu)并不復雜，利用MATLAB進行參數(shù)化

13、設(shè)計并不困難，加上個可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。對于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調(diào)機構(gòu)來解決。曲柄搖桿結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其急回特性導致難以設(shè)計出較好的機構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎差速拐是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠的設(shè)計方案。和凸輪同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據(jù)需要來調(diào)整輪子的尺寸。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的）綜合上面分析我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的方案。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：2.6

14、行走機構(gòu) 行走機構(gòu)即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為對于一樣的材料為一定值。而滾動摩擦阻力，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速。差

15、速器涉與到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運動。單向軸承實現(xiàn)差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動不準確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅(qū)動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。綜上所述行走機構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當?shù)某叽?，可以如果有條件可以通過實驗來確定實現(xiàn)差速的機構(gòu)

16、方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動。 由于理論分析與實際情況有差距，只能通過理論分析得出較優(yōu)的方案而不能得到最優(yōu)的方案。因此我們設(shè)計了一種機構(gòu)簡單的小車，通過小部分的改動便可以改裝成其它方案，再通過試驗比較得到最優(yōu)的小車。第三章 技術(shù)設(shè)計技術(shù)設(shè)計階段的目標是完成詳細設(shè)計確定個零部件的的尺寸。設(shè)計的同時綜合考慮材料加工成本等各因素。3.1建立數(shù)學模型與參數(shù)確定通過對小車建立數(shù)學模型，可以實現(xiàn)小車的參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的效率和得到較優(yōu)的設(shè)計方案。充分發(fā)揮計算機在輔助設(shè)計中的作用。我們是使用SolidWorks此數(shù)學模型的。通過Matlab可以在計算機中顯示出小車小車的行駛距離與摩擦系數(shù)的

17、平面坐標圖然后來進行分析的出小車各零部件的指導參數(shù)。并進行參數(shù)的優(yōu)化。3.2能耗規(guī)律模型為了簡化分析，先不考慮小車部的能耗機理。設(shè)小車部的能耗系數(shù)為，即小車能量的傳遞效率為。小車輪與地面的摩阻系數(shù)為，理想情況下認為重塊的重力勢能都用在小車克服阻力前進上。則有為第i個輪子對地面的壓力。為第i個輪子的半徑。為第i個輪子行走的距離為小車總質(zhì)量為了更全面的理解小車的各個參數(shù)變化對小車前進距離的變化下面分別從1.輪子與地面的滾動摩阻系數(shù)、2.輪子的半徑、3.小車的重量、4.小車能量轉(zhuǎn)換效率。四方面考慮。通過查閱資料知道一般材料的滾動摩阻系數(shù)為0.1-0.8間。下圖為當車輪半徑分別為（222mm，70mm

18、）摩阻系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5.mm時小車行走的距離與小車部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖（圖六）有上圖六可知滾動摩阻系數(shù)對小車的運動影響非常顯著，因此在設(shè)計小車時也特別注意考慮輪子的材料，輪子的剛度盡可能大，與地面的摩阻系數(shù)盡可能小。同時可看到小車為輪子提供能量的效率提高一倍小車前進的距離也提高一倍。因此應(yīng)盡可能減少小車部的摩擦損耗，簡化機構(gòu)，充分潤滑。圖七為當摩阻系數(shù)為0.5mm，車輪半徑依次增加10mm時的小車行走的距離與小車部轉(zhuǎn)換效率的坐標圖圖六由圖可知當小車的半徑每增加1cm小車便可多前進1m到2m。因此在設(shè)計時應(yīng)考慮盡可能增大輪子的半徑。第四章 零部件設(shè)計在這里零部件設(shè)計應(yīng)符合實際，盡量往簡單易加工易制造且裝配拆卸方便互換性好靠攏，由于制造能力的限制所以我們的小車大部分零件都是采用標準件，而對于像前后輪、底座這樣的不能買到的的零件我們則自行加工，它們的材料都是強度好且經(jīng)濟的鋁合金板，在數(shù)控機床上加工它們進而的到我們所需要的結(jié)構(gòu)形狀；軸承座則是通過用自行生產(chǎn)的有鋁塊來代替，在鋁塊上打上孔并用螺栓、螺絲固定到小車的底座上。軸則是用直徑為7m的碳鋼圓柱棒來簡單的代替，由于小車的穩(wěn)定性要求不