(無(wú)碳小車(chē))工程訓(xùn)練綜和能力競(jìng)賽方案書(shū)

1、“無(wú)碳小車(chē)”方案書(shū) 2010/10/10方案目錄一：任務(wù)和要求 21.1 命題要求部分 21.2 自我發(fā)揮部分 3二：方案設(shè)計(jì)及論證 42.1 轉(zhuǎn)向輪及軌道設(shè)計(jì) 42.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 72.3 小車(chē)整體及外觀設(shè)計(jì) 82.4 最終方案 8三： 材料及成本分析 93.1 小車(chē)整體材料種類(lèi) 93.2 小車(chē)各部位材料選擇 93.3 小車(chē)整體成本分析 9四：方案總結(jié) 10一：任務(wù)和要求1.1命題要求部分 命題主題：“無(wú)碳小車(chē)” 競(jìng)賽命題要求： 小車(chē)要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計(jì)完成。要求滿足：小車(chē)上面要裝載一件外形尺寸為6020 mm的實(shí)心圓柱型

2、鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于750克；在小車(chē)行走過(guò)程中，載荷不允許掉落。轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于30mm。 給定重力勢(shì)能為5焦耳（取g=10m/s2），競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為1Kg的重塊（5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來(lái)獲得，落差5002mm，重塊落下后，須被小車(chē)承載并同小車(chē)一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。小車(chē)前行過(guò)程中完成的所有動(dòng)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。障礙物放置要求：每間隔1米，放置一個(gè)直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒。小車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖：小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖： 第二階段附加要求：參賽隊(duì)，需取下小車(chē)原有的轉(zhuǎn)向輪，重新制作小車(chē)的轉(zhuǎn)向輪。轉(zhuǎn)向輪的制作采用根據(jù)原設(shè)

3、計(jì)圖紙和競(jìng)賽組委會(huì)的指定要求，經(jīng)計(jì)算機(jī)三維造型后，使用快速成型機(jī)制作、車(chē)床加工及鉗工方法完成，最終完成小車(chē)轉(zhuǎn)向輪的組裝和調(diào)試，總加工時(shí)間為4小時(shí)左右。 成績(jī)?cè)u(píng)定： 根據(jù)綜合工程管理方案、設(shè)計(jì)方案、加工工藝方案、成本分析方案、小車(chē)徽標(biāo)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向輪加工成本及質(zhì)量（是否符合圖紙要求）、現(xiàn)場(chǎng)加工質(zhì)量、小車(chē)前行距離及答辯成績(jī)等得分，經(jīng)加權(quán)公式計(jì)算最終得分1.2自我發(fā)揮部分 1）小車(chē)的前輪（即轉(zhuǎn)向輪）設(shè)計(jì)。單向偏轉(zhuǎn)或?qū)崿F(xiàn)雙向偏轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向角度的確定。 2）小車(chē)的運(yùn)行軌道的設(shè)計(jì)。根據(jù)轉(zhuǎn)向方案，設(shè)計(jì)出小車(chē)路程最少且位移量最大、符合命題要求的預(yù)算軌道。并確定小車(chē)的初始釋放位置。 3）小車(chē)的能量轉(zhuǎn)換方式。綜合考慮到

4、轉(zhuǎn)換與行駛的相對(duì)關(guān)系，并盡可能的加大能量的利用率。 4）小車(chē)的前后輪設(shè)計(jì)。前輪盡量簡(jiǎn)潔，且確保自己能夠用三維軟件自行作出，后輪設(shè)計(jì)盡量減少與地面的摩擦。 5）小車(chē)的外觀設(shè)計(jì)。在不影響小車(chē)的正常運(yùn)行下，盡量減少小車(chē)自身的重量，并且要考慮到小車(chē)的整體外觀。 6）成本分析。 在實(shí)現(xiàn)小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)基本運(yùn)行的情況下，充分考慮選材成本和裝飾材料的取舍。二：方案設(shè)計(jì)及論證2.1轉(zhuǎn)向輪及軌道設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主體思路： 利用轉(zhuǎn)向輪中心軸偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向。本方案中將分校內(nèi)比賽方案和后期參考放案兩種方案，校內(nèi)方案目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)單向偏轉(zhuǎn)，后期參考方案目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)近S形路線。圖1方案一如圖1所示（為軸中心部位的半剖視圖），前輪的中軸

5、設(shè)計(jì)，成一個(gè)傾斜的角度。使其能夠?qū)崿F(xiàn)自行的繞一圓弧運(yùn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)繞開(kāi)障礙物運(yùn)行。方案二將采用平行連桿實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向。且以方案二為主要設(shè)計(jì)思路。前輪具體設(shè)計(jì)及軌道方案：方案一：?jiǎn)蜗蚱D(zhuǎn)設(shè)計(jì)及其對(duì)應(yīng)的軌道設(shè)計(jì)。如圖3（前輪剖視圖）所示。其軌道設(shè)計(jì)如圖2所示：圖3圖2前輪設(shè)計(jì)軟件采用CAXA工程制造師設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成型。前輪輪廓圖如圖4和圖5：圖5圖4各參數(shù)要點(diǎn)經(jīng)計(jì)算得出，具體如下：（前輪最大外徑初步設(shè)為50mm,最大寬度設(shè)定為15.625mm）:軌道參數(shù)： 1）.小車(chē)寬度要小于200mm； 2）.軌道半徑為2500mm； 3）.行駛初始角度（相對(duì)賽道偏角）為arctan4/3（約53度）。 前輪

6、參數(shù)：（參考圖4） 1）.小車(chē)外輪最大外徑50mm； 最大寬度15.625mm。2）.圖4注釋制造經(jīng)過(guò)：拉伸除料拉伸深度6.25mm增加拔模斜度30度。過(guò)渡半徑為1.25mm。過(guò)渡半徑為6.25mm。打孔通孔直徑18.75mm。3）.中軸孔經(jīng)打孔 孔型小徑1.25mm,大徑1.5625mm，通孔。（以50mm最大外徑，大經(jīng)比小徑寬0.3053mm）。設(shè)計(jì)小結(jié)：圖6該方案設(shè)計(jì)中，小車(chē)最大有效位移約為4000mm，可能還有出界的扣分。在初步比賽中，可以先用偏轉(zhuǎn)前輪實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的效果，前輪放置如圖6所示。前輪的安放轉(zhuǎn)角與上述計(jì)算角度一樣。方案二：近S形偏轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)及其軌道設(shè)計(jì)。軌道設(shè)計(jì)如圖7所示：圖7前輪設(shè)

7、計(jì)軟件采用CAXA工程制造師設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成型。前輪輪廓圖如圖4和圖5所示各參數(shù)要點(diǎn)經(jīng)計(jì)算得出，具體如下：（前輪最大外徑初步設(shè)為50mm,最大寬度設(shè)定為15.625mm）: 軌道參數(shù)：1）.小車(chē)寬度不易過(guò)寬，設(shè)定為180mm。2）.每個(gè)旋轉(zhuǎn)弧行駛距離為1000mm1100mm(符合小車(chē)寬度)。轉(zhuǎn)彎角度為arctan1/5（約11.3度）。前輪參數(shù)： 1）.小車(chē)外輪最大徑50mm； 最大寬度15.625mm。 2）.圖4制造過(guò)程與注釋與方案一類(lèi)同。 3）.中軸實(shí)現(xiàn)過(guò)程，選擇形孔，其外徑為2.2mm。前輪轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)（初步設(shè)計(jì)）a.轉(zhuǎn)向距離設(shè)定： 本方案設(shè)計(jì)中小車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)變將經(jīng)過(guò)發(fā)條盒帶動(dòng)大

8、齒輪，再帶動(dòng)安裝在小車(chē)后輪上的小齒輪實(shí)現(xiàn)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)（詳見(jiàn)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)）。大齒輪設(shè)計(jì)時(shí)，除了提供小車(chē)行駛的能量，還將提供改變方向的能量。如下圖8所示，當(dāng)大齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，就改變一次方向，這時(shí)初步設(shè)定后輪最大外徑為60mm.則后輪每旋轉(zhuǎn)一周行駛距離為：2*3.14159*30=188.4954mm為實(shí)現(xiàn)大齒輪旋轉(zhuǎn)一周至少行駛1000mm的距離，如果定小齒輪旋轉(zhuǎn)的周數(shù)為設(shè)定為5.3周，則行駛距離為：188.4954*5.3=999.02562mm.所以可以設(shè)定大齒輪與小齒輪的齒數(shù)比53:10。b.轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖8。圖8圖9 采用平行連桿，輪流經(jīng)過(guò)大齒輪的凸起處，從而直接帶動(dòng)前輪的中軸，改變其行駛

9、方向。設(shè)計(jì)中，將采用前輪中軸平行于平行連桿固定軸。從而實(shí)現(xiàn)連桿固定軸轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角一致，如圖9，設(shè)置連桿固定軸寬度為10mm，則大齒輪推動(dòng)平行連桿的距離僅為1mm，故可以實(shí)現(xiàn)，且能減少能量消耗。設(shè)計(jì)小結(jié):該方案設(shè)計(jì)中，前輪的制造工序簡(jiǎn)單。前輪的安裝與卸載可能比較繁瑣，可以考慮將前輪中軸分段制造，以減少安裝與卸載的程序。實(shí)際制造中，轉(zhuǎn)向的具體參數(shù)設(shè)計(jì)需要實(shí)際實(shí)驗(yàn)才能最終定論。該方案為本組主要設(shè)計(jì)方案。2.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主體思路：首先利用發(fā)條將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成彈性勢(shì)能，再利用發(fā)條能較穩(wěn)定的能量釋放特性，經(jīng)過(guò)齒輪轉(zhuǎn)變帶動(dòng)后輪驅(qū)動(dòng)小車(chē)的前進(jìn)。理論計(jì)算數(shù)據(jù)：以網(wǎng)上木材鋼間滾動(dòng)摩擦系數(shù)（最大）0.04

10、，小車(chē)整體重量為2KG，能量用5J計(jì)算可以得到運(yùn)行最大距離為6250mm，但實(shí)際運(yùn)行中，摩擦系數(shù)沒(méi)有0.04，能量運(yùn)用率無(wú)法達(dá)到100%，相互抵消與否需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明。小車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)圖如下圖10所示：圖10如圖10所示，重物經(jīng)過(guò)滑輪，與發(fā)條相連接，發(fā)條軸與大齒輪中心軸相連，大齒輪帶動(dòng)小齒輪實(shí)現(xiàn)后輪的驅(qū)動(dòng)。該過(guò)程依能量的轉(zhuǎn)換分為兩個(gè)階段，具體如下：a.勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能：首先，釋放重物，由于發(fā)條處于反向轉(zhuǎn)動(dòng)，不影響小車(chē)靜止。當(dāng)重物下落到接近小車(chē)上方由于彈性勢(shì)能的加大，重物速度將會(huì)減慢。此時(shí)，借助磁鐵的吸引力，將放在底板上的撞針壓下，同時(shí)固定住重物。撞針的另一端連接發(fā)條的固定針，使發(fā)條處于瞬間彈性最

11、大值狀態(tài)。 b.彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車(chē)動(dòng)能：當(dāng)發(fā)條固定針將發(fā)條固定，此時(shí)，發(fā)條開(kāi)始釋放彈性勢(shì)能，同時(shí)帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)小齒輪帶動(dòng)后輪（小齒輪中心套在后輪連桿上）。各參數(shù)如下：1）.物體下落高度為500mm； 2）.重物能夠在無(wú)磁鐵的情況下恰好接觸底板，以保證“不使用其他形式的能量”（“恰好”即速度基本為零，以減少能量的損耗）； 3）.重物接觸底板后要保證發(fā)條處于恰飽和（最佳狀態(tài)）或要飽和狀態(tài)，確保能量的最大轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)小結(jié)： 該方案設(shè)計(jì)中，對(duì)發(fā)條的要求較高，但可以較平穩(wěn)的使用法條中的能量，除去了重物下落的搖擺問(wèn)題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。2.3小車(chē)整體及外觀設(shè)計(jì)(初步設(shè)計(jì))小車(chē)底板設(shè)計(jì)：小車(chē)

12、底板寬度180mm，總長(zhǎng)度300mm，前半部分采用等腰梯形，上底100mm，下底180mm，高100mm，后半部分為矩形設(shè)計(jì)長(zhǎng)為200mm，寬度為180mm。底板厚度3mm。重物支撐架設(shè)計(jì)：采用長(zhǎng)度為600mm，寬度50mm，厚度為3mm中部為空的塑料板，另外重物支撐架兩邊用兩根長(zhǎng)度為300mm的塑料棒支撐。轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)向連桿統(tǒng)一采用直徑1mm的硬質(zhì)鋁棒，中軸采用鋼棒。轉(zhuǎn)向輪位于小車(chē)中軸線上，轉(zhuǎn)向輪軸線與前底板相距30mm。轉(zhuǎn)向輪外徑為50mm，最大寬度15.625mm。后輪驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：后輪外徑60mm，寬度為10mm，兩輪中軸線離后底板30mm，采用嵌入式放置，小齒輪位于兩后輪連線中心處。

13、外 觀 設(shè) 計(jì)：外觀標(biāo)幅以學(xué)校標(biāo)志為主。注重不同顏色涂漆的結(jié)合使用。載 物 放 置：放與小車(chē)中前部，使其同時(shí)起到平衡小車(chē)的作用。2.4最終方案 本次方案設(shè)計(jì)中，分初次比賽用車(chē)和后期比賽用車(chē)（如果許可，可以直接用后期設(shè)計(jì)方案），前后用車(chē)主要不同處在于前輪轉(zhuǎn)向及軌道設(shè)計(jì)，與費(fèi)用不產(chǎn)生太大影響，但是方案二為我組主要設(shè)計(jì)方案。能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以經(jīng)發(fā)條實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換為主，但也有備用方案。備用方案僅做意見(jiàn)保留。三： 材料及成本分析3.1小車(chē)應(yīng)用材料種類(lèi)：塑料 硬質(zhì)鋁 磁鐵 鋼柱 細(xì)線3.2小車(chē)整體材料種類(lèi)本次方案中主要材料種類(lèi)如下：小車(chē)底板及重物支撐架：塑料為主.后輪設(shè)計(jì)：塑料為主（成品設(shè)計(jì)）。前輪（前期）：

14、硬質(zhì)鋁。齒輪：塑料（成品設(shè)計(jì)）。重物下落固定物：磁鐵。連桿等：硬質(zhì)鋁。前后輪中軸：鋼。裝飾：塑料為主。發(fā)條：買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)品。3.3小車(chē)整體成本分析（參考網(wǎng)上報(bào)價(jià)）塑料板成本：總共約15元前輪成本：自己制作后輪成本：標(biāo)準(zhǔn)品兩個(gè)10元左右連桿成本：約3元齒 輪：小齒輪1元 大齒輪2元發(fā) 條：25元左右撞 針：0.5元磁 鐵：4-5元滑 輪：1元左右總共材料成本約為63元（不包含工具等其他費(fèi)用）。四：方案總結(jié)本次競(jìng)賽命題要求中，以給定的能量設(shè)計(jì)三輪小車(chē)帶動(dòng)給定負(fù)載進(jìn)行避物運(yùn)行。本方案設(shè)計(jì)中，分為前輪轉(zhuǎn)向，動(dòng)力設(shè)計(jì)，成本分析三大部分展開(kāi)設(shè)計(jì)。前輪轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先考慮到的是單向偏轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，但與理論最小運(yùn)行值有較大差距，故考慮轉(zhuǎn)向運(yùn)行。其中，平行連桿的設(shè)計(jì)，從理論上可以實(shí)現(xiàn)交替轉(zhuǎn)向。但前輪的支撐力如果較大，可能會(huì)導(dǎo)致能量的消耗，這也是實(shí)際要考慮到的問(wèn)題。且對(duì)整個(gè)平行連桿的制作精度要求比較高。動(dòng)力系