無碳小車初步設(shè)計說明書

無碳小車初步設(shè)計說明書摘要：本小組任務(wù)為設(shè)計一種能實現(xiàn)s型曲線壁障的無碳小車。該小車的主要結(jié)構(gòu)包含驅(qū)動部分（勢能轉(zhuǎn)換裝置）和轉(zhuǎn)向部分。針對小車起動力矩不穩(wěn)定和小車行駛過程中速度控制的需要等，我們在計算的基礎(chǔ)上設(shè)計了錐形（或變半徑型）繞線輪以實現(xiàn)驅(qū)動力可調(diào)。針對小車行駛軌跡不準(zhǔn)確以及障礙間距可調(diào)要求，我們設(shè)計了可調(diào)轉(zhuǎn)向機構(gòu)以實現(xiàn)軌跡可調(diào)。另外，針對減輕車身重量和降低車身重心等因數(shù)我們也做了詳細(xì)設(shè)計考慮。主要結(jié)構(gòu)設(shè)計1.勢能轉(zhuǎn)換機構(gòu)勢能轉(zhuǎn)換機構(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)。小車對驅(qū)動機構(gòu)還有其它的具體要求。1）需要驅(qū)動力可調(diào)以實現(xiàn)車速控制。2)由于不同場地摩阻系數(shù)有差別以及系統(tǒng)摩擦等引起的誤差導(dǎo)致對驅(qū)動力要求有變?；谝陨戏治鑫覀冞x擇了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構(gòu)（錐形繞線輪）。如下圖所示。2．傳動機構(gòu)在考慮小車整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上我們選用了齒輪傳動。齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定。3.行走機構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求小車為3輪結(jié)構(gòu)。其中最前面為轉(zhuǎn)向輪以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。由于小車沿曲線前進(jìn)，后輪必定產(chǎn)生差速，為避免后輪與地面打滑造成能量損失。我們采用單輪驅(qū)動，即前輪為轉(zhuǎn)向輪后輪一個為驅(qū)動輪一個為從動輪。4.轉(zhuǎn)向機構(gòu)由于凸輪輪廓復(fù)雜且實現(xiàn)軌跡周期調(diào)節(jié)較難，我們選用了同心輪（曲柄）+導(dǎo)向推桿+搖桿的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。結(jié)構(gòu)如下圖綜合以上分析設(shè)計的小車結(jié)構(gòu)簡圖如圖（1）圖（1）小車三維模型如圖（2）圖二以上圖形不包含具體細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)二．主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計分析驅(qū)動部分傳動設(shè)計1.1車輪直徑確定：由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為對于相同的材料為一定值。這里車輪選用鋁合金，場地為木地板。據(jù)此,查資料取=2mm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(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等考慮這里暫取車輪直徑D=200mm。1.2驅(qū)動齒輪傳動比、繞線輪半徑設(shè)計：重塊:m1=1kg,粗略估計小車車身重m0=0.8kg,小車行駛總載重：m=1.8kg假設(shè)每個車輪均承重則驅(qū)動輪的最大滾動摩阻力偶矩:Mmax=N=13mg=2×13×1.8×10則使軸1的驅(qū)動力矩：T1≥由本結(jié)構(gòu)設(shè)計計算得能使驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的齒輪1、2的傳動比i12=z1z2基于實際情況和結(jié)構(gòu)合理性的分析考慮取繞線輪平均半徑：r4=6mm由于我們采用了錐形（或變半徑型）繞線輪，在小車剛啟動時需要力矩較大，則可將線繞在繞線輪較大段。行駛過程中為使小車勻速前進(jìn)可將線繞在r4=6mm處，使動力矩與滾動摩阻力矩平衡。重物快下落完時將線繞在繞線輪較小段使小車減速前進(jìn)，以減小重物落下瞬間沖1.3齒輪設(shè)計由于小車傳動力不大所以我們選擇標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒齒輪，模數(shù)采用國家標(biāo)準(zhǔn)系列模數(shù)m=1.5mm，齒輪1齒數(shù)取z1=15,則其分度圓直徑d1=22.5mm，齒輪2齒數(shù)z2=2.轉(zhuǎn)向機構(gòu)分析轉(zhuǎn)向機構(gòu)原理簡圖如圖（3）圖（3）2.1機構(gòu)組成如下：1）與齒輪1和齒輪2成定比轉(zhuǎn)動的齒輪3（同心輪即曲柄與該齒輪為一體）。2）只有一個自由度即一個移動方向的推桿。3）與轉(zhuǎn)向輪固定控制轉(zhuǎn)向的搖桿。2.2轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)分析此轉(zhuǎn)向機構(gòu)通過齒輪3與驅(qū)動輪的定比轉(zhuǎn)動，推動搖桿轉(zhuǎn)動實現(xiàn)周期轉(zhuǎn)向使小車按照固定軌跡運動。設(shè)齒輪3轉(zhuǎn)過角度為θ時相應(yīng)搖桿轉(zhuǎn)過角度為?，則由圖（3）可看出?與θ的關(guān)系為：tan?=rsinθL，而?即為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角?的變化范圍為2.3運動軌跡影響因素分析。由以上分析可以看出轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角?是隨著θ角的周期變化而逐漸在一定范圍內(nèi)交替變化。所以小車行駛過程中無速度突變，其軌跡為光滑曲線，這樣小車行駛也跟平穩(wěn)。軌跡如圖（4）3Y（3Y（m）210.2210.2X(m) X(m)11+X2345圖（4）分析可知影響軌跡周期的因素有r與L的比值，和傳動比i13rL直接影響轉(zhuǎn)角范圍，也間接影響軌跡偏離中線的距離。如圖（4）中軌跡1的轉(zhuǎn)角范圍大于軌跡2的轉(zhuǎn)角范圍。若傳動比i13不變，即齒輪3旋轉(zhuǎn)一周驅(qū)動輪行駛距離不變，則運動軌跡相鄰峰距隨r和L的比值減小而變大，因此改變r和傳動比i13確定了齒輪3每轉(zhuǎn)一周驅(qū)動輪行駛距離，即一個軌跡周期的線距離。當(dāng)r和L比值不變時，傳動比越大軌跡相鄰峰距越大。如圖（4）中軌跡1和軌跡3根據(jù)以上分析可采用三個設(shè)計變量的改變實現(xiàn)不同間距障礙繞行。傳動比i13的改變需要跟換齒輪且只能實現(xiàn)某些固定傳動比以適應(yīng)某些固定間距障礙。但改變傳動比可以滿足間距變化較大的情況。r和L的調(diào)節(jié)較容易實現(xiàn)且能無極調(diào)節(jié)。但由于r與L比值對軌跡調(diào)節(jié)力度有限，當(dāng)障礙間距變化較大時僅改變r和L比值無法實現(xiàn)繞行。因此，我們采用三個變量同時配合調(diào)節(jié)，傳動比實現(xiàn)改變較大的粗調(diào)，r與L轉(zhuǎn)向機構(gòu)如下圖，圖中1為導(dǎo)軌固定在有凹槽的基座3上，限制推桿只能前后移動，導(dǎo)軌1在凹槽基座3上的位置可調(diào)節(jié)以實現(xiàn)L的長度調(diào)節(jié)，零件2固定在推桿上和與轉(zhuǎn)向輪連為一體的導(dǎo)軌高副連接，圓柱4固定在帶凹槽的齒輪上和推桿上的滑道高副連接，當(dāng)需要調(diào)節(jié)r的值時，將圓柱4在齒輪上移動后在固定并將2重新固定在推桿上相應(yīng)的位置。22431采用軌跡分析法即可求出相應(yīng)的尺寸要求，以圖（4）中軌跡1為例，由于我們的車身寬大約為200mm障礙物直徑20mm,則小車要順利繞過障礙物,軌