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無碳小車 8 字型設計方案 成 員 劉 瀟 陸首成 胡珈銘 指導教師 孔繁征 張若達 2012 年 12 月 9 日 本屆競賽命題主題 本屆競賽命題主題為 無碳小車 命題與高校工程訓練教學內(nèi)容相銜接 綜合體現(xiàn)大 學生機械創(chuàng)新設計能力 制造工藝能力 實際動手能力 工程管理能力和團隊合作能力 競賽的目的在于激發(fā)大學生進行科學研究與探索的興趣 加強大學生工程實踐能力 創(chuàng)新 意識和合作精神的培養(yǎng) 小車功能設計要求 給定一重力勢能 根據(jù)能量轉換原理 設計一種可將該重力勢能轉換為機械能并可用 來驅(qū)動小車行走的裝置 驅(qū)動小車行走及轉向的動力載荷只能由給定重力勢能 4 焦耳 轉換得到 動力載荷按要求 50 65mm 質(zhì)量 1kg 材料 普通碳鋼 準備 重塊落差 400 2mm 并隨小車一起運動時鉛垂下落 不允許從小車上掉落 競賽小車在半張乒乓 球臺 長 1525mm 寬 1370mm 上 繞相距一定距離的兩個障礙物沿 8 字形軌跡繞行 繞行時不得撞倒障礙物 不得掉下球臺 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構 1 個轉向輪 2 個驅(qū)動輪 具體結構造型以及材料選用均由 參賽者自主設計完成 要求滿足 小車上面要裝載一件外形尺寸為 60 20 mm 的實心 圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷 其質(zhì)量應不小于 750 克 在小車行走過程中 載荷不允許掉 落 轉向輪最大外徑應不小于 30mm 小車整體設計要求 小車設計過程中需要完成 結構設計方案 工藝設計方案 成本分析和工程管理方案 設計 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 設計能力項要求對參賽作品的設計具有創(chuàng)新性和規(guī)范性 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 結構設計方案 1 小車底板 車架不用承受很大的力 精度要求低 考慮到重量加工成本等 車架采用 3mm 的鋁板 加工制作下圖所示的幾何形狀 上面的孔的位置是小車其它零件的裝配位置 工程圖如下 2 原動機構 原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅(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 構還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力 4 機構簡單 效率高 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構 如下圖 如下我們可以通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出的動力 2 1 結構圖 支架定滑輪 繞線軸 動力軸 圖一 2 2 分析 1 在起始時原動輪的轉動半徑較大 起動轉矩大 有利起動 2 起動后 原動輪半徑變小 轉速提高 轉矩變小 和阻力平衡后小車勻速 運動 3 當物塊距小車很近時 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 速比提高 小車緩慢減速 直到停止 物塊停止下落 正好接觸小車 2 3 梯形圓柱原動輪的作用 1 剛開始牽動繩為小車提供動力的部分是梯形圓柱的粗端 這樣能為小車提供 較為快捷的動力 2 下落物體不可避免的會和小車發(fā)生碰撞 這樣當物體快要和小車碰撞的時候 牽動繩已繞到了梯形圓柱的細端 這樣能減少物體的下落速度 減少物體和小 車碰撞的能量損失 3 梯形原動輪的設計實現(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 4 利用公式 M F R 當力一定是 R 越大矩就越大 轉動的就越快車啟動的就快 當 M 已達到一定的大少保持不變 R 變小 F 就會增大 從而使物快減速 圖二 3 傳動機構 傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅(qū)動輪上 要使小車行 駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛 傳動機構必需傳遞效率高 傳動穩(wěn)定 結構簡單重量輕等 1 不用其它額外的傳動裝置 直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉向機構 此 種方式效率最高 結構最簡單 在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式 2 帶輪具有結構簡單 傳動平穩(wěn) 價格低廉 緩沖吸震等特點但其效率 及傳動精度并不高 不適合本小車設計 3 齒輪具有效率高 結構緊湊 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 我們組最終選用了耐磨 質(zhì)量輕 價格合適的尼龍齒輪作為傳動機構 并 且根據(jù) 8 字形的行走軌跡將現(xiàn)有的齒輪進行了加工 將齒輪銑去部分齒 與 其它齒輪構成傳動機構 4 轉向機構 轉向機構是本小車設計的關鍵部分 直接決定著小車的功能 轉向機構也 同樣需要盡可能的減少摩擦耗能 結構簡單 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運動轉化為滿足要求的來回擺動 帶動 轉向輪左右轉動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能 能實現(xiàn)該功能的機構有 凸輪機構 搖桿 曲柄連桿 搖桿 曲柄搖桿 差速轉彎等等 結合小車的傳動機構和加工技術的限制 我們采用了簡單的偏心圓盤 搖桿的轉向機構 其優(yōu)點在于 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 已獲得較高精度 兩構件之間的接觸是靠本身 的幾何封閉來維系的 它不像凸輪機構有時需 利用彈簧等力封閉來保持接觸 在本小車設計中由于小車轉向頻率和傳遞 的力不大故機構可以做的比較輕 可以忽略慣 性力 機構并不復雜 可以再連桿兩端裝上關 節(jié)軸承來減小摩擦和約束范圍并增大活動空間 走 8 字需要一個間歇的驅(qū)動機構 我們采用 缺齒齒輪 雙聯(lián)缺齒齒輪與轉向機構相連來實現(xiàn)這一要求 5 行走機構 行走機構即為三個輪子 輪子又厚薄之分 大小之別 材料之不同需要綜 合考慮 由摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關系為 圖三 NM 對于相同的材料 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RRf 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 8 字曲線前進的 后輪必定會產(chǎn)生差速 我們采用了單 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 加裝 一個軸承 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 與地面的摩擦約束力調(diào)節(jié) 后輪的直徑暫定為 240mm 6 微調(diào)機構 連桿的一端與圓盤連接 圓盤上的偏心孔的偏心距離為 C 連桿與轉向輪 中心的水平距離為 L 所以 前輪通過曲線的偏向角為 7 主要尺寸設計及計算 小車走 8 字形軌跡避讓障礙物 對于軌跡的設計及其重要 這對于小車 的結構布局也很重要 我們設計的 8 字形軌跡如下圖 小車從起點出發(fā) 最 初給定適合的前輪偏向 C L L 圖四 圖五 角 繞藍色的優(yōu)弧進行 8 字的部分繞行 到達紅藍交叉處 轉彎機構開始轉 彎 繼續(xù)沿藍色軌跡繞行通過起點處的紅藍交叉點完成 8 字的一半 此時轉 前輪保持第一次轉向后的偏向角繼續(xù)沿紅色軌跡運行至轉彎處 轉向機構再次 工作 是小車走完剩下的紅色軌跡完成一個完整的 8 字形 由于我們采用的是單輪驅(qū)動 前輪導向與驅(qū)動輪的橫向距離越大 會使小 車在繞行 8 字時軌跡不對稱 即一個圓大 一個圓小 所以我們將驅(qū)動輪與 前輪的橫向距離取消 三個輪子的相對位置如下圖 導向輪與驅(qū)動輪共線 在合適的軸 距 b 下 繞行曲線時兩輪的軌跡偏 移量可以忽略 上圖中的粗線為前 輪和驅(qū)動輪的軌跡 細線為從動輪 的軌跡 理論計算如下 起點 轉彎 驅(qū)動輪 導向輪 從動輪 b 圖六 圖七 圖八 在軌跡半徑確定的情況下 前后輪的軸距越小 偏向角 越小 主動輪和前輪 的軌跡偏移量就越小 本小車的設計只對上述情況作定性的分析 再設計與之 相關的零件參數(shù)時簡化了模型 齒輪的相關參數(shù)如上圖所示 小車的設計參數(shù) 繞線軸半徑為 r2 小車的后輪的直徑 d2 240mm 齒輪傳動比為 i 前后輪軸距為 190mm 前輪直徑為 50mm 結合齒輪的傳動比 后輪繞行 3 周 雙聯(lián)缺齒齒輪驅(qū)動轉向機構工作兩次 走完一個 8 字 得到小車后輪的軌跡直徑 d2 2r1 360mm 小車前輪的偏向角為 60 齒 固連 余主動輪軸 90 齒 80 齒 65 齒 余 15 齒 30 齒 圖九 小車行走軌跡分析 只有 A 輪為驅(qū)動輪 當轉向輪轉過角度 時 則小車轉彎的曲率半徑為 小車行走 過程中 小車整體轉過的角度ds c d b a A 輪 B 輪 圖十 ds 當小車轉過的角度為 時 有 cosindyx d 小車其他輪的軌跡 以輪 A 為參考 則在小車的運動坐標系中 B 的坐標 0 21aB C 的坐標 da 在地面坐標系中 有 sin co21ayxAB sicos1dydxAC 整理上述表達式有 cossinicos cosintan cos sinsin cos1 1211 1212112222 dayxadyxdsb rrcblidr h ACAB 為求解方程 把上述微分方程改成差分方程求解 通過設定合理的參 數(shù)的到了小車運動軌跡基本符合預想軌跡 圖六 能量計算 1 力分析 小車質(zhì)量 P0 重力 P0 g 地面支反力 N0 小車驅(qū)動力矩 M 等效力偶 F0 D 2 小車驅(qū)動力 F0 2M D M 由 G 獲取 例如 M G 2 F 0 D 2 暫不計效率 此時 F 0 G D 力約束 克服運行阻力的最小值和不打滑的最大值 克服運行阻力 車體運行阻力包括慣性阻力和靜阻力 慣性阻力 N P 0 a 小車啟動加速度 靜阻力一般包括基本阻力 彎道阻力 坡道阻力 氣流阻力等 基本阻力 N P0 g w 式中 g 重力加速度 w 運行阻力系數(shù) 實驗得出 經(jīng)驗數(shù)據(jù) 約 0 03 F0 P0 a g w 地面對小車摩擦阻力 Ff Ff P0 g f 摩擦系數(shù) 不打滑條件 F 0 Ff P0 g f 2 做功分析 設 S 為小車行走距離 mm 為小車總效率 F0 S G 500mm 則 S G 500mm F0 前面防滑計算得出 F 0 Ff P 0 g f 可見 為了增大小車行走距離 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 F 0 越小越好 F0 G D 工藝設計方案 成本分析方案 工程管理方案