無(wú)碳小車 8 字型設(shè)計(jì)方案 成 員 劉 瀟 陸首成 胡珈銘 指導(dǎo)教師 孔繁征 張若達(dá) 2012 年 12 月 9 日 本屆競(jìng)賽命題主題 本屆競(jìng)賽命題主題為 無(wú)碳小車 命題與高校工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接 綜合體現(xiàn)大 學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力 制造工藝能力 實(shí)際動(dòng)手能力 工程管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力 競(jìng)賽的目的在于激發(fā)大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究與探索的興趣 加強(qiáng)大學(xué)生工程實(shí)踐能力 創(chuàng)新 意識(shí)和合作精神的培養(yǎng) 小車功能設(shè)計(jì)要求 給定一重力勢(shì)能 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理 設(shè)計(jì)一種可將該重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用 來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置 驅(qū)動(dòng)小車行走及轉(zhuǎn)向的動(dòng)力載荷只能由給定重力勢(shì)能 4 焦耳 轉(zhuǎn)換得到 動(dòng)力載荷按要求 50 65mm 質(zhì)量 1kg 材料 普通碳鋼 準(zhǔn)備 重塊落差 400 2mm 并隨小車一起運(yùn)動(dòng)時(shí)鉛垂下落 不允許從小車上掉落 競(jìng)賽小車在半張乒乓 球臺(tái) 長(zhǎng) 1525mm 寬 1370mm 上 繞相距一定距離的兩個(gè)障礙物沿 8 字形軌跡繞行 繞行時(shí)不得撞倒障礙物 不得掉下球臺(tái) 要求小車前行過(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 小車要求采用三輪結(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 小車上面要裝載一件外形尺寸為 60 20 mm 的實(shí)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(guò)程中 載荷不允許掉 落 轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于 30mm 小車整體設(shè)計(jì)要求 小車設(shè)計(jì)過(guò)程中需要完成 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 工藝設(shè)計(jì)方案 成本分析和工程管理方案 設(shè)計(jì) 命題中的工程管理能力項(xiàng)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(jì)能力項(xiàng)要求對(duì)參賽作品的設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和規(guī)范性 命題中的制造 工藝能力項(xiàng)以要求綜合運(yùn)用加工制造工藝知識(shí)的能力為主 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力 能實(shí)現(xiàn)這一功 能的方案有多種 就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu) 小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的 具體要求 1 驅(qū)動(dòng)力適中 不至于小車拐彎時(shí)速度過(guò)大傾翻 或重塊晃動(dòng)厲害影響 行走 2 到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小 避免對(duì)小車過(guò)大的沖擊 同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上 如果重塊豎直方向的速度 較大 重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放 能量利用率不高 3 由于不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣 在不同的場(chǎng)地小車是 需要的動(dòng)力也不一樣 在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處 因此原動(dòng)機(jī) 構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力 4 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單 效率高 基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu) 如下圖 如下我們可以通過(guò)改變繩子繞在繩輪上不同位置來(lái)改變其輸出的動(dòng)力 2 1 結(jié)構(gòu)圖 支架定滑輪 繞線軸 動(dòng)力軸 圖一 2 2 分析 1 在起始時(shí)原動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 有利起動(dòng) 2 起動(dòng)后 原動(dòng)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(yùn)動(dòng) 3 當(dāng)物塊距小車很近時(shí) 原動(dòng)輪的半徑再次變小 繩子的拉力不足以使原動(dòng) 輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 但是由于物塊的慣性 仍會(huì)減速下降 原動(dòng)輪的半徑變小 總轉(zhuǎn) 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(dòng)輪的作用 1 剛開(kāi)始牽動(dòng)繩為小車提供動(dòng)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(dòng)力 2 下落物體不可避免的會(huì)和小車發(fā)生碰撞 這樣當(dāng)物體快要和小車碰撞的時(shí)候 牽動(dòng)繩已繞到了梯形圓柱的細(xì)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(dòng)輪的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小車的起動(dòng)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(dāng)力一定是 R 越大矩就越大 轉(zhuǎn)動(dòng)的就越快車啟動(dòng)的就快 當(dāng) M 已達(dá)到一定的大少保持不變 R 變小 F 就會(huì)增大 從而使物快減速 圖二 3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上 要使小車行 駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高 傳動(dòng)穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等 1 不用其它額外的傳動(dòng)裝置 直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 此 種方式效率最高 結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單 在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式 2 帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 傳動(dòng)平穩(wěn) 價(jià)格低廉 緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率 及傳動(dòng)精度并不高 不適合本小車設(shè)計(jì) 3 齒輪具有效率高 結(jié)構(gòu)緊湊 工作可靠 傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)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(dòng) 我們組最終選用了耐磨 質(zhì)量輕 價(jià)格合適的尼龍齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 并 且根據(jù) 8 字形的行走軌跡將現(xiàn)有的齒輪進(jìn)行了加工 將齒輪銑去部分齒 與 其它齒輪構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分 直接決定著小車的功能 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也 同樣需要盡可能的減少摩擦耗能 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 零部件已獲得等基本條件 同時(shí) 還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性 能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng) 帶動(dòng) 轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能 能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有 凸輪機(jī)構(gòu) 搖桿 曲柄連桿 搖桿 曲柄搖桿 差速轉(zhuǎn)彎等等 結(jié)合小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和加工技術(shù)的限制 我們采用了簡(jiǎn)單的偏心圓盤(pán) 搖桿的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 其優(yōu)點(diǎn)在于 運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小 且面接觸便于潤(rùn)滑 故磨損減小 制造方便 已獲得較高精度 兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身 的幾何封閉來(lái)維系的 它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需 利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸 在本小車設(shè)計(jì)中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞 的力不大故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕 可以忽略慣 性力 機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜 可以再連桿兩端裝上關(guān) 節(jié)軸承來(lái)減小摩擦和約束范圍并增大活動(dòng)空間 走 8 字需要一個(gè)間歇的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 我們采用 缺齒齒輪 雙聯(lián)缺齒齒輪與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求 5 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)即為三個(gè)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(guān)系為 圖三 NM 對(duì)于相同的材料 為一定值 而滾動(dòng)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(yuǎn) 但由于加工問(wèn)題材料問(wèn)題安裝問(wèn)題等等具體尺寸需要 進(jìn)一步分析確定 由于小車是沿著 8 字曲線前進(jìn)的 后輪必定會(huì)產(chǎn)生差速 我們采用了單 輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪 一個(gè)為導(dǎo)向輪 另一個(gè)為從動(dòng)輪 加裝 一個(gè)軸承 就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣 從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu) 連桿的一端與圓盤(pán)連接 圓盤(pán)上的偏心孔的偏心距離為 C 連桿與轉(zhuǎn)向輪 中心的水平距離為 L 所以 前輪通過(guò)曲線的偏向角為 7 主要尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算 小車走 8 字形軌跡避讓障礙物 對(duì)于軌跡的設(shè)計(jì)及其重要 這對(duì)于小車 的結(jié)構(gòu)布局也很重要 我們?cè)O(shè)計(jì)的 8 字形軌跡如下圖 小車從起點(diǎn)出發(fā) 最 初給定適合的前輪偏向 C L L 圖四 圖五 角 繞藍(lán)色的優(yōu)弧進(jìn)行 8 字的部分繞行 到達(dá)紅藍(lán)交叉處 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)開(kāi)始轉(zhuǎn) 彎 繼續(xù)沿藍(lán)色軌跡繞行通過(guò)起點(diǎn)處的紅藍(lán)交叉點(diǎn)完成 8 字的一半 此時(shí)轉(zhuǎn) 前輪保持第一次轉(zhuǎn)向后的偏向角繼續(xù)沿紅色軌跡運(yùn)行至轉(zhuǎn)彎處 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)再次 工作 是小車走完剩下的紅色軌跡完成一個(gè)完整的 8 字形 由于我們采用的是單輪驅(qū)動(dòng) 前輪導(dǎo)向與驅(qū)動(dòng)輪的橫向距離越大 會(huì)使小 車在繞行 8 字時(shí)軌跡不對(duì)稱 即一個(gè)圓大 一個(gè)圓小 所以我們將驅(qū)動(dòng)輪與 前輪的橫向距離取消 三個(gè)輪子的相對(duì)位置如下圖 導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)輪共線 在合適的軸 距 b 下 繞行曲線時(shí)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(dòng)輪的軌跡 細(xì)線為從動(dòng)輪 的軌跡 理論計(jì)算如下 起點(diǎn) 轉(zhuǎn)彎 驅(qū)動(dòng)輪 導(dǎo)向輪 從動(dòng)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(dòng)輪和前輪 的軌跡偏移量就越小 本小車的設(shè)計(jì)只對(duì)上述情況作定性的分析 再設(shè)計(jì)與之 相關(guān)的零件參數(shù)時(shí)簡(jiǎn)化了模型 齒輪的相關(guān)參數(shù)如上圖所示 小車的設(shè)計(jì)參數(shù) 繞線軸半徑為 r2 小車的后輪的直徑 d2 240mm 齒輪傳動(dòng)比為 i 前后輪軸距為 190mm 前輪直徑為 50mm 結(jié)合齒輪的傳動(dòng)比 后輪繞行 3 周 雙聯(lián)缺齒齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作兩次 走完一個(gè) 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(dòng)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(dòng)輪 當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過(guò)角度 時(shí) 則小車轉(zhuǎn)彎的曲率半徑為 小車行走 過(guò)程中 小車整體轉(zhuǎn)過(guò)的角度ds c d b a A 輪 B 輪 圖十 ds 當(dāng)小車轉(zhuǎn)過(guò)的角度為 時(shí) 有 cosindyx d 小車其他輪的軌跡 以輪 A 為參考 則在小車的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中 B 的坐標(biāo) 0 21aB C 的坐標(biāo) da 在地面坐標(biāo)系中 有 sin co21ayxAB sicos1dydxAC 整理上述表達(dá)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(guò)設(shè)定合理的參 數(shù)的到了小車運(yùn)動(dòng)軌跡基本符合預(yù)想軌跡 圖六 能量計(jì)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(dòng)力矩 M 等效力偶 F0 D 2 小車驅(qū)動(dòng)力 F0 2M D M 由 G 獲取 例如 M G 2 F 0 D 2 暫不計(jì)效率 此時(shí) F 0 G D 力約束 克服運(yùn)行阻力的最小值和不打滑的最大值 克服運(yùn)行阻力 車體運(yùn)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(dòng)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(yùn)行阻力系數(shù) 實(shí)驗(yàn)得出 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 約 0 03 F0 P0 a g w 地面對(duì)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(shè) 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(jì)算得出 F 0 Ff P 0 g f 可見(jiàn) 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(dòng)小車行走的前提下 F 0 越小越好 F0 G D 工藝設(shè)計(jì)方案 成本分析方案 工程管理方案