上海交通大學 PRP 學生研究論文 項目名稱：以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車設 計 項目題目：無碳小車設計方案及分析 學生姓名： 學號： 所在院系：機械與動力工程學院 指導老師： 承擔單位：工程訓練中心 1 目 錄 一、功能及設計要求 .1 二、無碳小車設計方案 .2 2.1 整車設計 .3 2.2 轉向輪設計 .4 2.3 驅動輪設計 .5 2.4 轉向和驅動輪的鏈接 .5 2.5 主要尺寸設計 .6 2.6 能量計算 .7 2.7 材料選擇 .8 2.8 工藝分析. 8 2.9 成本分析. 8 三、實際測試結果分析及改進方案 3.1 比賽軌跡分析. 9 3.2 理論分析. 10 3.3 比賽實際狀況. 11 3.4 改進方案. 12 2 摘要 本文詳細介紹了我們根據(jù)全國大學生工程能力競賽的要求設計的一輛無碳小車，包括 驅動機構、轉向機構的原理，小車的尺寸設計，行進路線計算，能量計算，材料選擇和工 藝分析等，根據(jù)此設計報告制造出的無碳小車成功的實現(xiàn)了競賽的設計要求，并代表交大 參加了全國工程能力競賽，取得了好成績。這是一輛純機械系統(tǒng)控制，以重力勢能驅動的 能夠自行按周期轉向的小車，對于開闊機械設計者的思路有很好的效果，也體現(xiàn)了低碳環(huán) 保的主題。 關鍵詞：無碳 設計 自行轉向 重力勢能 Abstract This text introduces a no-carbon car we desired according to the requirements of the national engineering competition. It contains the idea we used to drive and turn the direction of the car, the desire of size, the simulation of its route and energy, the choice of material and manufacture process. The car we manufactured have successfully achieve the requirements of the competition and it has won the third price in the national competition. It is a car controlled without power; it is drived by gravitational potential energy and can turn its wheel automatically. It is a good example to broaden our prospective in mechanical desire and it also show the principle of low carbon and environmental friendly. Key words: no carbon,desire,turn automatically,gravitational potential energy 一、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置的障礙物（每間隔 1 米，放置一個直徑 20mm、高 200mm 的彈性障礙圓棒） 。以小車前行距離的遠近、以及避開 障礙的多少來綜合評定成績。 給定重力勢能為 5 焦耳（取 g=10m/s2） ，競賽時統(tǒng)一用質量為 1Kg 的重塊（5065 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 5002mm，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6020 mm 的實心 圓柱型鋼制質量塊作為載荷，其質量應不小于 750 克；在小車行走過程中，載荷不允許掉 3 落。轉向輪最大外徑應不小于30mm。 圖 1： 無碳小車示意圖 圖 2： 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖 二、無碳小車設計方案 以下是具體的設計方案介紹： 2.1、整車設計 如圖 4 所示為我們設計小車的總圖。 4 圖 4 車身尺寸 330*220*700 2.2、轉向輪設計 圖 5 5 轉向輪由擺動結構構成,設計為 1 號擺桿來回擺動一次，整個前輪左右擺動一定角度， 從而小車前輪左右擺動一次， （具體擺動角度要通過實驗確定） 。 2.3、驅動輪設計 圖 7 由于需要很好的控制小車的行進速度，我們設計了一個中軸機構，這樣在重塊下 落的過程中，會首先拉動齒輪 2 隨其轉動，再由齒輪傳遞到齒輪 1 上，由于齒輪 1 與 整個后軸固定，所以可以帶動后輪轉動。由于存在多級齒輪的傳遞，所以可以行進更 多的距離。而后輪所受到的摩擦力會隨著多級齒輪而放大，這樣可以保證小車行進的 足夠慢，這樣也保證了小車的穩(wěn)定性。 2.4、轉向輪與驅動輪的鏈接 6 圖 8 我們是通過擺桿 2 的前后移動來協(xié)調驅動輪和轉向輪的一致性，由于齒輪 3 上的偏心 裝置我們帶動擺桿 2 在 1 中的前后運動，我們把動力從驅動輪傳到前方的方向輪，使 它有周期的偏轉某個角度，來達到周而復始的波浪形運動。 2.5、主要尺寸設計 初擬定驅動輪外徑 D1=230mm 兩齒輪外徑分別為 D2=20mm D3=60mm 導向輪半徑 D4=50mm 在中軸線上我們要求小車每前進 2000mm 為一個周期，也就是控制轉向裝置的機構只能 旋轉一周，因為運動軌跡是歪曲的，所以我們確立了小車輪子直徑為 230mm（具體結果見 后面） 。 2.7、能量計算 1）力分析： 小車質量 P0 ，重力 P0 g=地面支反力 N0 小車驅動力矩 M=等效力偶 F0D/ 2 （小車驅動力）F0=2M/D M 由 G 獲取 例如：M= G/ 2= F 0D/ 2（暫不計效率） 7 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)，實驗得出經驗數(shù)據(jù)， 約 0.01。 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 =G500mm 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， 在保證能夠驅動小車行走的前提下，F(xiàn) 0 越小越好。 F0= G/D 2.8、材料選擇 8 初步選定鋁合金來制作整個車身及各種連接裝置，輪子的材料為輕質塑料，具體材料 由實驗得出。 2.9、工藝分析 加工部件 加工工序 車軸 車工 后輪 數(shù)銑，鉆孔 偏心裝置 數(shù)銑，鉆孔，攻絲 前輪 鉗工，攻絲 車身 數(shù)銑，鉗工，鉆孔，攻絲 皮帶輪 數(shù)銑，壓花 2.10、成本分析 后輪：3mm 鋁板 20 元 驅動軸： 10 元 軸承： 50 元 齒輪： 100 元 前輪： 10 元 龍門架： 20 元 其他部件： 70 元 鋁板：5mm 鋁板 12 元 合計 300 元 三、實際測試結果分析及改進方案 3.1、比賽軌跡分析 9 根據(jù)無碳小車轉向機構的設計（如圖） ， 受約束只能前后滑動的傳動桿將齒輪的勻速轉 動轉化為自身正弦周期運動，此運動又通過圖 示機構轉化為前輪正弦周期的左右擺動。 小車的轉向幅度是與前輪擺動的大小成正比 的，設 前輪擺 動方向的函數(shù)為-sinwt,則小車的轉向軌跡為- sinwtdt=coswt,是余弦函數(shù)，且與前輪的左右轉向 相差了 /4 個周期。 若前輪的擺動方向如下圖， 圖 1 則此時小車前進的軌跡為 圖 2 下面分析比賽時無碳小車擺放的最佳初始狀態(tài): 圖 2 所示為行進時的最佳軌跡。由圖看出，在初始狀態(tài)，小車并不是正對第一個桿， 而是橫向和第一個桿有一定距離。前輪也不是正對著前方，而是像圖 1 一樣轉到向右方的 10 最大偏角點。 初始狀態(tài)距離中心線的距離應該根據(jù)實際情況確定。這輛小車寬度為 230mm，所以距 離至少為 115mm，此外還要考慮由于制造精度的問題小車在行進過程中會逐漸偏離理論軌 跡。因此我們還定了 70mm 的余量，最終小車初始狀態(tài)離中心線暫定為 190mm，在這種情況 下，小車經過一個周期（過兩個桿） ，后輪前進的距離應為余弦曲線的弦長（建模后測得為 216mm） 。定好小車軌跡后，可以據(jù)此設計小車周期和其它尺寸。 3.2 驅動裝置設計 小車的驅動力為 1kg 的重物，為了保證小車行進中能保持穩(wěn)定狀態(tài)，既要能輕松啟動 又不能速度太快，驅動裝置的尺寸設計很重要。在行進過程中，小車的主要阻力為前輪與 地面的摩擦已經各軸承內部的損失。最終小車的質量約為 1.2kg,前輪承重約為 0.5kg,按滾 動摩擦系數(shù) 0.04，所受阻力為 0.2N,再考慮各種機械損失，前進中小車受阻力大約為 0.3N。重物提供的拉力為 10N,所以拉力阻力比約為 33:1，可以先通過 20:60 的齒輪將拉力 減小 3 倍，再通過 20:230 的小齒輪與后輪將拉力減小 11 倍。這樣重物提供的拉力可以正 好保證小車勻速運動。 （由于很多數(shù)據(jù)都是估算，需要在小車做好后，通過實踐確定最佳的 驅動裝置尺寸） 3.3 比賽狀況 在全國大學生工程能力競賽中，我們設計的小車參加了比賽。最終我們成功繞桿 13 個， 取得了三等獎。比賽中最強的隊伍繞桿 20 多個，前進近 30 米。從中我們也看到了很大的 差距，通過對其他隊伍的觀察和幾天的學習，我們看到了我們的小車在設計和制造方面都 有許多的不足，現(xiàn)分析如下： 根據(jù)我們的尺寸設計，我們可以得到理論上行的最遠的距離為 17.25 米，但在實際測 試過程中我們只能跑出 12 米左右的成績。附：理論行進距離：第一個齒輪的放大比第二 個齒輪的放大比，即【（6020）（23020）=17.25】 3.4 原因分析及改進方案： 原因分析： 1. 小車質量太重，由于我們這輛小車采用了大量的鋁合金，所以導致了小車的整體質 量還是偏重的，由于摩擦力是與壓力成正比的，這也必然導致我們的摩擦力會很大，所以 11 一旦要啟動這樣的車子需要更大的力，也導致理論距離縮短了。 2. 小車的行進路線過于彎曲，小車由于要行進更多的路程損失了較大部分的能量，所 以我們要選擇一條更好的線路來完成比賽。 3. 小車重心不穩(wěn)，且不在中軸線上，在左右移動的過程中會產生較大的轉矩，從而產 生了很大的摩擦力。 改進方案： 1. 減輕小車質量，在保證小車運動穩(wěn)定的前提下 保證小車運動穩(wěn)定的前提下盡一切 力量減小車 保證小車運動穩(wěn)定的前提下減小車身質量，在 5J 前提下理論上可以行駛更遠 的距離，同時速度方面身質量也有相應的提高。減輕質量應該至少從兩個方面入手：1）對 于不需要的結構盡量不要，比如小車地盤我們不需要一個完整的小車地盤，甚至可以只用 幾根梁組合而成，這樣在結構上對質量有所 減輕。小車的龍門架我們也是用實心的鋼材做 成的，占了小車整體重量很大的比例，其實對這一部分對強度要求不高，我們可以選擇空 心的管材。2）選材上，在滿足剛度要求的前提下，選擇密度更小的材料來制作，也能減輕 車身質量。 2. 對車身結構的調整，主要是車身長寬量化方面，以保證小車在前 保證小車在前 進 的時候軌跡更加平滑。這樣做的意義在于：1）我們可以從示意進的時候軌跡更加平滑 圖 中看出如果調整路徑后更平緩，通過想同數(shù)量障礙所行路程就 更短，小車就能跑得更遠。 2）小車轉彎的角度更小，確保了小車的平穩(wěn)性。實現(xiàn)方式：對小車運行軌跡、車身的長度、 寬度量化， 通過人工計算和電腦計算確定出最佳的長寬和運行軌跡。 3. 重心調制重心調制。通過在設計時候對重心的調制使小車運行平穩(wěn)，轉彎的時候轉 矩更小。該過程仍然采用量化。在實際操作中，通過調節(jié)附加重物，使小車的重心達到調 節(jié)。