無碳小車（S）,參賽隊伍：貴陽學(xué)院,參賽成員：王顯令肖著勇邵佳明,指導(dǎo)老師：李佳霖石文昌,設(shè)計背景,二、綜合工程訓(xùn)練大賽培訓(xùn)能力原則創(chuàng)新設(shè)計能力制造工藝能力實際操作能力工程管理能力,一、國家節(jié)能減排的政策和方針1.低碳理念：樹立低排放，低能耗的社會環(huán)境理念；2.兩型社會：構(gòu)建資源節(jié)約型環(huán)境友好型社會,命題分析,命題要求：要求小車以1KG砝碼下降400mm高度產(chǎn)生的重力勢能驅(qū)動小車行進(jìn)，在行進(jìn)過程中繞過按一定間距（7001300mm）安放的障礙物。評判原則：以小車?yán)@過障礙物的數(shù)量和行進(jìn)的距離作為判定設(shè)計是否成功的主要依據(jù)。,設(shè)計分析,小車以砝碼產(chǎn)生的重力勢能作為驅(qū)動動力來源，為了使小車能行進(jìn)較遠(yuǎn)的距離，應(yīng)盡量減少小車行進(jìn)過程中的能量損失；小車的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)要選擇合理并保證加工零件的精度要求和結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證小車在左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)過程中軌跡的對稱性，否者小車每一次的轉(zhuǎn)向誤差將會持續(xù)累積，最終會導(dǎo)致小車偏離預(yù)定軌跡。降低小車行進(jìn)過程中能量損失的方案：1.合理選用機(jī)構(gòu)；2.盡量減小傳動鏈；3.保證零件配合的精度要求；4.減輕整車結(jié)構(gòu)的重量；5.盡量降低砝碼下降過程中的加速度，減小砝碼下降到最低位置時由于撞擊產(chǎn)生的能量損失。,車架的選擇,為了避免小車在行進(jìn)過程中小車整體的晃動，并考慮到加工成本和精度要求，車架選用輕質(zhì)鋁板材加工，并合理設(shè)計車架外形，避免由車架給小車帶來的不必要的負(fù)載。,傳動方式的選擇,結(jié)合小車設(shè)計要求，在設(shè)計中要求能量損失低，軌跡對稱程度高，小車結(jié)構(gòu)緊湊，我們將設(shè)計要求轉(zhuǎn)換為具體問題，即：1.要求能量損失低，就要要求傳動的效率高；2.要求小車的軌跡對稱性好，就要保證小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪之間的傳動比恒定。經(jīng)過對比機(jī)械傳動的各種方案，我們在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪之間選用齒輪傳動，結(jié)合實際設(shè)計需求，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪之間我們選用齒輪傳動，以轉(zhuǎn)向齒輪驅(qū)動驅(qū)動軸，轉(zhuǎn)向齒輪與砝碼之間采取階梯繞線輪傳動，將傳動比合理分配在轉(zhuǎn)向齒輪與驅(qū)動軸和繞線輪之間，避免出現(xiàn)繞線輪上傳動比過大，結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)的情況發(fā)生，在保證轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與驅(qū)動輪之間的傳動比不變的情況下通過階梯繞線輪來調(diào)節(jié)驅(qū)動小車的驅(qū)動力，從而控制小車的行進(jìn)速度，獲得較大的行進(jìn)距離。齒輪傳動具有的優(yōu)點：1.能夠在空間任意兩軸（平行軸、相交軸、交叉軸）間傳遞運(yùn)動和力；2.瞬時傳動比恒定；3.結(jié)構(gòu)緊湊，適于近距離傳動；4.傳動效率高（0.920.99）；5.傳遞的功率和速度范圍大。,驅(qū)動方式設(shè)計,提出問題：小車要實現(xiàn)繞過障礙物的動作，勢必在左右輪上產(chǎn)生差速，在不采取措施的情況下小車的左右輪與地面一定會產(chǎn)生滑動摩擦，這樣的情況既不利于小車行走的穩(wěn)定，也會產(chǎn)生較大的能量損失，同時也會影響小車的軌跡和繞樁的效果。解決方案：1.采取單輪驅(qū)動；2.采取差速器驅(qū)動；3.采用單向軸承交替驅(qū)動；方案分析：1.單輪驅(qū)動：行進(jìn)時驅(qū)動輪會時而在軌跡弧線內(nèi)側(cè)，時而在軌跡弧線外側(cè)，而驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向齒輪之間的傳動比是恒定的，會導(dǎo)致小車向驅(qū)動輪的一車偏離，要實現(xiàn)對稱軌跡要靠轉(zhuǎn)向裝置將小車從偏離的一端重新拉回來；2.安裝差速器：能實現(xiàn)軌跡的對稱性，且效果較好，但安裝難度大，成本高：3：單向軸承驅(qū)動:采用單向軸承驅(qū)動，其原理和單輪驅(qū)動原理相同，即轉(zhuǎn)向過程中后輪始終有一個為驅(qū)動輪，一個為從動輪；不同點在單項軸承內(nèi)棘輪的作用會使小車始終以軌跡內(nèi)側(cè)后輪作為驅(qū)動輪，外側(cè)為從動輪，從而保證小車行走軌跡的對稱性。方案選擇：綜合考慮安裝的方便，成本，調(diào)節(jié)的便捷程度，我們采用單向軸承后輪交替驅(qū)動小車。,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的選擇：1.正弦機(jī)構(gòu)曲柄具備調(diào)節(jié)功能，可以在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)小車的軌跡，調(diào)節(jié)性能較好。2.凸輪機(jī)構(gòu)能根據(jù)軌跡要求設(shè)計凸輪參數(shù)，但凸輪加工成本高，且不具備軌跡調(diào)節(jié)功能3.無急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)無急回曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是平面機(jī)構(gòu)，要求曲柄處于前輪支架軸線的垂直面，要多一級轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)對于搖桿與前輪角度的精度要求較高，裝配難度較大，而且曲柄長度不具備調(diào)節(jié)功能，會導(dǎo)致?lián)u桿擺角不對稱。4.空間四桿機(jī)構(gòu)空間四桿機(jī)構(gòu)有2個球副，機(jī)構(gòu)簡單，傳動效率較高，但搖桿與前輪的角度難以控制，同樣具有安裝精度高的特點。,正弦機(jī)構(gòu)具有零件加工容易，成本低，可調(diào)性好的特點,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計分析,右轉(zhuǎn),直行,左轉(zhuǎn),左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn),直行,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn)（初始位置）,MATLAB擺角分析,微調(diào)裝置設(shè)計,由于加工零件和安裝時都會產(chǎn)生一定的偏差，會使小車偏離預(yù)定的軌跡，但如果提高加工和裝配的精度，相應(yīng)的加工成本的成本也會提升，為了使小車的安裝精度和加工精度降低的同時實現(xiàn)完美的越障功能，我們設(shè)計了一系列的微調(diào)裝置和粗調(diào)裝置。,微調(diào)裝置,結(jié)構(gòu)粗調(diào),結(jié)構(gòu)微調(diào),軌跡微調(diào),浮動連接,軌跡分析程序,軌跡分析程序：%s驅(qū)動輪走過的路程%n:驅(qū)動輪轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)%n1：大齒輪轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)%i:大齒輪與小齒輪間的傳動比%r:曲柄搖桿偏心距離%dx:頂桿行程（以中間位置為準(zhǔn)，頂上去為正，拉回來為負(fù)）%l:導(dǎo)向桿長度%l1:車身長%a：導(dǎo)向桿偏角(弧度數(shù))%k:a的度數(shù)轉(zhuǎn)換%r1:軌跡曲率半徑%m:軌跡圖像曲率%r2:驅(qū)動輪直徑l=62;%請輸入導(dǎo)向桿長度r2=213;%請輸入驅(qū)動輪直徑i=3.75;%請輸入齒輪傳動比r=11;%請輸入曲柄偏心距離1025l1=207;%請輸入車身長度lk=180;%請輸入車身寬度q=3;%請輸入測試周期x=0;%請輸入初始X坐標(biāo)y=0;%請輸入初始Y坐標(biāo)v=4000;%請輸入細(xì)分?jǐn)?shù)s=linspace(0,r2*pi*i*q,v);n=s/(r2*pi);n1=n/i;dx=r*sin(n1-0.25)*2*pi);a=atan(dx/l);k=(a/(2*pi)*360;r1=l1./(sin(a);m=1./r1;ds=r2*pi*i*q./v;%s取微分m=ds./r1;%微分下車身的轉(zhuǎn)角z1=zeros(1,v);%建立一個矩陣用于存儲車身轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)fori1=1:v;%對車身轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)累加并存儲z1(1,i1)=m(i1)ifi1>=2z1(1,i1)=z1(i1-1)+m(i1);end;end;ux=ds*cos(z1);zx=zeros(1,v);%建立一個矩陣用于存儲軌跡的X坐標(biāo),fori2=1:v;%對軌跡X坐標(biāo)進(jìn)行持續(xù)累加并存儲zx(1,i2)=ux(i2)+xifi2>=2zx(1,i2)=zx(i2-1)+ux(i2);end;end;dy=ds*sin(z1);zy=zeros(1,v);%建立一個矩陣用于存儲軌跡的Y坐標(biāo)fori3=1:v;%對軌跡Y坐標(biāo)進(jìn)行持續(xù)累加并存儲zy(1,i3)=dy(i3)+yifi3>=2zy(1,i3)=zy(i3-1)+dy(i3);end;end;zyz=zy+lk./2;%左輪Y坐標(biāo)zxz=zx;%左輪X坐標(biāo)zyy=zy-lk./2;%右輪Y坐標(biāo)zxy=zx;%右輪X坐標(biāo)plot(zx,zy,zxz,zyz,zxy,zyy)%輸出軌跡圖像title(無碳小車軌跡仿真)xlabel(x坐標(biāo))ylabel(y坐標(biāo)),軌跡分析圖像,參數(shù)設(shè)定：導(dǎo)向桿長度：62齒輪傳動比：3.75驅(qū)動輪直徑：213偏心距離：11車身長：207,小車整體三維圖,創(chuàng)新性分析,2.多處微調(diào)裝置和浮動連接，降低了零件的加工精度要求和小車裝配精度要求，進(jìn)而降低了加工成本。,1.利用曲柄齒輪和砝碼繞線輪的配合，在不增大傳動鏈、保證曲柄與驅(qū)動輪之間傳動比不變的情況實現(xiàn)了傳動比的合理分配，同時達(dá)到能量充分利用的效果。,3.利用單向軸承，在能給驅(qū)動輪傳遞動力的同時解決了在轉(zhuǎn)向時左右驅(qū)動輪之間差速問題，降低了小車的能耗損失。,歡迎各位老師點評！,