X X X大學(xué)
“S”型無(wú)碳小車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
組員：XXX
XXX
XXX
指導(dǎo)老師：XXX
時(shí)間：XXXX年XX月
目錄
1、緒論 3
1.1競(jìng)賽主題 3
1.2競(jìng)賽命題 3
1.3小車的設(shè)計(jì)方法 4
2、方案設(shè)計(jì) 4
2.1設(shè)計(jì)思路 4
2.2勢(shì)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 5
2.3原動(dòng)機(jī)構(gòu) 5
2.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 6
2.5轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 6
2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu) 6
摘要：本小組任務(wù)為設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)s型曲線壁障的無(wú)碳小車。該小車的主要結(jié)構(gòu)包含驅(qū)動(dòng)部分（勢(shì)能轉(zhuǎn)換裝置）和轉(zhuǎn)向部分。針對(duì)小車起動(dòng)力矩不穩(wěn)定和小車行駛過(guò)程中速度控制的需要等，我們?cè)谟?jì)算的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了錐形（或變半徑型）繞線輪以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力可調(diào)。針對(duì)小車行駛軌跡不準(zhǔn)確以及障礙間距可調(diào)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了可調(diào)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)軌跡可調(diào)。另外，針對(duì)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(jì)考慮。
1、緒論
1.1競(jìng)賽主題
本屆競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車越障競(jìng)賽”。
要求經(jīng)過(guò)一定的前期準(zhǔn)備后，在比賽現(xiàn)場(chǎng)完成一臺(tái)符合本命題要求的可運(yùn)行的機(jī)械裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)行考核。每個(gè)參賽作品需要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理4個(gè)文件及長(zhǎng)度為3分鐘的關(guān)于參賽作品設(shè)計(jì)及制作過(guò)程的匯報(bào)視頻。
1.2競(jìng)賽命題
本屆競(jìng)賽命題為“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車”。
設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢(shì)能由競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來(lái)獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。Error! Reference source not found.為小車示意圖。
圖 1
要求小車在行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來(lái)源的能量。
要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。
要求小車為三輪結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。
1.3小車的設(shè)計(jì)方法?
首先，小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，作品的設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮材料?、加工?、制造成本等方面因素。其次，為了降低小車的能量損耗，我們?cè)O(shè)計(jì)的小車主要利用齒輪傳動(dòng)，因?yàn)辇X輪的能量利用率達(dá)到95%，最后，做到控制調(diào)節(jié)路徑的功能，由于齒輪便于安裝等特點(diǎn)，所以也能運(yùn)用齒輪傳動(dòng)達(dá)到目的。
2、方案設(shè)計(jì)?
通過(guò)對(duì)小車的功能分析，小車需要完成自動(dòng)避開(kāi)障礙物，驅(qū)動(dòng)自身行走，重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換功能。所以我們將小車的設(shè)計(jì)分為以下部分，路徑的選擇，自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置和車架部分。
2.1設(shè)計(jì)思路?
1.根據(jù)能量守恒定律，物體下落的重力勢(shì)能直接轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)力，此時(shí)能量損失少，所以小車前進(jìn)的能量來(lái)源于重物下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能。?
2.根據(jù)小車功能設(shè)計(jì)的要求，即小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)繞開(kāi)賽場(chǎng)上的障礙物，小車運(yùn)動(dòng)的路線需有一定的周期性?？紤]到小車在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)受到摩擦等阻力的影響，讓小車行走最遠(yuǎn)路程是設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解。?
3.需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與成本的分析，同時(shí)也需考慮加工工藝的繁瑣程度，力求產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)。
2.2勢(shì)能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)
勢(shì)能轉(zhuǎn)換機(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)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1）需要驅(qū)動(dòng)力可調(diào)以實(shí)現(xiàn)車速控制。2)由于不同場(chǎng)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(duì)驅(qū)動(dòng)力要求有變。
基于以上分析我們選擇了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)（錐形繞線輪）。如下圖圖 2所示。
圖 2
2.3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。
2.4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)。
2.5轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿+搖桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)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。
2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)
由于場(chǎng)地的不同，小車的行進(jìn)軌跡可能會(huì)發(fā)生偏移，為了使小車適應(yīng)不同場(chǎng)地的需求，我們給小車設(shè)計(jì)了一個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)，綜合各方面的因素，使得小車真正實(shí)現(xiàn)微調(diào)，我們選用了絲桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)絲桿（微調(diào)螺母）使得連接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的滑移小圓柱能夠改變轉(zhuǎn)速，從而改變前輪的轉(zhuǎn)向時(shí)間。
3、無(wú)碳小車二維圖及整體效果圖
4、后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)想?
優(yōu)化項(xiàng)目：轉(zhuǎn)角參數(shù)、軌跡參數(shù)、軌跡設(shè)計(jì)、兩輪距離的確定、輪距樁的距離、平衡問(wèn)題。