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无碳小车设计方案 设计人：张庆辉、杨志鹏、王浩 指导老师：黄新平 设计时间：2012 年 11 月 25 日 无碳小车方案设计 摘要：通过对小车的功能分析，我们发现小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物等三方面功能。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。首先我们针对车架的选择进行了讨论分析，我们确定的车架形式有两种一种是三角底板式，另一种是骨架式的，考虑到车架的受力平衡问题以及稳定性问题，我们最终选择了三角底板式车架；确定车架后我们接着进行了原动机构的设计，经过讨论我们确定了三种原动机构，它们分别是绳轮式原动机构、弹簧储能式原动机构和链轮式原动机构。鉴于弹簧储能式原动机构和链轮式原动机构制造起来比较困难，我们选择了绳轮式原动机构。对于传动机构我们选择了直齿圆柱齿轮，一是制造比较方便，二是采用标准件时比较容易购买。对于转向机构我们选择的是曲柄连杆+摇杆机构。而行走机构我们选择了单轮驱动机构，目的在于保证运动的准确性。微调机构我们采用的是微调螺母。正文：接下来我们将具体介绍实现各个功能的不同部分的选择 车架 车架需承受较大的力，而精度要求不是很高。考虑到重量加工成本等，车架采用 304L 不锈钢板加工制作成三角底板式，304L 不锈钢板耐蚀性、外观、加工性、强度等特性远远超过其它材料，并且也是目前最常用的钢材，因此材料比较容易获得，可以通过回收实习工厂加工废料获得。原动机构 原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的机械能即小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，但从效率和简洁性的分析来看绳轮式原动机构相较于弹簧储能式原动机构和链轮式原动机构更具有优势。除此之外，小车对原动机构还有其它方面的具体要求：1、驱动力应适中，以防止小车在拐弯时不至于因速度过大而发生倾翻现象，或由于重块晃动影响行走路线。2、小车到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车造成过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化为小车前进的驱动力，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身仍然存有较多动能，这样会使能量利用率不高。3、由于不同的场地对轮子的摩擦不一样，在不同的场地小车需要的动力也不一样,因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4、机构设计尽可能简单，提高效率。传动机构 传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远并且按事先设计的轨道精确地行驶，传动机构必需具备传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等特点。传动机构具体设计要求如下：1、直接由动力轴驱动轮子和转向机构 2、采用齿轮传动，齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定的特点。在此处不宜使用带传动，因为其效率及传动精度不高。转向机构 本小车设计的关键部分是转向机构，决定了小车的功能。转向机构需要尽可能的减少摩擦耗能，并把结构设计的尽量简单。转向机构应能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。经过查去资料我们了解到能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。经过讨论我们选择的转向机构是曲柄连杆+摇杆机构。优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。行走机构 行走机构即为三个轮子的运动设计，由于轮子厚度不一，大小不同，材料也需要考虑。由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 NM对于相同的材料为一定值。而滚动摩擦阻力RNRMf，所以轮子越大小车受到的阻力越小，能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮驱动问题我们通过查去资料了解到以下三个机构双轮同步驱动、双轮差速驱动、单轮驱动。然而双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍，因此不可以选择此机构。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过单向轴承来实现差速。单向轴承实现差速的原理是其中一个轮子速度较大时成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定，其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。综上所述行走机构采用单轮驱动。微调机构 一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用曲柄连杆+摇杆方案，然而曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等）。微调机构采用微调螺母式。