2022年S型无碳小车设计说明书.docx

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1、名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 目录 一 绪论 1.1 本届竞赛命题主题 1.2 小车功能设计要求 1.3 小车整体设计要求 1.4 小车的设计方法 二 方案设计 2.1 路径的挑选 2.2 自动转向装置 2.2.1 前轮转向装置 2.2.2 差速转向装置 2.2.3 小结 2.3 能量转换装置 2.4 车架 2.5 微调部分 三 参数的设计 3.1 路径参数的确定 3.2 自动转向装置参数的确定 3.2.1 前轮转向装置参数的确定 3.2.2 差速转向装置参数的确定 3.2.3 小结 3.3 能量转换装置参数的确定 3.4 车架参数的

2、确定 3.5 微调部分参数的确定 四 小车的工程图 4.1 小车部分零件工程图 4.2 小车各装置工程图 4.3 小车总装配图 五 评判分析 5.1 小车优缺点 5.2 小车的改进方向 六 附录. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 一 绪论1.1 本届竞赛命题主题本届竞赛命题主题为“ 无碳小车”；要求经过肯定的前期预备后,在集中竞赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置,并进行现场竞争性运行

3、考核；每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程治理 4 项成果考核作业；1.2 小车功能设计要求设计一种小车,驱动其行走及转向的能量是依据能量转换原理,由给定重力势能转换来的；给定重力势能为4 焦耳（取 g=10m/s2）,竞赛时统一用质量为1Kg 的重块 （ 5065 mm,一般碳钢） 铅垂下降来获得, 落差 4002mm,重块落下后, 须被小车承载并同小车一起运动,不答应从小车上掉落；图 1 为小车示意图；图 1： 无碳小车示意图竞赛小车在前行时能够自动交叉绕过赛道上设置的障碍物；障碍物为直径 20mm、高 200mm的多个圆棒,沿直线等距离摆放；以小车前行的距离和胜利绕障数量来

4、综合评定成果；见图 2；图 2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图1.3 小车整体设计要求无碳小车表达了高校生的创新才能,制作加工才能, 解决问题的才能； 并在设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素,并且小车具有以下要求：. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 1. 要求小车行走过程中完成全部动作所需的能量均由此重力势能转换获得,不行使用任何其他的能量来源；2. 要求小车具

5、有转向掌握机构,且此转向掌握机构具有可调剂功能,以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地；3. 要求小车为三轮结构4. 小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后,整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒（擦碰障碍,但没碰倒者,视为通过）1.4 小车的设计方法；重复上述动作,直至小车停止；第一,小车的设计肯定要做到目标明确,作品的设计需要有系统性规范性和创新性；设计过程中需要综合考虑材料、加工 、制造成本等方面因素；其次,为了降低小车的能量损耗,我们设计的小车主要利用齿轮传动,由于齿轮的能量利用率达到 95%,最终,做到掌握调剂路径的功能,由于齿轮便于安装等特点,所以也能运用齿轮传动达到目的；二 方

6、案设计通过对小车的功能分析,小车需要完成自动躲开障碍物,驱动自身行走, 重力势能的转换功能；所以我们将小车的设计分为以下部分,路径的挑选,和车架部分；2.1 路径的挑选自动转向装置,能量转换装置由于竞赛小车在前行时能够自动交叉绕过赛道上设置的障碍物；障碍物为直径 20mm、高 200mm的多个圆棒,沿直线等距离摆放；为了在通过障碍物时,行进的距离更短,设计了如图 3 的路径； 即以摆线的方法通过障碍物,然后以相切的直线到达下一障碍物,我们的路径是圆弧和直线的结合；图 3：无碳小车路径2.2 自动转向装置为了能更好的让小车在估计的轨道上行驶,小车的自动转向需要考虑到前轮的自动转向和后轮的差速转向

7、；所以我们设计了自动转向装置和差速转向装置；2.2.1 前轮转向装置通过重物的下落,带动齿轮轴的旋转,利用齿轮轴的旋转,实现前轮的转向；并在齿轮轴上安装齿轮, 考虑到加工和经济效益的缘由,为了能实现较大的传动比,需在齿轮的带动下加入一个定轴齿轮系；在定轴轮系中, 其中的一个齿轮和一连接杆铰接在一起,连接杆在铰接上一根直角杆,直角杆放置在水平滑槽中,组成组成水平滑动装置,实现杆在水平方向上的来回摇摆； 直角杆的另一端固定在前轮上,前轮的转动；前轮转向示意图如图四；其实,这样随着随着直角杆的来回摇摆就可以实现 前轮转向装置分为两部分,一部分为齿轮的传动达到肯定的传动比,令一部分为齿轮所带动的水平滑

8、动机构；. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 图四 : 前轮转向示意图 1 图五 : 前轮转向示意图 2 . 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 图六 : 前轮滑块部分需要留意的是, 直角杆

9、的两杆连接部位有一个滑块,是为了能让直角杆做水平运功；在齿轮轴转动一圈的时候,小车行进一个周期,转弯两次,即直角杆完成一次前后摇摆即可；并且需要在拐弯时直角杆摇摆,在直线运动时,直角杆不动；小车前轮不转弯；2.2.2 差速转向装置我们知道, 小车在以弧线段转弯的过程中,两后轮的速度是不一样的,为了能让小车按照预期的轨道行驶,我们设计了差速转向装置；并且,在转弯过程中,加入了差速转向就会使能量损耗减小,从而增加小车的行程；差速转向装置示意图如图七；图七 : 差速转向装置. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页,共 12 页 - - -

10、 - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 在此装置中,主要是运用两阶梯齿轮相互啮合,在直线行进中,阶梯齿轮的啮合相同,在摆线行进中, 阶梯齿轮的啮合正好相反；而齿轮轴上的阶梯齿轮为不完全齿轮,才能使得齿轮间的相互啮合顺当进行；主动阶梯齿轮转一圈时,后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离；2.2.3 小结不管是前轮的转动,仍是差速转向, 单独来看都可以满意预期的轨迹；但是,为了削减能量的损耗,轨迹的精确性,我们把两个机构都加入了小车中；诚然,差速转向对机构的精度要求很高, 这就使转向装置的零件加工费用增加,但是加入了前轮

11、转向装置后,就减小了对转向装置的精度； 考虑到两个机构的组合会使能量损耗增加,但我们利用的都是齿轮传动,能量损耗率很小,前轮主要负责转向,后轮主要负责驱动,相互影响也很小；综上所述,我们加入了前轮转向和差速转向；2.3 能量转换装置为了能让小车行进的更远,要的问题；怎么将肯定的总能量尽可能以高利用率的形式转换是特别重为了削减能量的损耗,我们利用定滑轮,在下落过程中带动齿轮轴转动,从而使整个小车前进；易知, 下落过程中,轮子所带动轴半径的不同会导致轴转动的速度不同；太小的半径供应的力偶距太小而导致小车禁止不懂,太大的半径会使重物掉落的加速度太大而增加能量的损耗, 抱负的状态时重物匀速下落,这要就

12、可以使小车前进的路程达到最大；所以在此装置中, 我们加入了可滑动圆锥筒型装置,即可通过滑动圆锥筒转变供应力偶距的大小,使小车行进的路程达到最大；能量转换装置示意图如图八；. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 图八 : 能量转换装置 2.4 车架 车架不用承担很大的力,精度要求低；考虑到重量,加工成本,美观等因素,车架采纳 木材加工制作成三角底板式；三 参数的确定 3.1 路径参数的确定在上面

13、的争论中,我们的路径是摆线和直线的组合,为了能让小车更顺当的转弯,转弯角度不能太小, 为了能让小车行进的更远,必需使小车转向的半径不能太大；所以,确定了曲线的半径为R300 mm,小车的宽度为a150 mm,小车转角36 .7582,经过MATLAB拟合的曲线如图十；轨迹方程为 对方程求积分,得到曲线的长度为 A 1 A 2 A 3 A 4192 . 47 mm；B 1B2B 3B 4144.35mm；C 1 C2C 3C 4240 . 58 mm；曲线的长度为A 2A 3A 4A 5854.40mm；B 2B 3B4B 5854.40mm；B 2B 3B4B 5854.40mm；3.2 自动

14、转向装置参数的确定 自动转向装置参数的确定包含前轮转向装置参数的确定和后轮差速转向装置参数的确定；参数的确定有利于判定小车的设计是否合理,小车能否完成估计的轨道等实际问题；这里,我们假设齿轮轴每转一周,小车行进一个周期；3.2.1前轮转向装置参数的确定我们把前轮安装在车架中间,就行进前轮转向装置是为了更好的依据规定的轨迹行进,的轨迹为A 1A 2A 3A 4；前轮自动转向装置简图如图十一；. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - -

15、 - - - - - - - -. 图十一：前轮自动转向装置简图又由于前轮转弯时需要行进的距离为 S 2 192 . 47 mm,直线需要行进的距离 为L 2 854 . 40 mm,对应的,小车转弯时,齿轮轴上的齿轮 1z 旋转的角度为 0 33 1.,小车直线时, 齿轮 1z 旋转的角度为 146 . 9；此时齿轮 1z 为不完全齿轮, 只有 0 33 . 1 才有齿；而齿轮轴旋转了 33.1 的时候,齿轮 z 需要旋转 180 ；从而传动比 14i 180 .5 44；33 1.由于 i 14 z 1 5 . 44,传动比较大,所以加入了齿轮 z 和 3z ,依据已知的传动比,为z 4了

16、便于加工等缘由,求得 z 1 30 ; z 2 20 ; z 3 54 ; z 4 15；由于 0 33 1. 和 1z 30,加工不便利也不符合现实,我们进行了修正,将 z 1 33 ; z 2 22 ; z 3 50 ; z 4 15；这样就考虑到实际情形也满意预期的轨迹；我 们 设 计 小 车 总 长 度 为 150mm ,而 齿 轮 系 的 长 度 以 达 到z 1 z 2 z 3 z 4s 16 5. 11 25 7 . 5 60 mm2 2 2 2,所以连杆和直角杆的总长为 90mm,所以我们取连杆的长度为 30mm,直角杆的一端长度为 50mm；我们将在距离齿轮 z 中心为 5m

17、m的地方装一个销钉；所以直角杆水平摇摆的距离为10mm；所以可以得到直角杆另一端的长度为 l 5 tan 5 tan 19 . 77 15 1. mm；23.2.2 差速转向装置在差速转向装置中,需要满意在直线行进中,阶梯齿轮的啮合相同,在摆线行进中,阶梯齿轮的啮合正好相反,并且两后轮所行进的轨迹满意曲线 B 1 B 2 B 3 B 4 和 C 1 C 2 C 3 C 4 , 同时主. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - -

18、- - - - - - -. 动阶梯齿轮转一圈时,后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离；第一,由车轮转弯运动分析图,图十二：车轮转弯运动分析图可以得到：V 1raW 1W oi02io1oi2分别表示左数学表达式：V 2rW 2W oio1io2io 1ra得出：io2r式中,W 表示齿轮轴的转速,W 和W 分别表示左右两轮的转速；oi1和右 侧 传 动 链的 传 动比 ；有 因 为 从 图中 和 我们 所选 择 的 路 径可 以 得到r22 . 5 mm,a5.7 mm；io 1ra5所以我们得到左右侧传动链的传动比为io2r3；之后,进行齿轮的分析；后轮差速转向装置简图如图十三；. 细

19、心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 图十三：后轮差速转向装置简图Z 1 Z 3由图可知左右侧传动链的传动比 oi 1,oi 2 为 Z 2 和 Z 4 的相互组合；即传动比是变化的；Z 1Z 2 5Z 3 3当小车行进在第一个转弯口时,1 轮的速度小,此时可以得到：Z 4 , 为了使齿轮能够够相互啮合,有 Z 1 Z 2 Z 3 Z 4；通过 LINGO软件进行运算, 我们得到许多组解；为Z 1

20、 Z 3了使小车的设计更加合理,左右侧传动链的传动比 Z 2 和 Z 4 不能太大,太大会导致在相同模数条件下 Z 和 Z 的齿数过大, 也不能太小, 太小会由于加工精度的缘由产生庞大的误差；从路径参数的挑选中,我们知道了一个周期小车行进的总长为 S 209 . 3731 mm；我们也知道,在齿轮轴转动一圈的时候,小车前进的路程为 S 209 . 3731 mm,所以通过选用合Z 1适的传动比 Z 2,能够使小车后轮的半径在一个合理的范畴内,综上所述,最终,我们挑选的是 Z 1 100 ; Z 2 20 ; Z 3 90 ; Z 4 30 ; R 轮 83 3. mm,为了减小齿轮的半径,以上

21、全部. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 10 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 的齿轮模数都为 m 1 mm；最终, 我们要将小车两后轮的运动轨迹调整到预期的水平,实现差速转向； 即最终需要满意的是左右两轮传动比的相互转换；在一个周期内, 两轮的总长度是相同的；在将每一个周期分为两个部分；对 1 轮来说,转弯时需要行进的距离为 S 1 144 . 35 mm,直线需要行进的距离为 L 1 854 . 40 mm,此时齿轮轴所转

22、过的角度为 180 ,并且 1 轮的速度小于 2 轮,此时应是 Z 和 Z 啮合,所以转弯时 Z 对应的旋转的角度为 1 26 . 05；对 2 轮来说,转弯时需要行进的距离为 S 3 240 . 58 mm,直线需要行进的距离为 L 3 854 . 40 mm,此时齿轮轴所转过的角度为 180 ,并且 2 轮的速度大于 1 轮,此时应是 Z 和 Z 啮合, 所以转弯时Z 对应的旋转的角度为 2 39 . 55；由此分析可知, 当左右两阶梯齿轮夹角为 2 39 . 55时,可以满意行进的轨迹为预期轨迹；综上所述, 可以得到我们挑选的是 Z 1 100 ; Z 2 20 ; Z 3 90 ; Z

23、 4 30 ; R 轮 83 3. mm,模数 m 1 mm,Z 和 Z 为不完全齿,左右阶梯齿轮在安装时夹角为 2 39 . 55；3.2.3 小结我们知道, 不管是前轮转向装置仍是差速转向装置,都必需同时满意, 后轮在转弯的同时,前轮也需要转动；我们从前两问算出的,得到齿轮 1z 为不完全齿轮, 只有 0 33 . 1 才有齿（一个周期中有两个 0 33 . 1）,而由差速转向知道左右阶梯齿轮在安装时夹角为2 39 . 55,虽然看起来 0与 2不同,但是,我们发觉 0是 1和 2的平均值,而通过计算我们也知道,只要将 0安装在 2中间即可；3.3 能量转换装置的参数确定我们知道,不同圆锥

24、筒半径供应不同的力偶距,使小车前进的速度不同；我们选定R1=10mm,R2=40mm,由于有了前轮转向装置,齿轮 z1 距离齿轮轴中心的距离为 15mm,所以圆锥筒最长宽度为 30mm；且圆锥筒的母线与中心线的夹角为 45 ；就圆锥筒直径变化范畴为20-80mm；为了固定绳子的围绕,加入了夹角为 3.4 车架装置参数的确定45 的小片；利用橡皮筋固定；在我们的设计中,已经知道两后轮的距离为 150mm,前后轮的距离为 150mm,为了便利加工并考虑到经济条件,我们选用的是梯形板, 下底长为 130mm,上底长为 20mm,高为 160mm；3.4 微调装置参数的确定差速转向装置是齿轮通过啮合带

25、动的,误差不会太大,且稳固性较高；而前轮转向装置中, 是受杆的带动, 受到杆长和外界的影响较大,而前轮转向装置对小车行进产生了庞大的影响；所以需要缴入微调装置调剂微调杆长,调剂杆长后于预期的轨道重合；. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 11 页,共 12 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -. 四 小车的工程图4.1 小车部分零件工程图4.2 小车各装置工程图4.3 小车总装配图五 评判分析5.1 小车优缺点优点：（1）小车机构简洁,单级齿轮传动

26、,损耗能量少；（2）采纳大的驱动轮,滚阻系数小,行走距离远；（3）采纳磁阻尼,小车稳固性提高,不致使车速过快；缺点：小车精度要求高,使得加工零件成本高,以及微调各个机构都很费时,避障稳固行差,时而偏左,时而偏右；5.2 改进方向第一,对于路径的挑选,我们就可以改进,挑选更好的路径；对挑选路径的要求就是使小车的转角适中,在一个周期中行进的距离不能太长,在过弯时,圆半径不能尽可能的大,使过弯时小车更安全；这其实是一个求最优解的过程,可以通过 LINGO软件进行编程, 最终得到一组最优解； 而我们是比较主观的挑选了半径和车宽；由于我们算出几个值后,发觉条件基本符合；接着 , 可以利用微调装置. 在实

27、际中 , 由于加工精度的缘由,使小车的零件达不到要求,行进出来的路径与预期路径相差很大,差速转向装置是齿轮通过啮合带动的,误差不会太大,且稳固性较高； 而前轮转向装置中,是受杆的带动,受到杆长和外界的影响较大,而前轮转向装置对小车行进产生了庞大的影响；所以需要缴入微调装置调剂微调杆长,调剂杆长后于预期的轨道重合；其次, 对于圆锥筒来说,我们所设计的圆锥筒的半径变化是主观的,由于不知道整个小车的重量而没有确定小车前进所需要的最小力矩；而当我们做出了小车以后,知道了整个小车的质量,就可以确定车前进所需要的最小力矩,从而确定圆锥筒的半径变化范畴；最终, 小车的调剂比较繁琐,不便利,假如加入了可调剂式齿轮机构的话,就可以很好的应用于许多种路况,而不是通过固定的相同距离的障碍物；小车最大的缺点是精度要求非常高,改进小车的精度要求,使能调整简洁,小车便能达到很好的行走成效；. 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 12 页,共 12 页 - - - - - - - - -