无碳小车越障设计.doc

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1、一种无碳小车越障设计说明书姓 名 班 级 学 号 指导老师 1.设计主题11设计命题设计一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自运行小车“无碳小车越障设计”。驱动小车行走及转向的能量是根据能量守恒定律，有给定重力势能转换而来的。给定重力势能为4焦，设计是统一使用质量为1kg的重块铅垂下降来获得，落差为4002mm，重块落下后，须被小车承载并与小车一起运动，不允许从小车上掉落。要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由重力势能转换获得，不可使用任何其他能源。要求小车具有转向控制机构，且有可调功能，以适应不同间距障碍物的设计场地。要求小车为三轮结构。1.2设计项目1）设计小车在前行时能够自动交错

2、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，沿直线等距摆放，间距10010cm可调，以小车前行的距离和成功绕障的数量来综合评定成绩。2）小车在半张标准乒乓台上（长1525mm、宽1370mm），绕相距一定距离（4010mm可调）的两个障碍物沿8字形轨迹绕行，绕行时不可撞到障碍物，不可以掉下球台障碍为直径20mm、长200mm的圆棒，放置在乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数多少来综合评定成绩。3）小车在半张乒乓球台上，绕相距一定距离（4010可调）的5个沿正五边形放置的障碍，绕行是不能撞到障碍物，不可以掉下球台，以小车完成梅花形绕行圈数的多少来综合评定成绩。1.3

3、运动轨迹分析1）根据题目1，小车重心行走轨迹如下图所示。图一考虑到项目1小车行走环境为地面，且前行路线相对简单，故预取小车宽度为160mm，采用直径为120mm的后车轮，以保持小车的稳定性。整个小车地盘大致为正三角形，以保证重心在小车中线上。根据图一所示，可知小车做周期运动，一个周期内轨迹如下图所示。图二 凸轮通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动，而且结构简单、紧凑、设计方便。所以在此处采用凸轮机构作为小车的转向机构。为减小凸轮的刚性冲击，且保证小车能可靠的实现绕桩运动，考虑到小车的尺寸，小车在绕桩时重心离障碍连线最远预留200mm，也就是说整条轨迹为峰值是200mm，周

4、期为2000mm的余弦函数。小车扫过区域如下图所示。 图三2）根据项目2，其小车重心运行轨迹预设如下图所示图四考虑到项目2中障碍物距离较1中大大减小，且运动环境改为较为光滑平整的乒乓球台，小车后轮的间距以及直径都减小，以期得到更加灵活的性能。预设小车后轮间距120mm，直径80mm。小车底盘大致为等腰体型，以保证重心在中线上，保持左右平衡。根据图四所示，小车的轨迹应为一个周期图形，考虑到减小刚性冲击，需要将绕桩圆弧改为椭圆或者抛物线形状，过原点段曲线为振幅200mm、周期80mm的余弦函数的一部分。暂定小车轨迹如下图所示。最远点距离障碍240mm。图五 因为预设轨迹较为复杂，故采用凸轮为转向机

5、构，小车经过区域如下图所示。图六3）根据项目3，其小车重心轨迹大致如下图。A B图七在图七中，很明显可以看出红圈所示位置存在一个导向轮位置越变的情况，这样刚性冲击很大易使得小车发生侧翻或者偏离轨迹。将A、B段改换成余弦函数，以增加绕桩轨迹弧度半径，减小导向轮角度突变率，以期减小转向时刚性冲击对小车造成不稳定影响。如下图所示。图八考虑到项目3中障碍物距离较1中大大减小，且运动环境改为较为光滑平整的乒乓球台，小车后轮的间距以及直径都减小，以期得到更加灵活的性能。预设小车后轮间距120mm，直径80mm。小车底盘大致为等腰体型，以保证重心在中线上，保持左右平衡。下图为其周期轨迹图和经过区域图。一个周

6、期长度为925mm。第一段295mm，第二段324mm，第三段295mm，第四段161mm。图九图十小车轨迹复杂，故采用凸轮结构作为转向机构，凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便。2.设计方案通过对无碳小车行驶梅花轨迹、完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物等设计要求的分析，将下车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个部分，每个模块设计完成后再组装调试。2.1小车底盘车架在小车中起到链接承载的作用，

7、强度要求和精度要求不高，考虑到加工、成本、重心的获得、美观等方面因素，小车底盘采用铝板精雕方式获得类等腰梯形形状。因轴承座等受冲击不大，采用胶合的方式。如下图所示 凸起为轴承支座，与前端各留有直径15mm的轴承孔，左边方孔为过线孔，圆孔为斜齿轮预留口。2.2 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驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块

8、竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构，如图所示2.3 行走机构由于行走环境较为光滑平整，且范围较小，故小车驱动轮直径取80mm。考虑到质量对摩擦阻力的影响，尽量减少小车质量，小车车轮设计如下图。2.4 传动机构小车采用结构紧凑，传动效率较高的齿轮组做为传动机构。使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。2.5转向机构小车采用凸轮机构转向，可避免急回特性，且设计较为简便，采用描点法确定凸轮轮廓，基圆半径21mm，最大行程半径24.8mm。经软件分析，压力角小于20。转向机构如下图所示。2.6 微调机构为适应场地障碍物摆放位置不同，小车转向机构须作出相对应的调整，在此设计了转向机构中微调的部分，如图所示，改变推杆的长短，可改变导向轮的偏转角度的变化。已到达设计目的。