无碳小车的设计与制作
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2021 .20 科学技术创新 -175-
无碳小车的设计与制作
朱志康 王慧攀 黄振振 孙 超 李伟东 渊 河南科技大学 机电工程学院袁河南 洛阳 471003冤
摘 要院无碳小车是一种将给定物块的重力势能转换成小车自身的动能的机械装置遥 其原理是将先将给定物块的重力势能袁
通过小物块的下降转化为小车机械系统内的机械能袁再通过系统把机械能转化为小车的动能袁期间需要保证小车能够按照规律
具体传动机构需要更细致的分析袁 但优先考虑方案 渊 1冤 或 渊 3冤 遥
4 转向机构部分的设计
以设计出较好的机构遥 5 行走机构部分的设计 小车的行走机构即小车的三个支撑轮袁需综合考虑轮子的
大小尧厚度尧强度尧摩擦系数等因素进行设计院由摩擦理论得摩擦 力矩与正压力的关系为院
M ＝N窑б 其中 M 为摩擦力矩袁N 为正压力袁б 为一个与材料摩擦系 数等因素有关的数袁材料相同时 δ 为定值袁同时根据院 f＝M /R ＝N窑б/R 其中 f为摩擦力袁R 为摩擦力臂遥 综合以上公式得院行走轮 的大小渊 直径冤 和小车受到的阻力成反比袁因此轮子越大袁小车能 行驶的距离越远遥 6 设计总结 本文按照无碳小车的两大设计准则院传动效率以及转动准 确袁 从五个方面分别对小车系统进行了综合设计遥 保证传动效 率限制了系统各部分的自重不能过大以及结构不能过于复杂袁 这符合无碳环保的核心思想曰保证传动的准确则要求了转向机 构的设计精准袁以及小车零部件的精度高遥 小车设计的核心在 于寻找到效率和精准度的最优点和平衡点袁完美的设计离不开 大量实际数据遥
图 4 原动机构部分的设计思想 原动机构的作用是将给定物块的重力势能转化为小车机 械系统的机械能遥 不难考虑到原动机构越简单袁其能量转换效 率越高遥 显然袁结构简单尧转化效率较高的绳轮结构是首选遥 而 在具体设计过程中袁原动机构除了要能将重力势能转化为机械 能之外袁还应具有以下具体要求院渊 1冤 机构总体应简单院保证能 量转换效率的不过度增加小车自重曰渊 2冤 能保证物块下降的速 度稳定尧提供的驱动力稳定院避免小车拐弯时速度过快车体倾 翻或物块剧烈晃动提高能耗袁从而降低了小车总体的能量转换 率曰渊 3冤 物块在竖直方向的下落速度要尽可能保持在一定范围 内院这样能够在减少物块对车架冲击的同时袁使重块的重力势 能尽量多地转化为小车内部的机械能遥 3 传动机构部分的设计 传动机构的作用是把重力势能转化的机械能传递到驱动 轮和转向机构上遥 为了使小车行驶距离更远袁同时保证小车能 够按照预定的轨道精确行驶袁 传动机构必须具备结构简单尧质 量轻尧传动平稳尧传动效率高等优点遥 满足以上要求的三种传动
图 6 转向机构设计思想 转向机构是小车设计的最重要的部分袁直接决定了小车的 性能遥 除了尽量地减少摩擦耗能尧结构简单尧总体质量轻等基本 条件袁转向机构还需具备以下运动特性院能够将传动机构部分 的机械能渊 动力轴或齿轮的旋转冤 袁转化为前轮控制装置的机械 能渊 左右摆动冤 袁从而实现拐弯避障的功能遥 能够达到要求的机 构有院凸轮 + 摇杆尧曲柄连杆 + 摇杆尧曲柄摇杆等机构遥 以下分 别对三种机构进行具体分析遥 渊 1冤 凸轮优点院设计方案恰当的凸轮轮廓可以使从动件按预 期任意运动曰结构简单尧紧凑袁设计方便曰缺点院凸轮轮廓难以加 工尧精度难以保证曰重量较大袁效率低能量损失大曰渊 2冤 曲柄连杆 + 摇杆优点院单位面积所受压力较小曰面接触便于润滑袁单位面 积的磨损速度小曰制造方便袁易取得较高精度等曰缺点院设计较为 复杂袁运动轨迹的综合可能不够准确曰机构的总体结构会相对 复杂曰安装精度大曰渊 3冤 曲柄摇杆优点院结构较为简单袁重量低曰缺 点院有滑动的摩擦副袁所以能量损失率会较高曰急回特性导致难
图 2 无碳小车的设计理念 在方便设计原则上袁根据小车需要完成的目标院以最小的 能耗尧最便捷的转向完成运动袁可把小车划分为车架部分尧原动 机构部分尧传动机构部分尧转向机构部分尧行走机构部分五个板 块进行总体的机械设计遥 2 无碳小车的机构设计 2.1 车架部分的设计
图 3 车架部分设计思想 车架作为小车的主体部分袁 只起到对小车整体的支撑作 用袁在受力方面不用承受很大的力袁因此精度要求不高遥 考虑到 要保证小车能够在固定的重力势能之下前进更远的距离袁小车 的总体质量应尽可能的轻袁所以车架部分应当选择铝尧钛等轻 金属遥 2.2 原动机构部分的设计
注院此论文作 2020 年 SRTP 本科生科研训练计划结项用遥
-176- 科 学 技 术 创 新
图 5 传动机构部分设计思想
方式如下院渊 1冤 动力轴直接与驱动轮和转向机构进行接触传动院 是结构最简单的传动方式袁具有较高的传动效率曰渊 2冤 带轮机构 进行传动院带轮的机构简单袁能在保证传动平稳的同时尧还具备 缓冲吸震等特点曰但带轮的会发生弹性滑动或打滑袁导致传动 不平稳曰渊 3冤 齿轮传动院齿轮具有传动比稳定尧传动效率高尧结构 稳定等良好性质袁但相同传动条件下袁齿轮的结构更加紧凑袁小 车的质量可能较大遥
避开所给的障碍物遥 小车主要体现了无碳尧环保的思想袁其动能完全来自给定物块的重力势能的转化曰设计无碳小车的过程也体
现了机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设计创新的核心思想遥
关键词院无碳小车曰重力势能曰环保曰机械设计
中图分类号院TH122
文献标识码院A
文章编号院2096-4390渊2021冤20-0175-02
1 概述 无碳小车需要采用三轮结构袁它运动渊 包括前进和转向等冤 的能量必须来自给定小物块的重力势能袁重力势能的能量总和 应为四焦耳袁即为重量 1 kg 的物块渊 碳钢袁尺寸为 50X 65m m冤 垂 直下降 400m m 获得的 4J能量遥 必须小物块下落后不脱离车身袁 随着小车一起运动遥
图 8 小车总体三维图 参考文献
[1]徐杨梅,孟玲霞,刘学,侯周勇.双前轮转向无碳小车结构创新 设计[J].科技创新与应用,2017(32):27-29,31. [2]李刚,周致成,袁航,张大明,王超.S 形转向运动无碳小车的改 进设计研究[J].汽车实用技术,2014(02):13-16.
图 7 行走机构设计思想
图 1 重力势能要求 设计目的是要求小车既能够保证稳定前进袁同时还能按照 程序绕过设置的障碍物 渊 障碍物为每隔 1 米放置的直径为 20m m 尧高为 200m m 的弹性圆棒冤 遥 经过对小车的运动要求分析 小车袁得知小车需要完成两个主要要求院要较大程度地完成对 重力势能转换为驱动自身行走的动能尧要以最小的能耗完成转 向袁即能够以最接近障碍物的距离自动避开障碍物遥
无碳小车的设计与制作
朱志康 王慧攀 黄振振 孙 超 李伟东 渊 河南科技大学 机电工程学院袁河南 洛阳 471003冤
摘 要院无碳小车是一种将给定物块的重力势能转换成小车自身的动能的机械装置遥 其原理是将先将给定物块的重力势能袁
通过小物块的下降转化为小车机械系统内的机械能袁再通过系统把机械能转化为小车的动能袁期间需要保证小车能够按照规律
具体传动机构需要更细致的分析袁 但优先考虑方案 渊 1冤 或 渊 3冤 遥
4 转向机构部分的设计
以设计出较好的机构遥 5 行走机构部分的设计 小车的行走机构即小车的三个支撑轮袁需综合考虑轮子的
大小尧厚度尧强度尧摩擦系数等因素进行设计院由摩擦理论得摩擦 力矩与正压力的关系为院
M ＝N窑б 其中 M 为摩擦力矩袁N 为正压力袁б 为一个与材料摩擦系 数等因素有关的数袁材料相同时 δ 为定值袁同时根据院 f＝M /R ＝N窑б/R 其中 f为摩擦力袁R 为摩擦力臂遥 综合以上公式得院行走轮 的大小渊 直径冤 和小车受到的阻力成反比袁因此轮子越大袁小车能 行驶的距离越远遥 6 设计总结 本文按照无碳小车的两大设计准则院传动效率以及转动准 确袁 从五个方面分别对小车系统进行了综合设计遥 保证传动效 率限制了系统各部分的自重不能过大以及结构不能过于复杂袁 这符合无碳环保的核心思想曰保证传动的准确则要求了转向机 构的设计精准袁以及小车零部件的精度高遥 小车设计的核心在 于寻找到效率和精准度的最优点和平衡点袁完美的设计离不开 大量实际数据遥
图 4 原动机构部分的设计思想 原动机构的作用是将给定物块的重力势能转化为小车机 械系统的机械能遥 不难考虑到原动机构越简单袁其能量转换效 率越高遥 显然袁结构简单尧转化效率较高的绳轮结构是首选遥 而 在具体设计过程中袁原动机构除了要能将重力势能转化为机械 能之外袁还应具有以下具体要求院渊 1冤 机构总体应简单院保证能 量转换效率的不过度增加小车自重曰渊 2冤 能保证物块下降的速 度稳定尧提供的驱动力稳定院避免小车拐弯时速度过快车体倾 翻或物块剧烈晃动提高能耗袁从而降低了小车总体的能量转换 率曰渊 3冤 物块在竖直方向的下落速度要尽可能保持在一定范围 内院这样能够在减少物块对车架冲击的同时袁使重块的重力势 能尽量多地转化为小车内部的机械能遥 3 传动机构部分的设计 传动机构的作用是把重力势能转化的机械能传递到驱动 轮和转向机构上遥 为了使小车行驶距离更远袁同时保证小车能 够按照预定的轨道精确行驶袁 传动机构必须具备结构简单尧质 量轻尧传动平稳尧传动效率高等优点遥 满足以上要求的三种传动
图 6 转向机构设计思想 转向机构是小车设计的最重要的部分袁直接决定了小车的 性能遥 除了尽量地减少摩擦耗能尧结构简单尧总体质量轻等基本 条件袁转向机构还需具备以下运动特性院能够将传动机构部分 的机械能渊 动力轴或齿轮的旋转冤 袁转化为前轮控制装置的机械 能渊 左右摆动冤 袁从而实现拐弯避障的功能遥 能够达到要求的机 构有院凸轮 + 摇杆尧曲柄连杆 + 摇杆尧曲柄摇杆等机构遥 以下分 别对三种机构进行具体分析遥 渊 1冤 凸轮优点院设计方案恰当的凸轮轮廓可以使从动件按预 期任意运动曰结构简单尧紧凑袁设计方便曰缺点院凸轮轮廓难以加 工尧精度难以保证曰重量较大袁效率低能量损失大曰渊 2冤 曲柄连杆 + 摇杆优点院单位面积所受压力较小曰面接触便于润滑袁单位面 积的磨损速度小曰制造方便袁易取得较高精度等曰缺点院设计较为 复杂袁运动轨迹的综合可能不够准确曰机构的总体结构会相对 复杂曰安装精度大曰渊 3冤 曲柄摇杆优点院结构较为简单袁重量低曰缺 点院有滑动的摩擦副袁所以能量损失率会较高曰急回特性导致难
图 2 无碳小车的设计理念 在方便设计原则上袁根据小车需要完成的目标院以最小的 能耗尧最便捷的转向完成运动袁可把小车划分为车架部分尧原动 机构部分尧传动机构部分尧转向机构部分尧行走机构部分五个板 块进行总体的机械设计遥 2 无碳小车的机构设计 2.1 车架部分的设计
图 3 车架部分设计思想 车架作为小车的主体部分袁 只起到对小车整体的支撑作 用袁在受力方面不用承受很大的力袁因此精度要求不高遥 考虑到 要保证小车能够在固定的重力势能之下前进更远的距离袁小车 的总体质量应尽可能的轻袁所以车架部分应当选择铝尧钛等轻 金属遥 2.2 原动机构部分的设计
注院此论文作 2020 年 SRTP 本科生科研训练计划结项用遥
-176- 科 学 技 术 创 新
图 5 传动机构部分设计思想
方式如下院渊 1冤 动力轴直接与驱动轮和转向机构进行接触传动院 是结构最简单的传动方式袁具有较高的传动效率曰渊 2冤 带轮机构 进行传动院带轮的机构简单袁能在保证传动平稳的同时尧还具备 缓冲吸震等特点曰但带轮的会发生弹性滑动或打滑袁导致传动 不平稳曰渊 3冤 齿轮传动院齿轮具有传动比稳定尧传动效率高尧结构 稳定等良好性质袁但相同传动条件下袁齿轮的结构更加紧凑袁小 车的质量可能较大遥
避开所给的障碍物遥 小车主要体现了无碳尧环保的思想袁其动能完全来自给定物块的重力势能的转化曰设计无碳小车的过程也体
现了机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设计创新的核心思想遥
关键词院无碳小车曰重力势能曰环保曰机械设计
中图分类号院TH122
文献标识码院A
文章编号院2096-4390渊2021冤20-0175-02
1 概述 无碳小车需要采用三轮结构袁它运动渊 包括前进和转向等冤 的能量必须来自给定小物块的重力势能袁重力势能的能量总和 应为四焦耳袁即为重量 1 kg 的物块渊 碳钢袁尺寸为 50X 65m m冤 垂 直下降 400m m 获得的 4J能量遥 必须小物块下落后不脱离车身袁 随着小车一起运动遥
图 8 小车总体三维图 参考文献
[1]徐杨梅,孟玲霞,刘学,侯周勇.双前轮转向无碳小车结构创新 设计[J].科技创新与应用,2017(32):27-29,31. [2]李刚,周致成,袁航,张大明,王超.S 形转向运动无碳小车的改 进设计研究[J].汽车实用技术,2014(02):13-16.
图 7 行走机构设计思想
图 1 重力势能要求 设计目的是要求小车既能够保证稳定前进袁同时还能按照 程序绕过设置的障碍物 渊 障碍物为每隔 1 米放置的直径为 20m m 尧高为 200m m 的弹性圆棒冤 遥 经过对小车的运动要求分析 小车袁得知小车需要完成两个主要要求院要较大程度地完成对 重力势能转换为驱动自身行走的动能尧要以最小的能耗完成转 向袁即能够以最接近障碍物的距离自动避开障碍物遥