无碳小车功能设计要求

小车功能设计要求

无碳小车走“8”字形越障的设计

1.1设计布置方案

无碳小车示意图

1.2功能设计要求

以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距400mm距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见下图二：

图二小车绕行所用乒乓球台及障碍设置图

给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的重块（ 50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，重物须被小车承载，并同小车一起运动，不允许掉落。

要求小车在前行过程中完成的一切动作所需的能量均由重力势能转换获得，不可用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构，具体结构以及材料选用均由学生自主设计完成。

二方案设计

通过对小车的功能分析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。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模块化设计（五部分分别为：车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构）。

2.1车架

车架由于不需要承受太大的重力势能，所以其对强度要求不高。在考虑到制作成本和加工的难易程度后，由于铝板密度小，强度对于制作小车也足够，同时易于加工，所以车架采用铝条焊接铝板加工制作成底板，即方便也经济。

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。我们设想使用飞轮作为储能机构，小车对原动机构应有这些要求。1.驱动力适中，不会使小

车拐弯时因速度过大而是离心力增大导致小车倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.小车在到达终点前重物竖直方向上的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲量。同时使重物的动能尽可能的转化为驱动小车前进的驱动力，假如重块竖直方向的速度较大，重物本身还有较多动能未释放出来，能量利用率不高，将减小小车的行程。3.由于小车在不同的场地时，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驱动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力刚好合适。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，能量损耗越小，能量利用率越高，则效率高。所以我选用了锥形的绕线轮原动机构，这样就可以调整驱动力。通过调节绕线轮两端半径，绕线位置的粗细就可以调整驱动力的大小。

2.3传动机构

传动机构的功能是传递运动，就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设计的轨道精确地行驶，传动机构应提高传递效率高、保证传动稳定、并且使其结构简单重量轻等同时还要考虑经济性和加工难易程度。最后综合各方面的因素，设计出最优的传动机构。

常见的传动机构如下：

1.不用额外的传动装置，直接由动力轴驱动驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单可减少小车的质量。在不考虑其它条件时这是最优的方式。但是在此处不适合作小车的传动。

2.带轮是一种绕性传动。带轮的结构简单，具有传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但是带轮的传递效率效率及传动精度并不高。小车的传动精度要求很高，所以带轮不适合作本小车的传动机构。

3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定但价格较高，制造与安装精度要求高，价格昂贵，且不能用于传动距离较大的场合，分为开式齿轮、半开式齿轮以及闭式齿轮。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。

综上的分析，小车的传动机构选用齿轮传动为最优，可保证传递的平稳性，同时也能保证传递精度，是这几种传动方式中最好的。

2.4转向机构

转向机构是本无碳小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能能否实现，是小车设计中的核心。转向机构同样需要尽可能的减少摩擦耗能，这样才能减少能量损耗，增加能量的利用率，同时要保证尽量使结构简单机构越复杂，在机构中所损失的能量就越多，零部件已获得等基本条件，同时小车还需要有特殊的运动特性。能够把旋转运动转化为满足要求的来回周期性的摆动，带动转向轮向左右转动从而实现拐弯避物障的功能。能实现此种功能的机构有：凸轮机构+摇杆+曲柄、曲柄连杆+摇杆、不完全齿轮+曲柄+摇杆，差速转弯等等，棘形轮机构。

凸轮

凸轮是一个具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮通常为主动件作等速转动，但也可作往复摆动或者移动，它与推杆配合是想转向。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预期往复运动，这取决于凸轮的形状。

凸轮机构的最大优点：只要适当的设计适当的凸轮轮廓线，就可使推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快，机构简单紧凑、设计方便；

曲柄摇杆

曲柄摇杆结构较为简单，但和凸轮一样有个滑动的摩擦副，因此其效率低。其急回特性导致难以设计出比较好的机构。

差速转弯

差速转弯是利用两个偏心轮作为驱动轮，因为两轮子的角速度一样但转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。

差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。（由于加工和装配的误差是不可避免的）

综合分析后选择凸轮机构+摇杆机构作为小车的转向机构。

2.5行走机构

行走机构为一个驱动轮，一个从动轮和一个转向轮，轮子的厚薄，材料和大小有不同，应充分考虑。

因小车是沿着曲线前进的，所以后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。

双轮同步驱动一定要有有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦系数远比滚动摩擦的大，会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，将无法确定其轨迹，不能够有效避免障碍物。

双轮差速驱动能避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或者单向轴承来实现差速驱动。单向轴承实现差速的原理是其中一个轮子速度较大的便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着做主动轮。但由于单向轴承间存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中会出现误差导致运动不准确，是否会对小车的功能产生影响还需进一步分析。

单轮驱动即只利用其中一个轮子作为驱动轮，一个作为导向轮，另一个则为从动轮。从动轮与驱动轮间的差速是依靠与地面的运动约束来确定的。其效率比利用差速器要高，但前进速度却不如差速器稳定，传动精度也比利用单向轴承高。

确定轨迹线