无碳小车设计报告

2014年****工程训练综合能力竞赛

无碳小车设计报告

参赛者：

指导老师：

2014/10/15

1、设计概述

“无碳小车”是将重力势能转换为机械能，使小车实现行走及转向功能的装置。

小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动，从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。

具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力，通过线绳带动齿轮轴等传动机构，单轮驱动；通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。无碳小车结构设计总装图如图所示。

2、设计思路和方案

小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、、制造加工调试

2.1功能分析

对小车功能要求进行分析，寻找功能元解，将小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块。对每一个模块进行多方案设计，综合对比选择最优的方案组合。

2.2参数分析与个性化设计

利用Solidworks软件进行小车的实体建模、部分运动仿真。

对方案建立数学模型进行理论分析，使用MATLAB软件分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析，得出小车的具体参数和运动规律。

2.3 机械总功能分解及功能元解

表1.势能转向小车形态学矩阵

2.4 机构选型基本原则

①满足工艺动作和运动要求。

②结构最简单,传动链最短。

③原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。

④机构有尽可能好的动力性能。

⑤机器操纵方便、调整容易、安全耐用。

⑥加工制造方便，经济成本低。

⑦具有较高的生产效率与机械效率。

2.5转向机构分析

目前，能够实现无碳小车车轮转向控制的机构主要有曲柄摇杆机构、正弦机构（曲柄移动导杆机构）、RSSR空间四杆机构凸轮推杆机构和圆轮导杆机构。这5 种机构在结构和功能上有各自的特点。转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动。同样也

2.5.1曲柄摇杆机构

优点：连杆机构中的运动副为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，易润滑，损耗能量少，且运动副一般是几何封闭，对保证小车行进的可靠性有利。

缺点：由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而构件数目多，传动路线长，若加工不能保证适当精度，易产生较大的误差积累，也使机械效率降低。

无急回曲柄摇杆机构是平面机构，要求曲柄处于前轮支架轴线的垂直面，要多一级转换机构。该机构对于摇杆与前轮角度的精度要求较高，装配难度较大，而且曲柄长度不具备调节功能，会导致摇杆摆角不对称。

2.5.2以正弦机构为转向机构

正弦机构摆角规律

正弦机构是目前无碳小车设计过程中常选用的转向机构之一，图为其机构简图，其曲柄可在小范围内调节，同样可控制无碳小车的前轮摆角。

图2.1

正弦机构有 2 个销槽副、一个移动副，曲柄具备调节功能，可以在小范围内调节小车的轨迹，调节性能较好

2.5.3 RSSR 空间四杆机构

RSSR 空间四杆机构有 2 个球副，机构简单，传动效率较高，但摇杆与前轮的角度难以控制,样具有安装精度高的特点

2.5.4凸轮推杆机构

优点：适当地设计出凸轮的轮廓曲线后就可以使推杆精准地实现所需的运动规律，而且响应快速

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损；凸轮精准制造较困难；需使用额外机构，利用弹簧力与使凸轮与推杆保持接触，

2.5.5圆轮导杆机构

此转向机构主要由转向杆、转向轮、短杆构成。转向盘与从动轴齿轮啮合。短杆一端通过销钉与转向杆连接在一起，可自由转动。另一端与转向轮的轴固定于小车的中心轴线处。当转向盘匀速转动，转向杆会周期性左右摆动，然后通过短杆的传动，可以实现转向轮的转向。从而控制小车绕开障碍物的整体运行。

优点：运动副自身几何封闭，不需要额外结构使运动副保持接触，易润滑，损耗能量较小，结构简单，轮廓加工制造容易。

缺点：摆动活动范围小，死点多。

正弦机构可以实现正反转角的完全对称，从功能上分析是作为无碳小车转向机构的最佳方案；

2.6传动机构分析

传动概述：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。

2.6.1齿轮传动机构

优点：齿轮具有效率高、适用的载荷和速度范围大、工作可靠、传动比稳定。 缺点：但价格较高，且传动距离比较短

2.6.2皮带轮传动机构

优点：具有结构简单、可以远距离传动、价格低廉、缓冲吸震无噪音等特点

缺点：其效率及传动精度并不高。

2.7组合方案择优并确定辅助、控制机构

在上述主要功能解组合方案确定后，接下来就是确定辅助、控制功能的机构。

2.7.1辅助机构：车架

为了降低车的重心，增加稳定性，在转弯时不易翻车，采用下沉式车架。

2.7.2微调机构

完整的机器包括：原动机构、传动机构、执行机构、控制机构。微调机构属于控制机构，由于加工误差和装配误差，小车的行进轨迹可能会发生偏移，必须加上微调机构，对误差进行修正。

综合各方面的因素，选用下图所示机构，使小车实现微调，通过拧紧螺母使圆柱相对圆心的距离固定，使此连接转向机构的小圆柱改变转速，从而改变前轮的完成一次转向时间。达到改变小车运动轨迹的目的。

图2.2圆轮微调机构

2.8设计方案确定

运动轨迹:小车运动轨迹曲线为x A Y πcos -=,出发点在波峰处。由于加工装调等方面均存在误差实际上小车轨迹的中心线是一条弯曲的曲线，对此，可以通过调整小车出发时车身和前轮的偏角来控制轨迹使小车轨迹在允许的范围内进行补偿，获得最好成绩。

转向机构：向机构采用正弦机构带动前轮周期性往复摆动来实现。

传动机构：采用一级齿轮传动，通过绕线轮带动驱动轮实现单轮驱动，采用锥形的绕线螺纹轴，既能够在启动阶段提供足够大的启动转矩，又可以在稳定后控制车速稳定轨迹；车身采用下沉式底板保证了小车重心低不易翻车。