无碳小车设计报告

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无碳小车设计报告

一、设计理念 煤炭是大自然给予人类的一笔宝贵财富,可是由于人们对煤炭的巨大需求,煤炭资源日趋减少近于枯竭。随着人们节能环保意识的提升,无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。无碳小车是对“无碳”理念的探索与开发,对未来“无碳”的憧憬。本小车依照现代工程师的标准,注重设计的巧妙、制作的精良、调试的可靠性等。与其他类似的模型小车相比,本小车更注重能量的利用、车体结构的稳定性、匀速性等;采用的柔性摆杆机构更涉及了诸多数学理论的验证;,且使小车控制转弯更省力、使小车的躲避障碍物的周期更容易实现与控制,亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁,组合零件不多,摩擦损耗小,效率高,较容易制造安装。在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题,方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。适合广大青少年学习研究。

二、无碳小车设计要求

设计说明:

以重力势能驱动的具有方向控制功能

的自行小车

设计一种小车,驱动其行走几转向的能

量是根据能量转换原理,由给定重力势能转

换来的。力势能为4焦耳(g=10m/s^2),给定统一质量为1kg

的重块,落差为400mm ,重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不允许从小车上掉落。

小车宏观尺寸限制在:长*宽=200*100mm

本项目对应知识点:三维制图、二维制图、能量转换机构、杆机构(平面、空间)、运动学、力学、常用机构、材料零部件选型,机构的设计与制造。

具体要求:

1、小车需自主设计并制作全部零件(标准件:如重块有特定要求,统一购买或规定)。

2、小车要求采用四轮结构(2个转向轮,2个驱动轮),转向轮最大外径应不小于φ30mm ,整车具体结构、造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。

3、起动时,小车的中心线必须与赛道中心线重合,允许最大偏离距离为左右各20mm 。 ↑赛道示意图

4、竞赛时小车上要装载标准载荷,然后用小车发条驱动前进。在小车行走过程中,载荷需与小车一起运动,不允许掉落。

5、小车加载后需按规定在标准赛道上绕过各个障碍(标准赛道为宽2米,每隔1米设一障碍物)。行走绕过的障碍越多,得分越高。每车有三次机会,取最高分作为最终得分。

三、方案设计

首先,我们根据无碳小车的设计要求,分头上网查找相关资料。可以把小车划分为五个部分进行模块化设计,分别是:车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构。

1.车架:可以选择:骨架结构、三角结构、稳定结构。关于车架的重力大小,影响到车轮与地面的摩擦力大小;还有设计到转弯时的平稳因素,在车架上安装齿轮以及相关器件的位置以及制造的难易程度,所以最终我们选择了三角架这个结构。

2.原动机构: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,传动机构必须传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。

a.不用其它额外的传动装置,直接由动力轴驱动轮子和转向机构,此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。

b.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。

c.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。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。

3. 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,带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有:凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。

a.凸轮: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。优点: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;缺点:凸轮轮廓加工比较困难。

在本小车设计中由于:凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大(滑动摩擦)因此不采用曲柄连杆+摇杆优点:运动副单位面积所受压力较小,且面接触便于润滑,故磨损减小,制造方便,已获得较高精度;两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的,它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。

缺点:一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹,且设计较为复杂;当给定的运动要求较多或较复杂时,需要的构件数和运动副数往往比较多,这样就使机构结构复杂,工作效率降低,不仅发生自锁的可能性增加,而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加;机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡,在高速时将引起较大的振动和动载荷,故连杆机构常用于速度较低的场合。

在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻,可以忽略惯

性力,机构并不复杂,利用MA TLAB进行参数化设计并不困难,加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。

b.曲柄摇杆

结构较为简单,但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副,其效率低。其急回特性导致难以设计出较好的机构。

c.差速转弯

差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮,由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样,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)

综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。

3.行走机构:

4.微调机构:一台完整的机器包括:原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用曲柄连杆+摇杆方案,由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感,因此就必须加上微调机构,对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一,其二是为了调整小车的轨迹(幅值,周期,方向等),使小车走一条最优的轨迹。微调机构可以采用下面两种方式:微调螺母式、滑块式。

由于理论分析与实际情况有差距,只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。因此我们设计了一种机构简单的小车,通过小部分的改动便可以改装成其它方案,再通过试验比较得到最优的小车。

四.建模及优化软件

本次设计,我们运用了solidworks软件来画出大概的无碳小车三D模型。3D无碳小车模型如下图:

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