无碳小车结构设计报告

2015(第四届)山东省大学生工程训练综合能力竞赛 结构设计报告 总 5 页 第 1 页 产品名称：无碳小车 编号 1.设计概述 设计原则： 整车的重心要低，操作、调整方便灵活；结构尽量简单，传动件数少；质量小，足够的刚度，运动平稳。 2.设计方案 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六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 和微调机构，下面将详细介绍这六个模块。 2.1车架 车底板因不需承受很大的力，精度要求不是很高，考虑到加工方便、质量轻、成本低等因素，底板选用厚度为6mm 的铝板,尺寸定为143.5mm × 115mm 。小车运行起来按避障要求左右转向,引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动,可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心,为此将小车底板折弯,满足整车重心降低的需要。 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。小车对此机构主要有以下要求： 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。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。由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样，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。因此还需要能根据不同的需要调整其驱动力。 在此结构中应让重块保持一定高度的支架以及重块带动车体的连接部件，考虑到立柱在满足一定强度的基础上需尽可能的轻，我们选用φ6铝棒材料。为了避免小车在行驶过程中，重块晃动过大，极易造成翻车现象， 通过多次的改进最终采用的是四根立柱，既轻便又稳固，达到预期效果。 至于滑轮，由于车体及车轮均采用铝板而不是材质较轻的雅格利板、碳板，车体较重，小车不易起动。定滑轮即稳定又容易改变力的方向，故选用了定滑轮。 2.3传动机构 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。它的优劣直接决定了小车的性能，能量是否充分利用，转向是否精确皆取决于此。我们决定采用齿轮传动，它具有结构紧凑、可靠性好、效率高、传动稳定等特点。由于小车只绕8字走三圈，需提高小车的速度，减少能量的损失。 因此传动机构选择了传动比5:1的一级齿轮传动。在齿轮材质的选择上，综合考虑到齿轮材质轻、价格便宜、规格齐全并能满足小车所需齿轮强度要求，故采用铝制齿轮。 学校

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2.4转向机构 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，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、槽轮机构+推杆+摇杆等等。综合以上组合机构的分析我们选择双臂外啮合槽轮机构+推杆+摇杆作为小车转向机构的方案。 本小车槽轮机构由双臂缺口圆盘和槽轮组成，其中两个转臂之间的角度为117度，槽轮为四个间距相等的槽组成，此外，在槽轮外圈加一曲柄，曲柄与线轨连接。当缺口圆盘带动槽轮间歇转动时，槽轮上曲柄随之推动线轨前后移动，而线轨与前轮间由摇杆机构连接，通过线轨的前后移动带动摇杆机构摆动,从而带动前轮左右摆动实现转向。 2.5行走机构 由于小车是沿着曲线前进的，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。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。但自己加工精度达不到要求，而且市场上没有适合本小车的差速器。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，传动精度比利用单向轴承高。 故选用单轮驱动。 由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 δ⋅=N M 对于相同的材料δ为一定值。 而滚动摩擦阻力R N R M f δ⋅==，所以轮子越大，小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。故小车驱动轮采用直径为φ128的大轮，以减小地面的阻力。 2.6微调机构 微调机构属于小车的控制部分， 通过微调机构的调节可以修正小车行走轨迹。 我们确定了转向机构采用槽轮机构+推杆+摇杆方案，摇杆一端与滑块连接，滑块上装有弹簧和螺栓，通过调节正面和侧面螺栓的旋合长度来调节摇杆的长度和角度，从而实现对小车运行轨迹的控制。但由于各部件加工误差和装配误差，在实际调试过程中，还需反复调整，总结出自己的发车规律。 学校

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烟台大学

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