8字无碳小车设计方案

“8”字无碳小车设计方案一绪论

1.竞赛题目

设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得4J能量，要求砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。

图一

要求小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。要求小车为三轮结构。在300～500mm范围内产生一个“8”字型赛道障碍物间距值。

2.工作原理

重物块从距小车底板400mm的高处下落，带动主动轴转动，使小车运动，再通过齿轮传动和转向结构，实现在转动一定周期时，小车进行方向的改变，从而实现8字的运动轨迹。

3.设计方法

通过对命题的分析，我们小组有了一个比较清晰的思路。我们在网上搜集资料，对每个结构的各种方案进行了比较，再结合我们的实际情况和自己想法，最后确定了以下结构。对于各种参数的确定，我们只要是对齿轮进行了计算，其他参数是在原有的基础上进行了修改。在设计过程中，我们主要采用了Auto CAD、Solidworks软件进行辅助设计。

二设计部分

1车架

车架受力小，精度要求低，考虑到铝板密度小，强度对于小车也足够，而且方便加工，故本次制作选择3mm厚铝板。

由于我们是后轮单轮驱动，前导向轮与驱动轮的横向距离过大会使小车在绕行8字时轨迹不对称，即一个圆大一个圆小。为避免这种情况我们将驱动轮与导向轮的横向距离取消。

2原动机构

原动机构是把重物的重力势能转化为小车动能的装置。

要求

1.驱动力适中，不至于小车转弯时速度过大倾翻。

2.启动时提供足够的加速度使小车开始行走。

3.到达终点时的速度要尽可能小，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，不仅浪费了重物的动能，下落时对车架的冲击还会影响小车的运动。

4.不同场地对驱动力的要求不同，因此原动机构需要能调节驱动力。

1.启动时摩擦力大，因此设计绕线轴的半径较大。

2.启动后绕线轴半径不变，扭力和阻力平衡，小车匀速前进。

3.结束时半径再次变小，拉力不足，小车减速运动，重物也减速下降。

原动机构整体设计如下

3传动机构

传动机构是把原动机构的动力传到驱动轮和转向机构。需要满足传递效率高、结构简单不易损坏、重量轻、内部摩擦损耗小等要求。

齿轮紧凑高效、结构简单、精度高、传动稳定。因此本次制作选择齿轮传动。

4转向机构

转向机构直接决定小车功能的实现，是本次设计的主要部分。需要满足结构简单、可微调、摩擦小等基本条件，同时还要实现转向运动，将传动机构的动力转化为来回的摆动，使转向轮带动小车实现8字运动。

考虑到制造的方便、精确，接触面易于润滑的优点，本次设计中我们采用简单的偏心圆盘和曲柄摇杆作为转向机构，摇杆两端装上关节轴承还可以进一步减小摩擦并增大活动范围。

8字无碳小车的转向频率不高、传递的力不大、惯性小，因此我们决定采用双联的缺齿齿轮与转向机构相连实现对曲柄的间歇驱动。

5行走机构

行走机构为一个前轮做驱动轮，两个后轮做从动轮。两个后轮同步转向时必定有轮子与地面打滑，滑动摩擦比滚动摩擦更消耗能量，而且会影响运动轨迹。因此本次制作用单向轴承实现双轮差速。

滚动摩擦阻力R N R M f δ⋅==，δ只与材料有关，N 为正压力。考虑到减小摩擦和加工问题选用亚克力板作为轮子的材料。同时可以看出轮子越

大收到的阻力越小，因此也能够走的更远。但因为安装问题和具体的驱动力问题后轮直径暂定为250mm。

6微调机构

连杆一端连接导向轮，一端连接圆盘，设圆盘上偏心孔距圆心的距离为

C，连杆与转向轮中心的水平距离L。则前轮通过曲线的偏向角为通过调节C来调节曲线的偏向角。

三主要尺寸设计及计算