首届浙江省大学生工程训练综合能力竞赛
无碳小车设计说明书
参赛者：潘沿龙 韩昌 吴总荣
指导老师：张广海 冯仁专
2012-12-10
目录
摘要.............................................................3
一 绪论.............................................................4
1.1本届竞赛命题主题..............................................4
1.2小车功能设计要求..............................................4
1.3小车整体设计要求..............................................4
二 方案设计.........................................................5
2.1车架..........................................................5
2.2原动机构......................................................5
2.3传动机构......................................................6
2.4转向机构......................................................6
2.5行走机构......................................................7
2.6微调机构......................................................7
三 技术设计........................................................8
3.1零部件设计....................................................8
3.2三维装配图....................................................9
四 评价分析........................................................11
4.1小车优缺点...................................................11
4.2自动行走比赛时的前行距离估计.................................11
4.3改进方向.....................................................11
五 参考文献........................................................11
六 附录............................................................11
摘要
第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车越障竞赛”。
在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。我们借鉴了优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了AutoCAD、SolidWorks等软件辅助设计。
我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关,使我们的设计尽可能向最优设计靠拢。
方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用分开式铝板、原动机构采用了阶梯轴、传动机构采用两级齿轮、转向机构采用凸轮滑杆、行走机构采用差速器、微调机构采用微调螺母螺钉。
技术设计阶段我们在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。
小车部分零件是标准件，可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。因为小车受力都不大，因此大量采用过盈配合和紧钉螺钉，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。
一 绪论
1.1本届竞赛命题主题
本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。
要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理4项报告。
1.2小车功能设计要求
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来的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为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，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。
图1： 无碳小车示意图
要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。
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。
1.3小车整体设计要求
要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。
小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析
和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。
二 方案设计
2.1车架
车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝材加工制作成断开式长方体板，可以利用废材进行加工。
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。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。
（1）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。
（2）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。
（3）由于不同的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，效率高。
基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构。
如上图可以通过改变绳子绕在不同直径的绳轮上来改变其输出的动力。
2.3传动机构
传动机构的功能是把速度和转矩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迹精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
1.考虑到小车行走轨迹的精确性，差速器比单轮驱动更准确。
2.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。
3.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。
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，结构简单，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。我们采用凸轮机构+摇杆的方案。
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。
2.5行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
对于相同的材为一定值。
而滚动摩擦阻力f=M/R=(N)，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。
由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。
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。
而差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。
综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案。
2.6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。小车装配好之后，不允许经常拆装，所以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，可通过简单地微调机构予以保证。
微调机构可以采用如下微调螺钉的方式，如图
三 技术设计
3.1零部件设计
(1)驱动轴
45#钢 阶梯轴总长76mm,单面轴肩长
3mm
(2)车轮
a.小车轮
铝材 厚度：7mm 两面阶梯孔：大孔11mm，深3mm，小孔
9mm
b.大车轮
有机玻璃 尺寸1005，轮毂孔
9mm
（3）深沟球轴承
标准件15个 规格5113
（4）圆柱直齿轮两对
小齿轮（铝材）：模数=1，齿数=17，内孔=6mm，厚度：7 mm，个数2 中齿轮（尼龙）：模数=1，齿数=34，内径=6mm，厚度=4mm，个数：1 大齿轮（尼龙）：模数=1，齿数=51，内径=6mm，厚度=4mm，个数：
1
3.2三维装配图
四 评价分析
4.1小车优缺点
优点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少，
（2）多处采用微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物，
（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，
（4）采用磁阻尼，小车稳定性提高，不致使车速过快，
缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费 时，避障稳定行差，时而偏左，时而偏右。
4.2自动行走比赛时的前行距离估计
通过理论与实践结合，小车行走距离（包括绕开障碍物）约7—9个八字，即直线距离约13—17米。
4.3改进方向
小车最大的缺点是精度要求非常高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。
五 参考文献
（1） 机械设计 主编 陈秀宁 顾大强 浙江大学出版社
（2） 第四版第2卷 机械设计手册 主编 成大先 化学工业出版社
六 附录
装配图一副，详见图纸
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