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1、无碳越障小车设计说明,2012年10月20日,小车功能设计要求：,竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。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（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差4002mm，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。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
2、的竞赛场地。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。,设计思想：,看到此次竞赛主题，我们认为，能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是设计成功与否的关键。围绕这个中心，我们展开了一系列理论分析与验证。最终确定了我们的设计思想：重力驱动与仿自行车式转向。驱动方面：驱动其行走的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。绳子的拉力作为动力，将物体下落的势能尽可能的转化为小车的动能，进而克服阻力做功，尽可能使小车匀速运动。转向方面：主要仿照自行车转向的方案，利用曲柄摇杆机构控制小车的自动转向。,方案设计：,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
3、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五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。,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，车架采用木材加工制作成三角底板式。可以通过回收废木材获得，已加工。,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
4、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。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。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。如下图：,如上图我们可以通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力。,传动机构：传动机构的功能是把动力和运动传递到转
5、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。1.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。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。,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，零部件已获得等基本条件
6、，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。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。,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
7、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。,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。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
8、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。,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。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。1.（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
9、碍。）2.（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。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。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。）,3.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。就如一辆自行车外加一个车轮一样。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，但前进速度不如差速器稳定，传动精度
10、比利用单向轴承高。综上所述行走机构我们选择的是单轮驱动。,转向轮及轨道设计：,利用转向轮中心轴偏转，实现小车转向。本方案设计中小车动力转变通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出，,小车运动轨迹示意图：,动力系统设计：,设计主体思路：首先利用重力势能转化成由绳子带动可调的绳轮式原动机构带动后轮驱动小车的前进。理论计算数据：能量用4J计算可以得到运行最大距离，但实际运行中，能量运用率无法达到100%，相互抵消与否需要实验数据说明。,小车整体及外观初步设计：,小车底板设计：小车底板宽度180mm，总长度300mm，前半部分采用等腰梯形，上底100mm，下底180mm，高100mm，后半部分为矩形
11、设计长为200mm，宽度为180mm。底板厚度3mm。重物支撑架设计：采用长度为600mm，宽度50mm，厚度为3mm中部为空的塑料板，另外重物支撑架两边用两根长度为300mm的塑料棒支撑。转向装置设计：转向连杆统一采用直径1mm的硬质铝棒，中轴采用钢棒。转向轮位于小车中轴线上，转向轮轴线与前底板相距30mm。转向轮外径为50mm，最大宽度15.625mm。后轮驱动设计：后轮外径60mm，宽度为10mm，两轮中轴线离后底板30mm，采用嵌入式放置，小齿轮位于两后轮连线中心处。,材料及成本分析：,小车应用材料种类：塑料 硬质铝 磁铁 钢柱 细线小车整体材料种类：本次方案中主要材料种类如下：小车底板及重物支撑架：塑料为主后轮设计：塑料为主（成品设计）前轮（前期）：硬质铝重块：普通碳钢连杆等：硬质铝前后轮中轴：钢装饰：塑料为主,小车整体成本分析 塑料板成本：约15元前轮成本：自己制作后轮成本：标准品两个10元左右连杆成本：约5元滑 轮：约10元 总共材料成本约为40元,谢谢观赏！,
