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1、摘要：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，是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：车架采用三角底板式、原动机构采用了阶梯轴、传动机构采用带传动、转向机构采用偏心轮+曲柄连杆、行走机构采用双轮驱动、微调机构采用微调螺母螺钉。技术设计阶段我们先对方案进行了分析，综合运用了
2、运动学、动力学、能量学以及机械设计等多方面的知识，从命题和目标出发，深入分析内在原理，一步步进行计算，进而得出了小车的具体参数，和运动规律。关键字：无碳小车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构 一 绪论1.1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），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。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，
3、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。要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由学生自主完成。1.2小车整体设计要求 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。1.3小车的设计方法 小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。作品
4、的设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。 小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法。采用了CAD、PROE等软件辅助设计。二、 设计方案：2.1 小车越障行驶路线 假设小车行驶的水平距离为S=60m，时间为=10min，振幅为200mm，周期为2000mm。其运动轨迹为2000mm200mm图2：小车运动轨迹图2.2 小车运动过程分析简图：重物下落，重力势能转化为动能，提供驱动力绕绳处驱动轴旋转驱动大带轮与偏心轮大带轮旋转，通过皮带带动小带轮偏心轮旋转，使连杆沿一条直线
5、前后推动摇杆被连杆推动使其在一定范围内进行摆动小带轮旋转驱动后轮转轴进行旋转驱动后轮转动，使小车能往前运动摇杆摆动使前轮在运动过程摆动绕过障碍物前后轮协调使小车在前进过程S形曲线绕过障碍物 图3：小车运动过程分析图2.3 设计原理简图：偏心轮连杆摇杆后轮转轴驱动轴小带轮前轮大带轮皮带后轮 图4：设计原理图由于小车运动过程的能量来源为重物下落的重力势能4焦耳，能量非常有限，故机构的设置越简单，损耗的能量也越少，行走的路程也越多，效果也就越好。2.4 机构的选择 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，车架采用铝合金加工制作成三角底板式。 原动机构 原动机构的作用是将重块的重力
6、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。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
7、绳轮式原动机构。如下图5 图5：绳式轮原动机构 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：传动机构是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上，使小车按一定的路程曲线行驶的更远。由于带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉缓冲吸振等优点，因此本机构可以采用带传动作为传动机构。转向机构：本机构设计采用偏心轮+连杆+摇杆，其单位面积所受压力比较小而且接触面便于润滑，摩擦小制造方便能获得较高的精度。构件之间的接触可以靠本身的几何封闭来维持，比凸轮靠弹簧来封闭要优越。故采用此转向机构。 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
8、知道摩擦力矩与正压力的关系为 对于相同的材料为一定值。 而滚动摩擦阻力，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。微调机构当障碍物的间距改变时，可以通过改变初始位置（即小车运动轨迹函数的振幅）及小车前轮距偏心轮外侧水平距离，进行微调，从而是小车能安全绕过障碍物。三、 技术设计3.1转向与微调设计 3.1.1小车的转向控制 小车绕过固定等间距障碍物，分析其转向控制过程：偏心轮连杆摇杆连杆小车偏心轮向右推向右推向左拉向左拉车身中心线小车前轮 图6、7、8：小车转向过程分析图 如图6、7、8 所示，小车从位置出发，途径、三个位置到
9、达位置完成一个周期的运动。在此过程中，偏心轮从A位置出发，经过B、C、D三个位置，又回到A位置，完成一个周期的运动。其中，偏心轮的A、C位置对应小车的、位置，即为最大偏角位置；偏向轮的B、D位置对应小车的、位置，即为直走位置。由图 所示可得出小车最大转角的关系式所以可得出2、前轮转向最大偏角的计算2000mm200mm2000mmABCDEF 图9：前轮偏转范围示意图 设前轮最大偏角的最小极限值为，最大极限值为，其中： 要使小车安全绕过障碍物，则必须满足条件：而： 满足以上条件。3.1.2 微调的设计分析 改变障碍物的间距，通过微调来实现小车安全绕过障碍物：以障碍物间距减小为例，进行微调分析：
10、 图10：微调原理示意图 障碍物间距减小。调整小车的初始位置，相对A点向上到A点 、原始曲线的轨迹方程为： ，一个周期的曲线长度为： 、改变障碍物间距后，进行微调使小车前进轨迹的振幅为： ，调整后曲线的轨迹方程为则一个周期曲线的长度为：由于小车微调后在类匀速运动过程中其速度和周期都不变，则在一个周期内小车行走的路程不变，即 已知，可求得。 微调后小车前轮最大转角， 偏心距e为设计固定已知值，由、可求得前轮支撑轴距连杆的水平距离。 总结：由已知障碍物间距减小量可算出微调量与。 并且：障碍物间距增大，用同样方法可解决微调问题。3.2.1 各轮的参数设计 设计目标：小车行走水平距离S=60m，理论行
11、走时间t总=10min小车行走路线为正弦曲线，曲线振幅为200mm，一个周期的水平距离为2m，所以可得出曲线函数式： 计算曲线路程 周期数n=30 所以总路程 周期T=20s 车身速度 重物下降速度 设绕绳轮半径为，则所以又 设偏心轮偏心距为e，半径为 前轮半径为，后轮半径为r5， 大带轮半径为r3，小带轮半径为r4 带轮传动比为i=3 则 所以3.2.2带轮的参数设计已知功率 转速1、 确定计算功率查得工作情况系数 故2、 选择带型 选用Y型带3、 确定带轮的基准直径，并验算带速v1） 初选小带轮的基准直径。由表查得 取小带轮的基准直径2） 验算带速 3） 计算大带轮的基准直径 根据表查得，
12、圆整为4、 确定带的中心距a和基准长度Ld1） 根据式（8-20） 2） 初定中心距 3）由式（8-22）计算带所需的基准长度 由表8-2选带的基准长度4）按式（8-23）计算实际中心距a 5、 验算小带轮上的包角 6、 计算带上的有效拉力Fe 由 得3.2.3 阶梯轴的参数设计 设重物在刚开始下降的瞬间加速下降的距离为 设绕线一圈，则（为加速绕线处主动轴半径）.(1)又在这一过程中 .(2) .(3) .(4) 其中由以上四式可解出3.2.4 小车质量的分布设计计算小车总质量（包括重物）由小车行进的整个过程可知所以利用能量守恒计算车身的质量小车各部分的能量为前轮：E前轮=E平动+E转动 =、
13、 偏心轮： 、 大带轮： 小带轮： 后轮： 重物： 列出能量守恒关系所以经计算得 3.3力的校核检验设计尺寸的准确性：对象：阶梯轮与主动轴原理：驱动轴所受扭矩平衡才能使重物匀速下降阶梯轮半径为处所受扭矩为：大带轮有效拉力为： 则大带轮对驱动轴处的扭矩为：则有结论：能够保证重物及小车做类匀速运动，满足之前机构的设计。3.2.5 参数确定前轮结构：（单位：mm、mm、kg） 注：材料均为铝合金前轮：直径：60轴孔直径：4厚度：4质量：0.009747前轮轴：直径：4轴长：30质量：0.0010174前轮架：护轮架：长：22宽：10高：45厚：4轴孔直径：4质量：0.02673轮架上固定轴：长：60
14、直径：4质量：0.00203472套筒：直径：10厚：1底面轴孔：4底面距轮架：20带槽摇杆：槽结构中心距固定轴轴心：41槽结构总长：20槽壁厚：2槽结构高：4质量：0.00139039底板、车架：底板：底板总长：180宽：170厚：10质量：0.8262底板前端凸台：总长：50高：70厚：10质量：0.0945偏心轮和连杆：偏心轮直径：60偏心距：15厚度：5轴孔直径：3质量：0.019089偏心柱直径：5高度：15质量：0.019089连杆及其滑槽：连杆宽度：4长度：83.5高度：6质量：0.054108连杆滑槽宽度：4长度：40高度：14壁厚：2槽结构总长度：36质量：0.005562连
15、杆柱直径：4长度：10质量：0.00033912带轮：大带轮直径：71厚度：5包角：200.3中心距：147.5质量：0.21368799小带轮直径：25厚度：5包角:159.7质量：0.0264938皮带（Y型）节宽：5.3顶宽：6高度：4横截面积：18楔角：基准长度：450质量：0.009后轮结构：后轮：直径：127.4厚度：5轴孔：6质量：0.180333后轮轴：直径：6长度：200质量：0.0152604以上各机构总质量为：1.4855kg小车各机构质量及尺寸一览表：则：小车的总质量为故：符合理论设计。3.3整体设计 3.3.1整体装配图五 参考文献 机械设计 西北工业大学出版社 机械原理 中南大学出版社 理论力学 高等教育出版社六 附录6.1 装配图
