以重力势能驱动的具有方向控制的小车设计报告.doc

1、上海交通大学PRP 学生研究论文项目名称：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计项目题目：无碳小车设计方案及分析学生姓名： 学号：所在院系：机械与动力工程学院指导老师：承担单位：工程训练中心1目 录一、功能及设计要求 .1二、无碳小车设计方案 .22.1 整车设计 .32.2 转向轮设计 .42.3 驱动轮设计 .52.4 转向和驱动轮的链接 .52.5 主要尺寸设计 .62.6 能量计算 .72.7 材料选择 .82.8 工艺分析. 82.9 成本分析. 8三、实际测试结果分析及改进方案3.1 比赛轨迹分析. 93.2 理论分析. 103.3 比赛实际状况. 113.4 改进方案.

2、122摘要本文详细介绍了我们根据全国大学生工程能力竞赛的要求设计的一辆无碳小车，包括驱动机构、转向机构的原理，小车的尺寸设计，行进路线计算，能量计算，材料选择和工艺分析等，根据此设计报告制造出的无碳小车成功的实现了竞赛的设计要求，并代表交大参加了全国工程能力竞赛，取得了好成绩。这是一辆纯机械系统控制，以重力势能驱动的能够自行按周期转向的小车，对于开阔机械设计者的思路有很好的效果，也体现了低碳环保的主题。关键词：无碳 设计 自行转向 重力势能AbstractThis text introduces a no-carbon car we desired according to the requi

3、rements of the national engineering competition. It contains the idea we used to drive and turn the direction of the car, the desire of size, the simulation of its route and energy, the choice of material and manufacture process. The car we manufactured have successfully achieve the requirements of

4、the competition and it has won the third price in the national competition. It is a car controlled without power; it is drived by gravitational potential energy and can turn its wheel automatically. It is a good example to broaden our prospective in mechanical desire and it also show the principle o

5、f low carbon and environmental friendly.Key words: no carbon,desire,turn automatically,gravitational potential energy一、功能设计要求给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1 米，放置一个直径 20mm、高 200mm 的弹性障碍圆棒） 。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。给定重力势能为 5 焦耳（取 g=10m/s2） ，竞赛时统一用质量为 1

6、Kg 的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 5002mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。小车要求采用三轮结构（1 个转向轮，2 个驱动轮） ，具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：小车上面要装载一件外形尺寸为6020 mm 的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于 750 克；在小车行走过程中，载荷不允许掉3落。转向轮最大外径应不小于30mm。图 1： 无碳小车示意图图 2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图二、无碳小车设计方案以下

7、是具体的设计方案介绍：2.1、整车设计如图 4 所示为我们设计小车的总图。4图 4车身尺寸 330*220*7002.2、转向轮设计图 55转向轮由摆动结构构成,设计为 1 号摆杆来回摆动一次，整个前轮左右摆动一定角度，从而小车前轮左右摆动一次， （具体摆动角度要通过实验确定） 。2.3、驱动轮设计图 7由于需要很好的控制小车的行进速度，我们设计了一个中轴机构，这样在重块下落的过程中，会首先拉动齿轮 2 随其转动，再由齿轮传递到齿轮 1 上，由于齿轮 1 与整个后轴固定，所以可以带动后轮转动。由于存在多级齿轮的传递，所以可以行进更多的距离。而后轮所受到的摩擦力会随着多级齿轮而放大，这样可以保证

8、小车行进的足够慢，这样也保证了小车的稳定性。2.4、转向轮与驱动轮的链接6图 8我们是通过摆杆 2 的前后移动来协调驱动轮和转向轮的一致性，由于齿轮 3 上的偏心装置我们带动摆杆 2 在 1 中的前后运动，我们把动力从驱动轮传到前方的方向轮，使它有周期的偏转某个角度，来达到周而复始的波浪形运动。2.5、主要尺寸设计初拟定驱动轮外径 D1=230mm两齿轮外径分别为 D2=20mm D3=60mm导向轮半径 D4=50mm在中轴线上我们要求小车每前进 2000mm 为一个周期，也就是控制转向装置的机构只能旋转一周，因为运动轨迹是歪曲的，所以我们确立了小车轮子直径为 230mm（具体结果见后面）

9、。2.7、能量计算1）力分析：小车质量 P0 ，重力 P0 g=地面支反力 N0小车驱动力矩 M=等效力偶 F0D/ 2（小车驱动力）F0=2M/D M 由 G 获取例如：M= G/ 2= F 0D/ 2（暂不计效率）7此时 F 0= G/D力约束（克服运行阻力的最小值和不打滑的最大值）克服运行阻力（车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力）惯性阻力（N）=P 0 a (小车启动加速度)静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流阻力等 基本阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；w 运行阻力系数，实验得出经验数据，约 0.01。F0 P0 (a+ g w ) 地面对小车摩擦阻力 Ff ，

10、Ff = P0 g f（摩擦系数）不打滑条件 F 0 Ff = P0 g f2）做功分析：设：S 为小车行走距离，mm， 为小车总效率，F0 S =G500mm 则： S =G 500mm / F0 前面防滑计算得出：F 0 Ff = P 0 g f可见：为了增大小车行走距离，为了避免能量损失不打滑，在保证能够驱动小车行走的前提下，F 0 越小越好。F0= G/D2.8、材料选择8初步选定铝合金来制作整个车身及各种连接装置，轮子的材料为轻质塑料，具体材料由实验得出。2.9、工艺分析加工部件 加工工序车轴 车工后轮 数铣，钻孔偏心装置 数铣，钻孔，攻丝前轮 钳工，攻丝车身 数铣，钳工，钻孔，攻丝

11、皮带轮 数铣，压花2.10、成本分析后轮：3mm 铝板 20 元驱动轴： 10 元轴承： 50 元齿轮： 100 元前轮： 10 元龙门架： 20 元其他部件： 70 元铝板：5mm 铝板 12 元合计 300 元三、实际测试结果分析及改进方案3.1、比赛轨迹分析9根据无碳小车转向机构的设计（如图） ，受约束只能前后滑动的传动杆将齿轮的匀速转动转化为自身正弦周期运动，此运动又通过图示机构转化为前轮正弦周期的左右摆动。小车的转向幅度是与前轮摆动的大小成正比的，设前轮摆动方向的函数为-sinwt,则小车的转向轨迹为-sinwtdt=coswt,是余弦函数，且与前轮的左右转向相差了 /4 个周期。若前轮的摆动方向如下图，图 1则此时小车前进的轨迹为图 2下面分析比赛时无碳小车摆放的最佳初始状态:图 2 所示为行进时的最佳轨迹。由图看出，在初始状态，小车并不是正对第一个杆，而是横向和第一个杆有一定距离。前轮也不是正对着前方，而是像图 1 一样转到向右方的