1、1无碳小车设计说明书摘 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 机构采用了锥形轴、 传动 机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微 调机构采用微调螺母螺
2、钉。其中转向机构利用了调心轴承、关 节轴 承。技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助 MATLAB分别进行了能耗规律分析、运 动学分析、 动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规 律。接着 应用 PROE 软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。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。小车大多是零件是标准件、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。调试过程会通过微调等方2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。关键字：无碳
3、小车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构 灵敏度分析目录摘要 .1一 绪论 .31.1 命题主题 .31.2 小车功能设计要求 .31.3 小车整体设计要求 .41.4 小车的设计方法 .4二 方案设计 .52.1 车架 .72.2 原动机构 .72.3 传动机构 .72.4 转向机构 .82.5 行走机构 .92.6 微调机构 .10三 技术设计 .113.1 建立数学模型及参数确定 .113.1.1 能耗规律模型 .1233.1.2 运动学分析模型 .143.1.3 动力学分析模型 .183.1.4 灵敏度分析模型 .203.1.5 参数确定 .213.2 零部件设计 .213.3.1 小
4、车运动仿真分析 .23四 小车制作调试及改进 .234.1 小车制作流程 .234.2 小车调试方法 .234.3 小车改进方法 .24五 评价分析 .245.1 小车优缺点 .245.2 自动行走比赛时的前行距离估计 .245.3 改进方向 .24六 参考文献 .254一 绪论1.1 命题主题本届竞赛命题主题为“ 无碳小 车” 。命 题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。命题 内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力” 四个方面的要求。1.2 小车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
5、。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 1Kg 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
6、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 许掉落。 转向轮最大外径应不小于 30mm。51.3 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。1.4 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。作品的 设计需
7、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。6图一二 方案设计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）。7图二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。8图三92.1 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，车架采用木材加工制作成三角底板式。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
8、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。2.3 传动机构传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的
9、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。102.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，零部件已获得等基本条件，同 时还需要有特殊
10、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。在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）因此不采用曲柄连杆+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簧等力封闭来保持接触。
