无碳小车设计制作报告

第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛
无碳小车设计制作报告
设计小组：李阳、宁汪清、冯振兵
专业班级：10机械二班
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完成时间：2012.12.26
一.设计思想·····································3
二.工作原理·········································3
驱动方面，最开始，我们想到了发条，认为将重物下落的重力势能储存在发条中，在逐渐释放，能够很好地利用能量。与此同时，经过研究玩具小车的驱动机构，我们认为，可以想办法将发条与弹簧结合起来使用，通过二者驱动的时间差来达到将重物能量利用最大化的目的。但是，发条在储能和释放能量时都会消耗能量，因而能量利用率不高，而且发条在释放能量后还会有阻碍驱动轮转动的问题，要解决这个问题会将小车结构弄得很复杂，因而，我们最终放弃了这种想法。而后，通过联系农村稻麦收割机的启动实例，我们想到了利用飞轮驱动，飞轮驱动结构简单，并且能够很好地解决发条能量释放后阻止驱动轮转动的问题；与此同时，我们也想到了将飞轮与弹簧联合驱动的方案，这种方案能够将能量尽可能地利用，并且只要通过传动比让弹簧驱动给后轮的速度大于飞轮能量释放后后轮的速度，就能让小车平稳前进。但是这个方案仍然存在结构复杂并造成能量消耗的问题，经过综合考虑权衡，我们最终确定车轮轴安装飞轮储能且后置齿轮啮合驱动小车的方案。
1.驱动机构原理································4
2.转向机构原理···································5
三.小组分工············································6
四.尺寸确定与理论计算·························7
2、路径的确定：
由题目要求知从起点开始每隔1m设置一个障碍物，所以这就要求我们选择合适的路径，通过小组讨论和一些相关计算，我们小组最终认为采用如下正弦曲线为最优方案；如果可以从距离第一个障碍物0.5m出发，那么理论计算路径的选取就更简单，这里主要计算第一种情况。
图10（ 路线图）
轨迹方程式：Y=0.25*Sin（∏*X）周期：T=2m
即是后轮转过1圈，曲柄圆盘转过1/4圈，得传动比i＝4.由传动比便可计算出齿轮的相关参数。
五.设计组图：
1.UG三维立体组图：如图6、7：
图6
图7
2.CAD平面图：
图8
图9（主视图）
六.报告总结
无碳小车是根据能量转换原理，将给定的重力势能转换为机械能驱动小车行走并能够在前行时自动避开赛道上设置的障碍物的装置。该小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮周期性转向从而自动避开障碍物。通过此次工程训练竞赛我们学习、收获了很多，在设计制作过程中我们遇到了重重困难，比如说在设计阶段中小车绕S形路线行进中的周期计算和制作过程中小车零件的加工工艺问题，还有小车组装后对小车整体的受力分析等等问题，但在指导老师的指导作用下加之我们小组成员的共同努力下，我们还是一一克服了眼前的困难，最终我们成功地制作了我们预想中的无碳小车。该次竞赛主题很好地锻炼了我们将理论与实践相结合的能力，同时也考验了我们在实际实践当中解决实际问题的能力和团队协作能力。所以不管以后在学习还是工作当中我们都应该将各种在实践中积累的经验和心得应用和体现出来，做到学有所用。
接下来的工作就是选材购材了，在这工作当中我负责无碳小车主部件的选材任务和网上购材，包括小车的前轮、滚动轴承和轴、尼龙齿轮、定滑轮等的选用。而宁汪清和冯振兵则负责到市场上选购车上螺丝、螺母、垫片等零部件。在配以杨教授发的木制板材和轴我们接下来的任务就是到实验室实体制作了。
在制作过程中我和宁汪清负责车底板和车轮的加工工艺制作，而冯振兵给予我们改正的建议，同时他还负责去市中心购买我们在制作过程中缺少的零件。在一切准备工作完成后我们接下来就要开始我们的组装和调试工作了，在这过程当中是由我们小组三人共同完成的。
1.UG三维立体组图·······························9
2.CAD平面图·····························10
六．报告总结····································11
一.设计思想：
对于此次竞赛题目，我们小组经分析讨论后认为：能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心，我们展开了一系列的理论分析与验证，经过反复比较，最终确定了我们的设计思路：后置齿轮驱动与仿自行车式转向设计思路。
图5
三.小组分工
经过我们小组成员分析、讨论、资料收集后，我们的设计思路基本成形，接下来要做的就是小组分工实体制作，在制图、记录、选材购材、计算、修正中各自发挥自己的特长。
由于小组成员冯振兵擅长于Pro/e软件和UG软件的使用，所以我们团队在模拟造型中的三维和二维设计就由他来完成，其中参考资料的搜集和设计中的计算、校验就由我和宁汪清来完成，这些就是我们在设计工作中的分工了。
1.部分主要零件尺寸·····························7
2.路径的确定······································7
3.前行与周期性转向计算·····················8
五.设计组图································8
齿轮2：z1＝72 d1＝72mm 宽7mm
齿轮3：z1＝72 d1＝72mm 宽7mm
车宽180mm 车长约238mm 车高约485mm
飞轮半径10mm,400/(&*20)=6.37,6.34*72/18=25.48,25.48/2=12.74mm.
预测调整后可跑大于12.74mm。
材料选择：后轮前轮及齿轮选择耐磨性能好、硬度高的塑料；后轮车轴、连杆及曲柄摇杆选择普通金属。
关键点：一方面要让小车经可能多的绕过障碍物；另一方面要满足路径上离障碍物最近的点不与小车相撞（即S＞0.5倍车宽+0.2障碍物直径），同时函数幅值A要小于1m（即A＜1m）。通过理论分析与计算，我们小组选择正弦函数Y=0.25*Sin（∏*X）作为小车行进路径。
3、前行与周期性转向计算：
根据路径图可知小车在T/4内要转过∏/4角度，即曲柄齿轮转过∏/4角度，路程为s= ，用matlab软件求得:s=0.57m;车轮的周长c=∏*d1=0.55m.
转向方面，我们主要是仿照自行车转向的方案，利用曲柄摇杆机构控制小车自动转向。
二.工作原理：
主要构件如下图所示，包括后置驱动齿轮、绕线轮、传动齿轮、小车车轮、深沟球轴承、连杆、转向摇杆和转向前轮。如图1：
图1
当重物下落时，细绳绕过立杆定滑轮带动后置驱动齿轮轴从而驱动中间小齿轮转动驱动后轮前进，同时通过齿轮啮合传动带动曲柄齿轮旋转，通过连杆传动推拉转向“摇杆”带动转向前轮周期性左右转向，从而实现小车在前进过程中自动转向。这样小车便能在重：
机构构件：主要包括绕线轮、后置驱动齿轮和传动齿轮。如图2：
图2
在重物下落时，通过绕在绕线轮上的细线带动齿轮旋转，齿轮旋转驱动后轮转动，小车便向前行进。当重物完全下落后，小车靠飞轮储存的能量继续前进，直到能量通过车轮摩擦耗散完停止。飞轮装置如图3：
图3
小车在前进过程中，通过固定在轴上的齿轮旋转从而带动前方的“曲柄”齿轮旋转，通过连杆和转向机构连接。齿轮传动的一个主要作用是通过小轮带大轮实现固定传动比增速和减速，从而使驱动机构和转向机构协调配合。
四.尺寸确定与理论计算：
1．部分主要零件尺寸：
后轮1：Φ175mm 轮厚 5mm 中心孔Φ7mm
后轮2：Φ175mm 轮厚 5mm 中心孔Φ19mm
前轮：Φ40mm 轮宽 5mm 中心孔Φ19mm
后轮车轴：Φ7mm 长l＝180mm
连杆：Φ7mm 长l＝80mm
模数m=1,
齿轮1：z1＝18 d1＝18mm 宽7mm
2.转向机构原理：
机构构件：主要包括“曲柄”齿轮、连杆、转向“摇杆”和转向前轮。如图4：
图4
原理是利用“曲柄摇杆机构”的原理，其中“曲柄”齿轮、转向“摇杆”分别是该曲柄摇杆机构的曲柄和摇杆。
齿轮传动带动前方“曲柄”齿轮旋转，当连杆和“曲柄”齿轮连接点处于图4中C、D点时，图5中转向“摇杆”处于C(D)线处,前轮指向正前方，此时小车能直行；当连杆和圆轮连接点处于图4中A点时，通过连杆将转向“摇杆”向后拉，转向“摇杆”顺时针转过φ角，图4中转向“摇杆”处于A线处,前轮指向右前方与直行线成φ角，此时小车能向右转；当连杆和圆轮连接点处于图4中B点时，通过连杆将转向“摇杆”向前推，转向“摇杆”逆时针转过θ角，图4中转向“摇杆”处于B线处,前轮指向左前方与直行线成θ角，此时小车能向左转。在一个周期内小车能自动转向4次。初始时连接点处于B点，此时小车前轮左偏θ角，小车前进经四分之一周期运动到左侧最外端，此时转向前轮指向正前方，小车继续前进，以后过程中小车周期性转向前进，路线如下图（图5）所示。