“8”字形无碳小车设计

无碳小车 8 字型设计方案 成 员 刘 潇 陆首成 胡珈铭 指导教师 孔繁征 张若达 2012 年 12 月 9 日 本届竞赛命题主题 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 综合体现大 学生机械创新设计能力 制造工艺能力 实际动手能力 工程管理能力和团队合作能力 竞赛的目的在于激发大学生进行科学研究与探索的兴趣 加强大学生工程实践能力 创新 意识和合作精神的培养 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 驱动小车行走及转向的动力载荷只能由给定重力势能 4 焦耳 转换得到 动力载荷按要求 50 65mm 质量 1kg 材料 普通碳钢 准备 重块落差 400 2mm 并随小车一起运动时铅垂下落 不允许从小车上掉落 竞赛小车在半张乒乓 球台 长 1525mm 宽 1370mm 上 绕相距一定距离的两个障碍物沿 8 字形轨迹绕行 绕行时不得撞倒障碍物 不得掉下球台 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 60 20 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 小车整体设计要求 小车设计过程中需要完成 结构设计方案 工艺设计方案 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 结构设计方案 1 小车底板 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 3mm 的铝板 加工制作下图所示的几何形状 上面的孔的位置是小车其它零件的装配位置 工程图如下 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绳轮式原动机构 如下图 如下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 2 1 结构图 支架定滑轮 绕线轴 动力轴 图一 2 2 分析 1 在起始时原动轮的转动半径较大 起动转矩大 有利起动 2 起动后 原动轮半径变小 转速提高 转矩变小 和阻力平衡后小车匀速 运动 3 当物块距小车很近时 原动轮的半径再次变小 绳子的拉力不足以使原动 轮匀速转动 但是由于物块的惯性 仍会减速下降 原动轮的半径变小 总转 速比提高 小车缓慢减速 直到停止 物块停止下落 正好接触小车 2 3 梯形圆柱原动轮的作用 1 刚开始牵动绳为小车提供动力的部分是梯形圆柱的粗端 这样能为小车提供 较为快捷的动力 2 下落物体不可避免的会和小车发生碰撞 这样当物体快要和小车碰撞的时候 牵动绳已绕到了梯形圆柱的细端 这样能减少物体的下落速度 减少物体和小 车碰撞的能量损失 3 梯形原动轮的设计实现小车的起动和物块的从低速到减速下落 减小因碰撞 而损失的能量 4 利用公式 M F R 当力一定是 R 越大矩就越大 转动的就越快车启动的就快 当 M 已达到一定的大少保持不变 R 变小 F 就会增大 从而使物快减速 图二 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 我们组最终选用了耐磨 质量轻 价格合适的尼龙齿轮作为传动机构 并 且根据 8 字形的行走轨迹将现有的齿轮进行了加工 将齿轮铣去部分齿 与 其它齿轮构成传动机构 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 结合小车的传动机构和加工技术的限制 我们采用了简单的偏心圆盘 摇杆的转向机构 其优点在于 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 在本小车设计中由于小车转向频率和传递 的力不大故机构可以做的比较轻 可以忽略惯 性力 机构并不复杂 可以再连杆两端装上关 节轴承来减小摩擦和约束范围并增大活动空间 走 8 字需要一个间歇的驱动机构 我们采用 缺齿齿轮 双联缺齿齿轮与转向机构相连来实现这一要求 5 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 由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为 图三 NM 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RRf 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 由于小车是沿着 8 字曲线前进的 后轮必定会产生差速 我们采用了单 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 加装 一个轴承 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 与地面的摩擦约束力调节 后轮的直径暂定为 240mm 6 微调机构 连杆的一端与圆盘连接 圆盘上的偏心孔的偏心距离为 C 连杆与转向轮 中心的水平距离为 L 所以 前轮通过曲线的偏向角为 7 主要尺寸设计及计算 小车走 8 字形轨迹避让障碍物 对于轨迹的设计及其重要 这对于小车 的结构布局也很重要 我们设计的 8 字形轨迹如下图 小车从起点出发 最 初给定适合的前轮偏向 C L L 图四 图五 角 绕蓝色的优弧进行 8 字的部分绕行 到达红蓝交叉处 转弯机构开始转 弯 继续沿蓝色轨迹绕行通过起点处的红蓝交叉点完成 8 字的一半 此时转 前轮保持第一次转向后的偏向角继续沿红色轨迹运行至转弯处 转向机构再次 工作 是小车走完剩下的红色轨迹完成一个完整的 8 字形 由于我们采用的是单轮驱动 前轮导向与驱动轮的横向距离越大 会使小 车在绕行 8 字时轨迹不对称 即一个圆大 一个圆小 所以我们将驱动轮与 前轮的横向距离取消 三个轮子的相对位置如下图 导向轮与驱动轮共线 在合适的轴 距 b 下 绕行曲线时两轮的轨迹偏 移量可以忽略 上图中的粗线为前 轮和驱动轮的轨迹 细线为从动轮 的轨迹 理论计算如下 起点 转弯 驱动轮 导向轮 从动轮 b 图六 图七 图八 在轨迹半径确定的情况下 前后轮的轴距越小 偏向角 越小 主动轮和前轮 的轨迹偏移量就越小 本小车的设计只对上述情况作定性的分析 再设计与之 相关的零件参数时简化了模型 齿轮的相关参数如上图所示 小车的设计参数 绕线轴半径为 r2 小车的后轮的直径 d2 240mm 齿轮传动比为 i 前后轮轴距为 190mm 前轮直径为 50mm 结合齿轮的传动比 后轮绕行 3 周 双联缺齿齿轮驱动转向机构工作两次 走完一个 8 字 得到小车后轮的轨迹直径 d2 2r1 360mm 小车前轮的偏向角为 60 齿 固连 余主动轮轴 90 齿 80 齿 65 齿 余 15 齿 30 齿 图九 小车行走轨迹分析 只有 A 轮为驱动轮 当转向轮转过角度 时 则小车转弯的曲率半径为 小车行走 过程中 小车整体转过的角度ds c d b a A 轮 B 轮 图十 ds 当小车转过的角度为 时 有 cosindyx d 小车其他轮的轨迹 以轮 A 为参考 则在小车的运动坐标系中 B 的坐标 0 21aB C 的坐标 da 在地面坐标系中 有 sin co21ayxAB sicos1dydxAC 整理上述表达式有 cossinicos cosintan cos sinsin cos1 1211 1212112222 dayxadyxdsb rrcblidr h ACAB 为求解方程 把上述微分方程改成差分方程求解 通过设定合理的参 数的到了小车运动轨迹基本符合预想轨迹 图六 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 F0 D 2 小车驱动力 F0 2M D M 由 G 获取 例如 M G 2 F 0 D 2 暂不计效率 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 03 F0 P0 a g w 地面对小车摩擦阻力 Ff Ff P0 g f 摩擦系数 不打滑条件 F 0 Ff P0 g f 2 做功分析 设 S 为小车行走距离 mm 为小车总效率 F0 S G 500mm 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 D 工艺设计方案 成本分析方案 工程管理方案