無碳小車-培訓

1、目目 錄錄1.1 競賽實施方案競賽實施方案 2021年年6月月8日周六：日周六：開幕式；第一階段競賽場上車賽；開幕式；第一階段競賽場上車賽；報告評審報告評審 2021年年6月月9日周日：日周日：第二階段競賽加工制作、裝調(diào)，場上第二階段競賽加工制作、裝調(diào)，場上賽車；閉幕式。賽車；閉幕式。 主場地一：大連理工大學劉長春體育館中心館主場地一：大連理工大學劉長春體育館中心館 主場地二：大連理工大學工程訓練中心主場地二：大連理工大學工程訓練中心 主場地一為車賽場地，主場地一為車賽場地，23002300平米，地面為國際室平米，地面為國際室內(nèi)球類競賽用標準復合木地板：內(nèi)球類競賽用標準復合木地板： 主場地二為

2、加工制作裝調(diào)競賽場地，配有普車、主場地二為加工制作裝調(diào)競賽場地，配有普車、普銑、數(shù)車、數(shù)銑和快速成型等比賽用機床，配有鉗普銑、數(shù)車、數(shù)銑和快速成型等比賽用機床，配有鉗工工作臺和鉆床等設施設備。加工競賽需要的通用工工工作臺和鉆床等設施設備。加工競賽需要的通用工卡量具由參賽隊自帶?？烤哂蓞①愱犠詭А?全國競賽設一、二、三等獎及優(yōu)秀獎、優(yōu)秀組織全國競賽設一、二、三等獎及優(yōu)秀獎、優(yōu)秀組織獎、優(yōu)秀指導教師等獎項。獎、優(yōu)秀指導教師等獎項。 一、二等獎比例分別為一、二等獎比例分別為2525和和3535，由競賽組委，由競賽組委會向獲獎的參賽隊和參賽選手、指導教師頒發(fā)獲獎證會向獲獎的參賽隊和參賽選手、指導教師

3、頒發(fā)獲獎證書。省級競賽的獎項設置由省級競賽組委會參照全國書。省級競賽的獎項設置由省級競賽組委會參照全國競賽獎項設置方式自行決定。競賽獎項設置方式自行決定。 1.2 競賽命題及規(guī)那么競賽命題及規(guī)那么 另外，要求小車另外，要求小車為三輪結構，小車轉(zhuǎn)為三輪結構，小車轉(zhuǎn)向控制機構具有可調(diào)向控制機構具有可調(diào)節(jié)功能，以適應放有節(jié)功能，以適應放有不同間距障礙物的競不同間距障礙物的競賽場地。賽場地。 之所以叫之所以叫“無碳小車，是因為不能依靠任無碳小車，是因為不能依靠任何與碳相關的能源來驅(qū)動小車前進，例如電能、何與碳相關的能源來驅(qū)動小車前進，例如電能、燃料等。唯一可以利用的就是一個質(zhì)量為燃料等。唯一可以利用的

4、就是一個質(zhì)量為1Kg、落差為落差為400mm的普通碳鋼重塊鉛垂落下時所具的普通碳鋼重塊鉛垂落下時所具有的重力勢能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理將它轉(zhuǎn)換為小有的重力勢能。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理將它轉(zhuǎn)換為小車前進的動能，讓小車動起來。車前進的動能，讓小車動起來。競賽工程競賽工程I：繞障自行小車：繞障自行小車S 字型字型 競賽工程競賽工程：繞障自行小車：繞障自行小車8 字型字型 發(fā)二等獎。其余二等獎名額在發(fā)二等獎。其余二等獎名額在I-B組中產(chǎn)生，按組中產(chǎn)生，按總成績總成績ZIB由多到少排名，相同者并列；按所由多到少排名，相同者并列；按所余二等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)二等獎，余二等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)二等獎，I

5、-B組剩余隊伍視具體情況頒發(fā)三等獎、優(yōu)秀獎組剩余隊伍視具體情況頒發(fā)三等獎、優(yōu)秀獎或無獎?；驘o獎。 2. “競賽工程競賽工程獎項分配：獎項分配： 按按“競賽工程競賽工程II參賽隊數(shù)的參賽隊數(shù)的30%獲得一等獎，隨獲得一等獎，隨后的后的50%獲得二等獎，其余獲得三等獎或優(yōu)秀獎，中獲得二等獎，其余獲得三等獎或優(yōu)秀獎，中途放棄比賽者無獎。途放棄比賽者無獎。 一等獎在一等獎在II-A組中產(chǎn)生，按總成績組中產(chǎn)生，按總成績ZIIA由多到少由多到少排名，相同者并列；按所需一等獎名額，按成績由高排名，相同者并列；按所需一等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)一等獎，到低頒發(fā)一等獎，II-A組剩余隊伍頒發(fā)二等獎。其余二組剩

6、余隊伍頒發(fā)二等獎。其余二等獎名額在等獎名額在II-B組中產(chǎn)生，按總成績組中產(chǎn)生，按總成績ZIIB由多到少排由多到少排名，相同者并列；按所余二等獎名額，按成績由高到名，相同者并列；按所余二等獎名額，按成績由高到低頒發(fā)二等獎，低頒發(fā)二等獎，II-B組剩余隊伍視具體情況頒發(fā)三等獎、組剩余隊伍視具體情況頒發(fā)三等獎、優(yōu)秀獎或無獎。優(yōu)秀獎或無獎。 在機械產(chǎn)品的設計中，我們首先要做的是對在機械產(chǎn)品的設計中，我們首先要做的是對功能需求進行仔細、認真、透徹地分析，并盡可功能需求進行仔細、認真、透徹地分析，并盡可能的將產(chǎn)品的功能模塊化，然后對每個模塊用相能的將產(chǎn)品的功能模塊化，然后對每個模塊用相應的機構來實現(xiàn)其功

7、能，最后再通過一些零部件應的機構來實現(xiàn)其功能，最后再通過一些零部件將這些獨立的機構連接成一個整體，這樣就完成將這些獨立的機構連接成一個整體，這樣就完成了一個機械產(chǎn)品的設計。了一個機械產(chǎn)品的設計。無碳自行小車無碳自行小車驅(qū)動自身行走驅(qū)動自身行走自動避障自動避障要設計一個驅(qū)動機構將重塊的要設計一個驅(qū)動機構將重塊的重力勢能高效率地轉(zhuǎn)換為小車重力勢能高效率地轉(zhuǎn)換為小車前行的動能前行的動能自動轉(zhuǎn)向機構要讓小車周自動轉(zhuǎn)向機構要讓小車周期性地轉(zhuǎn)向，精確地實現(xiàn)期性地轉(zhuǎn)向，精確地實現(xiàn)預定軌跡，以盡可能多的預定軌跡，以盡可能多的避開障礙物避開障礙物重力勢能的轉(zhuǎn)換重力勢能的轉(zhuǎn)換l通過對小車的功能分析小車需要完成重力

8、勢能的轉(zhuǎn)通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物三個功能。換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物三個功能。l為了方便設計可根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃為了方便設計可根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個局部進行模塊化設計車架分為五個局部進行模塊化設計車架 、原動機構、原動機構 、傳動機構傳動機構 、轉(zhuǎn)向機構、轉(zhuǎn)向機構 、行走機構、行走機構 、微調(diào)機構。、微調(diào)機構。l為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。下面為我們個模塊，尋求多種可行的方案和構思。下面為我們設計圖框。設計圖框。 “

9、無碳小車通常主要由車體、能量轉(zhuǎn)換、傳動和轉(zhuǎn)向等局部組成。其中傳動和轉(zhuǎn)向局部主要通過相關機構來實現(xiàn)，其機構的選擇設計和相關零部件的設計是整體小車設計性能好壞的關鍵。注意：因為能量有限，我們應盡可能簡化小車的設計，機構設計越復雜、越多，小車的效率就會越低，所以越簡單的設計越能將勢能高效的利用。一、一、“無碳小車的車體無碳小車的車體 二、二、“無碳小車的能量轉(zhuǎn)換局部無碳小車的能量轉(zhuǎn)換局部四、四、“無碳小車的傳動局部無碳小車的傳動局部五、五、“無碳小車的轉(zhuǎn)向局部無碳小車的轉(zhuǎn)向局部三、三、“無碳小車的驅(qū)動局部無碳小車的驅(qū)動局部六、六、“無碳小車的微調(diào)局部無碳小車的微調(diào)局部 注意： 1. 體積不要過大，重

10、量要輕； 2. 重心要低； 3. 輪距適中，注意保持穩(wěn)定性； 4. 可不必使用差速器。 “無碳小車車架結構主要有三角底板式和骨架式，其可使用快速成型或焊制，可使用木材、鋁板等。車輪可采用木質(zhì)板、塑料、有機玻璃等制作。影響車體的平衡主要因素：影響車體的平衡主要因素：1底板作為最重要的支承件，是其他支承件連接的底板作為最重要的支承件，是其他支承件連接的根底，由于所承載的負荷比較小，選用厚度較薄、密度根底，由于所承載的負荷比較小，選用厚度較薄、密度較小的板料，為防止薄壁振動，減少能量損耗，薄壁面較小的板料，為防止薄壁振動，減少能量損耗，薄壁面積較小。積較小。2小車的重塊在車上重物支撐桿上方開始下落，

11、距小車的重塊在車上重物支撐桿上方開始下落，距離車底板上面約離車底板上面約400 mm多。而小車為了節(jié)省能量及避多。而小車為了節(jié)省能量及避障性好，車底板一般又不能選得面積太大，兩后輪距不障性好，車底板一般又不能選得面積太大，兩后輪距不能太大，限制底板的寬度不能大。能太大，限制底板的寬度不能大。3整個小車就是一個立式的結構，小車運行起來按整個小車就是一個立式的結構，小車運行起來按避障要求左右轉(zhuǎn)向，牽引繩帶動重塊在重力的作用下將避障要求左右轉(zhuǎn)向，牽引繩帶動重塊在重力的作用下將大幅擺動，導致小車傾覆不能行走。因此，要限制重塊大幅擺動，導致小車傾覆不能行走。因此，要限制重塊在小車運行中的擺動，到達車體運

12、行中良好的平衡。在小車運行中的擺動，到達車體運行中良好的平衡。4可通過降低小車底板距離地面的高度來降低整車可通過降低小車底板距離地面的高度來降低整車的重心，到達良好的動態(tài)平衡。的重心，到達良好的動態(tài)平衡。5整個車包括重塊的重心最好應居于小車三個輪構整個車包括重塊的重心最好應居于小車三個輪構成的三角形的形心上，保證小車的平穩(wěn)運行。成的三角形的形心上，保證小車的平穩(wěn)運行。 如何將重塊的勢能轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動車輛持續(xù)行駛的如何將重塊的勢能轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動車輛持續(xù)行駛的動能是小車設計中至關重要的一個環(huán)節(jié)。其轉(zhuǎn)化方法很動能是小車設計中至關重要的一個環(huán)節(jié)。其轉(zhuǎn)化方法很多如繩輪式、彈簧儲能式、鏈輪式，就效率和簡潔

13、性多如繩輪式、彈簧儲能式、鏈輪式，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)：來看繩輪最優(yōu)：直接轉(zhuǎn)化直接轉(zhuǎn)化重力勢能重力勢能 帶動輪軸轉(zhuǎn)動；帶動輪軸轉(zhuǎn)動；間接轉(zhuǎn)化間接轉(zhuǎn)化重力勢能重力勢能 其它能量其它能量 帶動輪軸轉(zhuǎn)動帶動輪軸轉(zhuǎn)動蓄蓄 能能重力勢能重力勢能 各種蓄能裝置各種蓄能裝置 帶動輪軸轉(zhuǎn)動帶動輪軸轉(zhuǎn)動但是注意：為減少能量損失，轉(zhuǎn)化步驟越少越好但是注意：為減少能量損失，轉(zhuǎn)化步驟越少越好輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式機構輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式機構 可以通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出的動力 驅(qū)動軸帶輪三角支架定滑輪重物塊細繩無碳小車對原動機構的要求：無碳小車對原動機構的要求：1. 驅(qū)動力適中，不至于小車拐

14、彎時速度過大傾驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或翻，或 重塊晃動厲害影響行走。重塊晃動厲害影響行走。2. 到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，防止防止 對小車過大的沖擊。對小車過大的沖擊。3.重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上，重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不較多動能未釋放，能量利用率不 高。高。4. 由于不同的場地對輪子的摩擦可能不一樣，由于不同的場地對輪子的摩擦可能不一樣，在不同的場地小車需要的動力也不一樣。在調(diào)在不同

15、的場地小車需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此需試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此需能根據(jù)不同的要求調(diào)整其驅(qū)動力。能根據(jù)不同的要求調(diào)整其驅(qū)動力。5. 機構簡單，效率高。機構簡單，效率高。 考慮到啟動時，需要的力矩大，而在小車行駛的考慮到啟動時，需要的力矩大，而在小車行駛的過程中，運動平穩(wěn)有慣性，需要的力矩小。因此，過程中，運動平穩(wěn)有慣性，需要的力矩小。因此，設計滾筒結構時要加以考慮。設計滾筒結構時要加以考慮。驅(qū)動輪的驅(qū)動分為：單輪驅(qū)動和雙輪驅(qū)動。驅(qū)動輪的驅(qū)動分為：單輪驅(qū)動和雙輪驅(qū)動。在車輛轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)外兩側(cè)車輪繞同一中心旋轉(zhuǎn)，故在同一時在車輛轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)外兩側(cè)車輪繞同

16、一中心旋轉(zhuǎn)，故在同一時間內(nèi)，外側(cè)車輪行駛過的曲線距離顯然大于內(nèi)側(cè)車輪，假設兩間內(nèi)，外側(cè)車輪行駛過的曲線距離顯然大于內(nèi)側(cè)車輪，假設兩側(cè)車輪固定于同一剛性轉(zhuǎn)軸上，以同一角速度轉(zhuǎn)動，那么外側(cè)側(cè)車輪固定于同一剛性轉(zhuǎn)軸上，以同一角速度轉(zhuǎn)動，那么外側(cè)車輪必然發(fā)生邊滾動邊滑移，而內(nèi)側(cè)車輪卻會邊滾動邊滑轉(zhuǎn)。車輪必然發(fā)生邊滾動邊滑移，而內(nèi)側(cè)車輪卻會邊滾動邊滑轉(zhuǎn)。對于三輪結構，單輪轉(zhuǎn)向，對于三輪結構，單輪轉(zhuǎn)向， 雙輪驅(qū)動的小車在轉(zhuǎn)彎行駛時雙輪驅(qū)動的小車在轉(zhuǎn)彎行駛時的這種附加在純滾動上的滑動，必然使小車的軌跡難于預測和的這種附加在純滾動上的滑動，必然使小車的軌跡難于預測和確定，無法保證運動精度，無法實現(xiàn)命題要求的高

17、可靠、高準確定，無法保證運動精度，無法實現(xiàn)命題要求的高可靠、高準確轉(zhuǎn)向繞樁。確轉(zhuǎn)向繞樁。差速轉(zhuǎn)向原理：車輛在拐彎時差速轉(zhuǎn)向原理：車輛在拐彎時車輪的軌線是圓弧，如果車輛向車輪的軌線是圓弧，如果車輛向左轉(zhuǎn)彎，圓弧的中心點在左側(cè)，左轉(zhuǎn)彎，圓弧的中心點在左側(cè)，在相同的時間里，右側(cè)輪子走的在相同的時間里，右側(cè)輪子走的弧線比左側(cè)輪子長，為了平衡這弧線比左側(cè)輪子長，為了平衡這個差異，就要左邊輪子慢一點，個差異，就要左邊輪子慢一點，右邊輪子快一點，用不同的轉(zhuǎn)速右邊輪子快一點，用不同的轉(zhuǎn)速來彌補距離的差異，這就是轉(zhuǎn)向來彌補距離的差異，這就是轉(zhuǎn)向中的差速。中的差速。考慮到結構簡單，且容易實現(xiàn)，選擇單輪驅(qū)動較多；考

18、慮到結構簡單，且容易實現(xiàn)，選擇單輪驅(qū)動較多；假設采用雙輪驅(qū)動，小車在結構上必須能夠保證允許各假設采用雙輪驅(qū)動，小車在結構上必須能夠保證允許各個驅(qū)動車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，即，實現(xiàn)雙輪轉(zhuǎn)向中的個驅(qū)動車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，即，實現(xiàn)雙輪轉(zhuǎn)向中的差速。為保證驅(qū)動輪能在不中斷動力傳遞的情況下，允許差速。為保證驅(qū)動輪能在不中斷動力傳遞的情況下，允許兩車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，需要將連接兩輪的車軸斷開兩車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動，需要將連接兩輪的車軸斷開，驅(qū)動軸的這種結構被稱為半軸結構。，驅(qū)動軸的這種結構被稱為半軸結構。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠的設計方案。和凸輪差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠的設計方案

19、。和凸輪同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據(jù)同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據(jù)需要來調(diào)整輪子的尺寸。由于加工和裝配的誤差是不可防需要來調(diào)整輪子的尺寸。由于加工和裝配的誤差是不可防止的止的 行走機構即為三個輪子，輪子有厚薄之分，大小行走機構即為三個輪子，輪子有厚薄之分，大小之別，材料之不同，需要綜合考慮。之別，材料之不同，需要綜合考慮。MRf 滾動摩擦阻力：滾動摩擦阻力： 輪子越大，小車受到的阻力越小，因此能夠走的更輪子越大，小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工、材料、安裝問題等等，具體尺寸需要遠。但由于加工、材料、安裝問題等等，具體尺寸需要進一步分

20、析確定。進一步分析確定。 傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構和傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構和驅(qū)動輪上，傳動機構有帶傳動機構、齒輪傳動機構、蝸驅(qū)動輪上，傳動機構有帶傳動機構、齒輪傳動機構、蝸輪蝸桿傳動機構、鏈傳動機構等等。輪蝸桿傳動機構、鏈傳動機構等等。但是注意：為減少效率損失，傳動步驟越少越好但是注意：為減少效率損失，傳動步驟越少越好傳動鏈效率問題，即重塊下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為使小車前傳動鏈效率問題，即重塊下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為使小車前進的動能能量損失最少。進的動能能量損失最少。例如：齒輪傳動效率可高達例如：齒輪傳動效率可高達98，因此可以很好的提高能量，因此可以很好的提高能

21、量利用率。利用率。 選擇以齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動，驅(qū)使選擇以齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動，驅(qū)使小車行駛，使小車行駛的更遠。小車行駛，使小車行駛的更遠。內(nèi)聯(lián)系傳動鏈容易保證傳動鏈與執(zhí)行件之間的嚴格傳動比，內(nèi)聯(lián)系傳動鏈容易保證傳動鏈與執(zhí)行件之間的嚴格傳動比，盡量縮短內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，減少傳動件的個數(shù)，縮小傳動誤差，盡量縮短內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，減少傳動件的個數(shù)，縮小傳動誤差，盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會有效地提高能量利用率。盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會有效地提高能量利用率。實現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向，小車的內(nèi)傳動鏈必須準確，否那實現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向，小車的內(nèi)傳動鏈必須準確，否那么會么會“失之毫厘謬以千

22、里，小車很快脫離預定的軌跡，退失之毫厘謬以千里，小車很快脫離預定的軌跡，退出比賽。必須將滾筒軸的動力輸出用嚴格的定傳動比輸出到出比賽。必須將滾筒軸的動力輸出用嚴格的定傳動比輸出到后輪軸及前輪的轉(zhuǎn)向裝置上，實現(xiàn)后輪的行程與前輪的轉(zhuǎn)向后輪軸及前輪的轉(zhuǎn)向裝置上，實現(xiàn)后輪的行程與前輪的轉(zhuǎn)向相匹配，例如可用齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動相匹配，例如可用齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動。齒輪的設計、加工精度要嚴格保證，各傳動軸及輪軸的材齒輪的設計、加工精度要嚴格保證，各傳動軸及輪軸的材料，應有較高的支承剛度，減少受載后的彎曲變形，在布置料，應有較高的支承剛度，減少受載后的彎曲變形，在布置上也要考

23、慮軸的兩支承跨距盡量要小，軸伸尺寸盡量短，齒上也要考慮軸的兩支承跨距盡量要小，軸伸尺寸盡量短，齒輪盡量靠近支承處，來提高內(nèi)傳動鏈的運動精度。輪盡量靠近支承處，來提高內(nèi)傳動鏈的運動精度。自動轉(zhuǎn)向機構要實現(xiàn)小車順利地繞過障礙物。小車有自動轉(zhuǎn)向機構要實現(xiàn)小車順利地繞過障礙物。小車有三個輪子，后面兩個輪子或一個為驅(qū)動輪，前面一三個輪子，后面兩個輪子或一個為驅(qū)動輪，前面一個為轉(zhuǎn)向輪。后輪在重物的驅(qū)動下繞水平軸不停地轉(zhuǎn)動個為轉(zhuǎn)向輪。后輪在重物的驅(qū)動下繞水平軸不停地轉(zhuǎn)動可以保證小車向前行駛，前輪必須要在繞水平軸轉(zhuǎn)動可以保證小車向前行駛，前輪必須要在繞水平軸轉(zhuǎn)動即實現(xiàn)向前運動的同時周期性地擺動即豎直軸左右即實

24、現(xiàn)向前運動的同時周期性地擺動即豎直軸左右轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的，才能使小車走出預定軌跡轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的，才能使小車走出預定軌跡、繞過障礙物。、繞過障礙物。一個機械產(chǎn)品一般只有一個動力源，所以，轉(zhuǎn)向輪擺一個機械產(chǎn)品一般只有一個動力源，所以，轉(zhuǎn)向輪擺動的能量只能來源于后輪轉(zhuǎn)動的動能。動的能量只能來源于后輪轉(zhuǎn)動的動能。轉(zhuǎn)向要求具體分析轉(zhuǎn)向要求具體分析按照命題要求小車必須具有方向自控功能，繞過直按照命題要求小車必須具有方向自控功能，繞過直線布置的每隔線布置的每隔1米米1個障礙物的要求。小車必須左轉(zhuǎn)、個障礙物的要求。小車必須左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向，在速度一定的前提下，必右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向

25、，在速度一定的前提下，必須要保證小車的運動軌跡曲率是連續(xù)變化的，小車才須要保證小車的運動軌跡曲率是連續(xù)變化的，小車才能平穩(wěn)行駛，否那么，曲率突然改變，小車容易晃動能平穩(wěn)行駛，否那么，曲率突然改變，小車容易晃動甚至傾覆。甚至傾覆。要實現(xiàn)滾筒軸連接的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為前輪轉(zhuǎn)向軸的要實現(xiàn)滾筒軸連接的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為前輪轉(zhuǎn)向軸的水平運動，前輪左右擺幅相同，實現(xiàn)小車前輪的轉(zhuǎn)向水平運動，前輪左右擺幅相同，實現(xiàn)小車前輪的轉(zhuǎn)向問題，要保證傳動的準確。問題，要保證傳動的準確。從滾筒軸的回轉(zhuǎn)運動到控制前輪轉(zhuǎn)向的水平擺動，從滾筒軸的回轉(zhuǎn)運動到控制前輪轉(zhuǎn)向的水平擺動，首先要實現(xiàn)把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動，可首先要實現(xiàn)

26、把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動，可以采用錐齒輪傳動、凸輪機構、摩擦輪傳動、皮帶傳以采用錐齒輪傳動、凸輪機構、摩擦輪傳動、皮帶傳動等傳動機構，在考慮到安裝精度、傳動效率、結構動等傳動機構，在考慮到安裝精度、傳動效率、結構復雜程度以及本錢上下后，選擇相應的機構。復雜程度以及本錢上下后，選擇相應的機構。將連續(xù)轉(zhuǎn)動變?yōu)橹芷谛詳[動，可選擇機構很多，從將連續(xù)轉(zhuǎn)動變?yōu)橹芷谛詳[動，可選擇機構很多，從機械設計的高效率和結構簡單原那么，一般選連桿機機械設計的高效率和結構簡單原那么，一般選連桿機構和凸輪機構。構和凸輪機構。能實現(xiàn)該轉(zhuǎn)向功能的機構有：能實現(xiàn)該轉(zhuǎn)向功能的機構有：凸輪機構凸輪機構+ +搖桿搖桿曲柄搖桿曲

27、柄搖桿差速轉(zhuǎn)彎差速轉(zhuǎn)彎凸輪機構：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，凸輪機構：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期往復運動。運動。優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預優(yōu)點：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難。缺點：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可在本小車設計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠

28、可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低，能量損失大逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低，能量損失大滑動摩擦滑動摩擦 凸輪機構凸輪機構+搖桿搖桿曲柄搖桿曲柄搖桿優(yōu)點優(yōu)點(1) 磨損小，制造方便，易獲得較高精度；磨損小，制造方便，易獲得較高精度； (2) 兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它 不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點缺點(1)一般情況只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡；一般情況只能近似實現(xiàn)給定的運動規(guī)律或運動軌跡； (2)當給定的運動要求較多或較復雜時，需要

29、的構件數(shù)和運當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數(shù)和運 動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降 低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構運動規(guī)律對制低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機構運動規(guī)律對制 造、安裝誤差的敏感性增加；造、安裝誤差的敏感性增加； (3)機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣 性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故 連桿機構常用于速度較低的場合。連桿機構常用于速度較低的場合。 小車轉(zhuǎn)向頻率

30、和傳遞的力不大，機構可以做的比較輕，可小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大，機構可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構并不復雜，利用以忽略慣性力，機構并不復雜，利用MATLAB或其它軟件進或其它軟件進行參數(shù)化設計并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩行參數(shù)化設計并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。擦損耗提高效率。 非常多，而且繁雜。如連桿機構、凸輪機構等。非常多，而且繁雜。如連桿機構、凸輪機構等。注意：命題中是單輪導向，不要拘泥于資料文獻的各注意：命題中是單輪導向，不要拘泥于資料文獻的各種框框，要講究突破思維定勢、小巧靈活。能夠完成種框框，要講究突破思維定勢、小巧靈活。能夠完成單

31、軸擺動或整轉(zhuǎn)即可。單軸擺動或整轉(zhuǎn)即可?？稍谇拜嗇S上增加可在前輪軸上增加1盤軸承，適當保持兩盤軸承的盤軸承，適當保持兩盤軸承的距離，顯著增強了前輪軸的支承剛度，大大提高了距離，顯著增強了前輪軸的支承剛度，大大提高了前輪軸的運動精度，使前輪轉(zhuǎn)向更準確。前輪軸的運動精度，使前輪轉(zhuǎn)向更準確。小車結構簡單、容易加工、能量利用率高，且便小車結構簡單、容易加工、能量利用率高，且便于前輪擺動角度的調(diào)節(jié)。于前輪擺動角度的調(diào)節(jié)。例如，曲柄勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右勻速擺動的曲柄例如，曲柄勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右勻速擺動的曲柄搖桿機構應該是可行的轉(zhuǎn)向機構，小車運行軌跡接搖桿機構應該是可行的轉(zhuǎn)向機構，小車運行軌跡接近正弦曲線，曲率

32、變化連續(xù)。近正弦曲線，曲率變化連續(xù)。微調(diào)可采用螺母式、滑塊式等，如圖微調(diào)可采用螺母式、滑塊式等，如圖無碳小車計算分析無碳小車計算分析尺寸要小尺寸要小零件要少零件要少運行要穩(wěn)運行要穩(wěn)適合調(diào)試適合調(diào)試 在設計方法在設計方法上可以借鑒參數(shù)上可以借鑒參數(shù)化設計化設計 、優(yōu)化設、優(yōu)化設計計 、系統(tǒng)設計等、系統(tǒng)設計等現(xiàn)代設計方法?，F(xiàn)代設計方法。采用采用MATLAB、PROE等軟件進等軟件進行輔助設計。可行輔助設計?？砂慈缦铝鞒淘O計按如下流程設計小車：小車：運動學模型建立運動學模型建立 準確恰當?shù)臄?shù)學模型是實現(xiàn)小車運動研究的關鍵，準確恰當?shù)臄?shù)學模型是實現(xiàn)小車運動研究的關鍵，是進行系統(tǒng)仿真分析設計的根底。建立

33、無碳小車的運是進行系統(tǒng)仿真分析設計的根底。建立無碳小車的運動學模型用來確定無碳小車整體結構和各零件及機構動學模型用來確定無碳小車整體結構和各零件及機構之間的運動學關系。之間的運動學關系。 無碳小車共有三個輪，一個輪轉(zhuǎn)向，兩個輪驅(qū)動無碳小車共有三個輪，一個輪轉(zhuǎn)向，兩個輪驅(qū)動(其中一個輪主動，另一個輪從動其中一個輪主動，另一個輪從動);小車動力的傳動小車動力的傳動結構采用的是大齒輪帶動小齒輪的升速驅(qū)動，目的是結構采用的是大齒輪帶動小齒輪的升速驅(qū)動，目的是盡可能提高小車前進的距離。盡可能提高小車前進的距離。整車設計三維設計模型整車設計三維設計模型 1 1采用三維軟件零件建模：采用三維軟件零件建模：如

34、如SolidWorks SolidWorks 、UGUG、Pro/EPro/E。2 2在三維平臺上將建模所獲在三維平臺上將建模所獲得的零件添加約束關系進行裝得的零件添加約束關系進行裝配獲得無碳小車的裝配模型。配獲得無碳小車的裝配模型。3 3在三維平臺上將無碳小車在三維平臺上將無碳小車的裝配模型實施虛擬仿真。的裝配模型實施虛擬仿真。轉(zhuǎn)向輪設計轉(zhuǎn)向輪設計 驅(qū)動輪設計驅(qū)動輪設計 轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動輪的鏈接轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動輪的鏈接 機械產(chǎn)品方案設計是一個感性的過程，而機構和結構機械產(chǎn)品方案設計是一個感性的過程，而機構和結構參數(shù)確實定以及加工制造便是一個非常理性的過程，必參數(shù)確實定以及加工制造便是一個非常理性的過

35、程，必須通過嚴格的科學計算保證設計方案的可行性和產(chǎn)品的須通過嚴格的科學計算保證設計方案的可行性和產(chǎn)品的功能要求。功能要求。驅(qū)動輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輪擺動的周期存在密切的關系驅(qū)動輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)和轉(zhuǎn)向輪擺動的周期存在密切的關系，它決定著小車是否能夠走預定軌跡，順利繞過障礙物。，它決定著小車是否能夠走預定軌跡，順利繞過障礙物。其中還涉及到轉(zhuǎn)向輪擺動的角度，擺動的角度越大，小車其中還涉及到轉(zhuǎn)向輪擺動的角度，擺動的角度越大，小車的行駛軌跡就越彎曲，反之，越平直。的行駛軌跡就越彎曲，反之，越平直。設計方案具體參數(shù)確實定及結構優(yōu)化設計方案具體參數(shù)確實定及結構優(yōu)化由于小車的軌跡很難用已有的函數(shù)關系來確定，但是從圖

36、由于小車的軌跡很難用已有的函數(shù)關系來確定，但是從圖中我們可以看出小車的軌跡大概是一個正弦曲線，這樣便為中我們可以看出小車的軌跡大概是一個正弦曲線，這樣便為我們計算小車走過的實際軌跡長度提供了計算依據(jù)。我們計算小車走過的實際軌跡長度提供了計算依據(jù)。根據(jù)小車行走示意圖根據(jù)小車行走示意圖, 采用正弦函數(shù)采用正弦函數(shù): Y0.35sinx, 周期周期T2 m 的曲線擬合小車行駛路徑較為合理。求導得到在每個位的曲線擬合小車行駛路徑較為合理。求導得到在每個位置的轉(zhuǎn)角的正切大小置的轉(zhuǎn)角的正切大小: Y0.35cosx, 實驗模擬實驗模擬, 可以得可以得到前輪的最大轉(zhuǎn)角為到前輪的最大轉(zhuǎn)角為36。設計方案具體參

37、數(shù)確實定及結構優(yōu)化設計方案具體參數(shù)確實定及結構優(yōu)化設計方案具體參數(shù)確實定及結構優(yōu)化設計方案具體參數(shù)確實定及結構優(yōu)化此函數(shù)的路徑總長度不好求此函數(shù)的路徑總長度不好求, 因此可以將小車的因此可以將小車的1個周期路個周期路徑用細繩進行擬合徑用細繩進行擬合, 假設得到假設得到1個周期的路徑長度個周期的路徑長度2400mm, 也也就是滾筒軸回轉(zhuǎn)一周就是滾筒軸回轉(zhuǎn)一周, 搖桿要往復擺動一次搖桿要往復擺動一次, 后輪行駛后輪行駛2400 mm, 即即id2400mm。當然，因為軌跡是近似估計的，肯定會存在誤差，但是這當然，因為軌跡是近似估計的，肯定會存在誤差，但是這個誤差并不大，而且我們會通過在實驗中，調(diào)整

38、驅(qū)動輪的直個誤差并不大，而且我們會通過在實驗中，調(diào)整驅(qū)動輪的直徑來減小誤差。所以，這種方法是可行的。徑來減小誤差。所以，這種方法是可行的。確定滾筒軸到后輪軸的傳動比確定滾筒軸到后輪軸的傳動比i 與后輪直徑與后輪直徑d 的關系如下表的關系如下表所示。所示。采用小模數(shù)齒輪采用小模數(shù)齒輪, 增加齒數(shù)增加齒數(shù), 增大齒輪嚙合重合度增大齒輪嚙合重合度, 可提高傳可提高傳動精度動精度, 彌補齒輪制造精度差。因此選擇齒輪模數(shù)為彌補齒輪制造精度差。因此選擇齒輪模數(shù)為1, 大齒輪大齒輪Z1100, 小齒輪小齒輪Z220,中心距為中心距為50 mm。設計方案具體參數(shù)確實定及結構優(yōu)化設計方案具體參數(shù)確實定及結構優(yōu)化

39、曲柄搖桿機構參數(shù)確實定曲柄搖桿機構參數(shù)確實定用曲柄搖桿機構來實現(xiàn)前輪的左右均勻用曲柄搖桿機構來實現(xiàn)前輪的左右均勻擺動擺動,見圖。必須滿足見圖。必須滿足12180的條的條件。按最小傳動角設計行程速比系數(shù)件。按最小傳動角設計行程速比系數(shù)k1(12 180)的曲柄搖桿機構。的曲柄搖桿機構。 根據(jù)的根據(jù)的12 、12 及選定的最小傳動及選定的最小傳動角角min 及及角角, 然后查表及結合以下然后查表及結合以下公式計算各構件相對長度。公式計算各構件相對長度。曲柄搖桿機構參數(shù)確實定曲柄搖桿機構參數(shù)確實定其中:a-曲柄長度; b-連桿長度; c-搖桿長度; d-機架考慮到可調(diào)性, 設置微調(diào)結構, 在搖桿處設

40、置調(diào)長螺桿, 在連桿處使用了長度調(diào)節(jié)螺栓, 使得搖桿、連桿長度的調(diào)節(jié)變得方便、精確, 保證了軌跡的準確。小車的整體高度超過了小車的整體高度超過了400mm，所以應盡可能地降低小車，所以應盡可能地降低小車的車身，從而降低小車的重心，保證小車在行駛過程中的穩(wěn)定的車身，從而降低小車的重心，保證小車在行駛過程中的穩(wěn)定性。并且可以在重塊下落的部位放上海綿、橡膠等物質(zhì)，以減性。并且可以在重塊下落的部位放上海綿、橡膠等物質(zhì)，以減小重塊下落時的沖擊。小重塊下落時的沖擊。對于所有存在轉(zhuǎn)動的部位，均裝上滾動軸承，變滑動為滾動對于所有存在轉(zhuǎn)動的部位，均裝上滾動軸承，變滑動為滾動，減小摩擦，提高能量利用率。，減小摩擦，提高能量利用率。在保證小車的強度和穩(wěn)定的前提下，為減輕小車的總體質(zhì)量在保證小車的強度和穩(wěn)定的前提下，為減輕小車的總體質(zhì)量，考慮對驅(qū)動輪、后輪軸等局部采用輪輻或中空設計；對一些，考慮對驅(qū)動輪、后輪軸等局部采用輪輻或中空設計；對一些非承重結構采用木質(zhì)或塑料等材料制作