“8”字形无碳小车设计

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1、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

2、定重力势能（4焦耳）转换得到。动力载荷按要求(Φ50×65mm,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：

3、①小车上面要装载一件外形尺寸为60×20mm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。②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

4、，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

5、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。图一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：定滑轮支架动力轴绕线轴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结构图图二2.2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

6、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

7、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。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

8、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