S型无碳小车说明.docx

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S型无碳小车说明

S型无碳小车说明书

学校：

南华大学

学院：

机械工程学院

班级：

机械1507班

指导老师：

刘军

一绪论

1.1设计制作说明

s型无碳小车是“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。

设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。

给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），比赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。

图1为小车示意图。

竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。

障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。

见图2。

1.2小车整体设计要求

无碳小车体现了大学生的创新能力，制作加工能力，解决问题的能力。

并在设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小车具有下列要求：

1.要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。

2.要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

3.要求小车为三轮结构，其中一轮为转向轮，另外二轮为行进轮，允许二行进轮中的一轮为从动轮。

具体设计，材料选用及加工制作均由学生自主完成。

4.小车有效的绕障方法为：

小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒（擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过）；重复上述动作，直至小车停止。

1.3设计制作要求

1.各组按本命题的要求，利用学院现有加工设备，自主设计，独立制作出一台S型无碳小车。

2.各组需要提交关于作品的设计说明书，加工工艺方案，数控编程方案及NC程序和创业企划书。

1.4小车的设计方法

首先，小车的设计一定要做到目标明确，作品的设计需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 、制造成本等方面因素。

其次，为了降低小车的能量损耗，我们设计的小车主要利用齿轮传动，因为齿轮的能量利用率达到95%，最后，做到控制调节路径的功能，由于齿轮便于安装等特点，所以也能运用齿轮传动达到目的。

二方案设计

2.1路径的选择

因为竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。

障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。

为了在通过障碍物时，行进的距离更短，设计了如图3的路径。

即以摆线的方法通过障碍物，然后以相切的直线到达下一障碍物，我们的路径是圆弧和直线的结合。

2.2自动转向装置

为了能更好的让小车在预计的轨道上行驶，小车的自动转向需要考虑到前轮的自动转向和后轮的差速转向。

所以我们设计了自动转向装置和差速转向装置。

2.2.1前轮转向装置

通过重物的下落，带动齿轮轴的旋转，利用齿轮轴的旋转，实现前轮的转向。

并在齿轮轴上安装齿轮，考虑到加工和经济效益的原因，为了能实现较大的传动比，需在齿轮的带动下加入一个定轴齿轮系。

在定轴轮系中，其中的一个齿轮和一连接杆铰接在一起，连接杆在铰接上一根直角杆，直角杆放置在水平滑槽中，组成组成水平滑动装置，实现杆在水平方向上的来回摆动。

直角杆的另一端固定在前轮上，这样随着随着直角杆的来回摆动就可以实现前轮的转动。

前轮转向示意图如图四。

其实，前轮转向装置分为两部分，一部分为齿轮的传动达到一定的传动比，令一部分为齿轮所带动的水平滑动机构。

图四：

前轮转向示意图1

图五：

前轮转向示意图2

2.2.2小结

不管是前轮的转动，还是差速转向，单独来看都可以满足预期的轨迹。

但是，为了减少能量的损耗，轨迹的精确性，我们把两个机构都加入了小车中。

诚然，差速转向对机构的精度要求很高，这就使转向装置的零件加工费用增加，但是加入了前轮转向装置后，就减小了对转向装置的精度。

考虑到两个机构的组合会使能量损耗增加，但我们利用的都是齿轮传动，能量损耗率很小，前轮主要负责转向，后轮主要负责驱动，相互影响也很小。

综上所述，我们加入了前轮转向和差速转向。

2.3能量转换装置

为了能让小车行进的更远，怎么将一定的总能量尽可能以高利用率的形式转换是非常重要的问题。

 为了减少能量的损耗，我们利用定滑轮，在下落过程中带动齿轮轴转动，从而使整个小车前进。

易知，下落过程中，轮子所带动轴半径的不同会导致轴转动的速度不同。

太小的半径提供的力偶距太小而导致小车禁止不懂，太大的半径会使重物掉落的加速度太大而增加能量的损耗，理想的状态时重物匀速下落，这要就可以使小车前进的路程达到最大。

三转向机构分析

转向机构是由摆动从动件圆柱凸轮机构和摆动导杆机构组成。

3.1摆动从动件圆柱凸轮机构的分析

图1所示是典型的摆动从动件圆柱凸轮机构。

摆动从动件圆柱凸轮机构的设计采用解析。

解析法是摆动从动件圆柱凸轮机构设计的有效方法，它的数学模型是建立在摆动从动件的滚子中心相对于圆柱凸轮运动的轨迹在同圆柱面的基础上，如图2所示，滚子中心B始终在直径为D＇的阻l柱面上。

很显然，这对于摆动从动件来说是不符合实际情况的。

图3所示是摆动从动件的运动简图，滚子中心B的运动轨迹是B1CB2DB3，当摆动从动件摆动时，滚子中心B符合图2所示的位置只有C、D两个位置点，

A

图3摆动从动件运动图4实际的摆动从动件

简图圆柱凸轮机构

其余位置点都不在D＇圆柱面上，而在如图4所示的位置上。

所以说，解析法本身也是一种近似的设计方法。

但我们可以在设计过程中尽最减少由此引起的误差，满足运动精度的要求。

3.1.1摆动从动件圆柱凸轮机构中心距a的确定

摆动从动件圆柱凸轮机构的中心距不但要受机构中的空间位置限制，而且还与摆动从动件的运动特点有关。

图5是简化了的滚子摆动从动件圆柱凸轮机构，摆动从动件轴线A与圆柱凸轮轴线OO间的最短距离就是摆动从动件圆柱凸轮机构的中心中心距a,AB1和AB3是摆动从动件的两个极限位置，AB2是摆从动件的中间位置，为了使滚子中心B的轨迹尽量与同一个圆柱面接近，取B1B3//00,CD=DB2,

由模型尺寸，a=29，βm=12°（从模型测得）可得，摆动从动件的长度L约等于29.1。

3.1.2摆动从动件运动规律的选择

用解忻法设计圆柱凸轮廓线，首先需要建立摆动从动件运动规律的解析式：

摆动从动件运动规律的选择是设计摆动从动件圆柱凸轮机向构的重要环节，摆动从动件的运动规律影响着整个凸轮机构的冲击、噪声、磨损、振动以及一般性能。

运动规律有很多，使用中选用哪种运动规律最合适，要根据摆动从动件圆柱凸轮机构在机械中的工作性质，从动件的运动和动力特性，制造和装配工艺亨因素综合考虑选取。

选择摆动从动件运动规律的一般原则：

1.仅需从动件实现一定的摆角，而对于行程中的运动规律并无严格要求时常选用便于加工的简单几何曲线（如圆弧、圆弧直线）作为圆柱凸轮轮廓线。

2.对摆动从动件的摆角规律有严格要求的，应首先满足摆角的要求，然后考虑角速度和角加速问题。

3.对高转速圆柱凸轮机构的摆动从动件的运动规律，主要考虑从动件的动力特性，力求避免过大的惯性力。

因为无碳小车转角对摆角规律不太严格要求，仅需实现一定的摆角即可，因此选择圆弧直线作为圆柱凸轮的轮廓线。

另外需强调，虽然无碳小车转角对摆角规律要求不太严格，但一旦选择了一种凸轮轮廓线，就必须有一定的精度保证。

才能确保无碳小车的行驶轨迹无偏差。

这里的圆弧直线是平面与圆柱的交线，即为凸轮的理论轮廓线，易得理论轮廓线的方程

（3）

式中：

y为凸轮推程

D为凸轮中径，

α为平面与轴线的夹角

θ为传动轴转角

于是摆动从动件圆柱凸轮机构可展开为下图，可以近似求解出摆动从动件摆角β。

摆动从动件圆柱凸轮机构平面展开图

摆动从动件运动规律的解析式：

（4）

此处的由转动轴转角

得到摆动从动件的摆角

，摆角

作为输入量，输入到摆动导杆机构，摆动从动件和摆动导杆机构中的杆1在模型中是同一个杆件。

3.2摆动导杆机构的分析

在如图所示的摆动导杆机构中，原动件l作整周匀速转动，从动件3只能作左右摆动，滑块2随原动件l一起转动的同时还沿着导杆3移动。

已知各构件的长度和原动件l的角速度ω。

以复数矢量法为理论基础,将摆动导杆机构看成一封闭矢量多边形，用复数形式表示该机构的封闭矢量方程式，再将矢量方程式分别对所建立的直角坐标系xAy取投影。

由封闭多边形ABC可写出机构各杆所构成的封闭矢量方程：

、

上式的实部和虚部分别相等，可得

（7）

由上式可得B点相对于C点的位移|BC|以及导杆3的角位移θ

分别为

（8）

上述分析机构各杆件分别与模型相对应进行计算，只不过由于模型中杆1比较，因此只能做非匀速的摇摆运动。

四小车运行分析

4.1运动学分析

采用微元法分析，在砝码下落极小的高度

内，由式（1-3）的左轮（内侧轮）绝对位移为

（10）

由图6中的几何关系得轨迹半径为

（11）

图中点O’即为曲率圆心，同时也为瞬心，故右轮（外侧轮）绝对位移为

（12）

将上式代入

并积分得

（13）

式中

。

4.2车轮的运动方程

由

得左轮的运动方程为

（14）

其中

当小车运行在左半周期时，左轮转变为外侧轮，其绝对位移ds=ds’，同理可得小车运行在左半周期时左轮的运动方程为

（15）

式中

有几何关系可得右轮的轨迹方程为

（16）

前轮的轨方程为

（17）

5运动方式讲解

运动方式为：

首先通过砝码自身的重力，垂直如下：

砝码带着绕线绳运动之后线绳带动绕线轴。

同时绕线轴联动整个凸轮机构。

凸轮的转动。

直接与前面的顶针进行相互移动。

此时因为顶针通过凸轮进行移动，直接顶针会通过中间的旋转轴。

进行往复运动，（轴内轴承确保运动的稳定性）

这个机构为微调机构，整个转向机构可以通过这个螺杆来控制前面的转向臂，来控制旋转的角度。

最后这个控制旋转的。

转向臂直接与前轮的轴承相互链接。

直接完成前轮转动。

注：

需要注意的问题就是S型小车发车时候有一个角度控制问题。

并不是水平于发车点，发车的角度要随着你第一次测试的时候的最后的方向来确定。

发车时候的角度及摆放形式。

所以说，如果发现角度不对或大或小都需要用微调机构来进行微调设置即可。

六评价分析

6.1小车优缺点

优点：

（1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少。

（2）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。

（3）采用磁阻尼，小车稳定性提高，不致使车速过快。

缺点：

 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，避障稳定性差，时而偏左，时而偏右。

5.2 改进方向

首先，对于路径的选择，我们就可以改进，选择更好的路径。

对选择路径的要求就是使小车的转角适中，在一个周期中行进的距离不能太长，在过弯时，圆半径不能尽可能的大，使过弯时小车更安全。

这其实是一个求最优解的过程，可以通过LINGO软件进行编程，最后得到一组最优解。

而我们是比较主观的选择了半径和车宽。

因为我们算出几个值后，发现条件基本符合。

接着,可以利用微调装置.在实际中,由于加工精度的原因，使小车的零件达不到要求，行进出来的路径与预期路径相差很大，差速转向装置是齿轮通过啮合带动的，误差不会太大，且稳定性较高。

而前轮转向装置中，是受杆的带动，受到杆长和外界的影响较大，而前轮转向装置对小车行进产生了巨大的影响。

所以需要缴入微调装置调节微调杆长，调节杆长后于预期的轨道重合。

 其次，对于圆锥筒来说，我们所设计的圆锥筒的半径变化是主观的，由于不知道整个小车的重量而没有确定小车前进所需要的最小力矩。

而当我们做出了小车以后，知道了整个小车的质量，就可以确定车前进所需要的最小力矩，从而确定圆锥筒的半径变化范围。

最后，小车的调节比较繁琐，不方便，如果加入了可调节式齿轮机构的话，就可以很好的应用于很多种路况，而不是通过固定的相同距离的障碍物。

小车最大的缺点是精度要求非常高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。