工程训练综和能力竞赛方案书Word下载.docx

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一：

任务和要求

1.1命题要求部分

命题主题：

“无碳小车”竞赛命题要求：

1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：

①

小车上面要装载一件外形尺寸为060X20mm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030mm

2给定重力势能为5焦耳＜取g=10m/s2）,竞赛时统一用质量为1Kg的重块＜050X55mm,普通碳钢）铅垂下降来获得，落差500±

2mm,重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动

不允许掉落。

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。

3障碍物放置要求：

每间隔1M,放置一个直径20mm高200mrr的弹性障碍圆棒。

小车结构示意图:

06O*2Om

1xl

§

岛

a

小车运动轨迹示意图:

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第二阶段附加要求：

参赛队，需取下小车原有的转向轮，重新制作小车的转向轮。

转向轮的制作采用根据原设计图纸和竞赛组委会的指定要求，经计算机三维造型后，使用快速成型机制作、车床加工及钳工方法完成，最终完成小车转向轮的组装和调试，总加工时间为4小时左右。

成绩评定：

根据综合工程管理方案、设计方案、加工工艺方案、成本分析方案、小车徽标设计、转向轮加工成本及质量＜是否符合图纸要求）、现场加工质量、小车前行距离及答辩成绩等得分

经加权公式计算最终得分

1.2自我发挥部分

1）小车的前轮＜即转向轮）设计。

单向偏转或实现双向偏转及其转向角度的确定。

2）小车的运行轨道的设计。

根据转向方案，设计出小车路程最少且位移量最大、符合命题要求的预算轨道。

并确定小车的初始释放位置。

3）小车的能量转换方式。

综合考虑到转换与行驶的相对关系，并尽可能的加大能量的利用率。

4）小车的前后轮设计。

前轮尽量简洁，且确保自己能够用三维软件自行作出，后轮设计尽量减少与地面的摩擦。

5）小车的外观设计。

在不影响小车的正常运行下，尽量减少小车自身的重量，并且要考虑到小车的整体外观。

6）成本分析。

在实现小车能够实现基本运行的情况下，充分考虑选材成本和装饰材料的取舍。

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方案设计及论证

2.1转向轮及轨道设计

设计主体思路：

利用转向轮中心轴偏转，

实现小车转向。

本方案中将分校内比赛方案和后期参考放案两种方案，校内方案目标是实现单向偏转，后期参考方案目标是实现近S形路线。

方案一如图1所示＜为轴中心部位的半剖视图），前轮的中轴设计，成一个倾斜的角度。

使其能够实现自行的绕一圆弧运动。

从而实现绕开障碍物运行。

方案二将采用平行连杆实现小车的转向。

且以方案二为主要设计思路。

前轮具体设计及轨道方案：

3＜前轮剖

方案一：

单向偏转设计及其对应的轨道设计。

如图视图）所示。

其轨道设计如图2所示：

前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计，并实现自动成型。

前

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各参数要点经计算得出，具体如下：

＜前轮最大外径初步设为

50mm最大宽度设定为15.625mn）:

轨道参数：

1）.小车宽度要小于200mm

2）.轨道半径为2500mm

3）.行驶初始角度＜相对赛道偏角）为arctan4/3＜约53度）。

前轮参数：

＜参考图4）

1）.小车外轮最大外径50mm最大宽度15.625mm

2）.图4注释制造经过：

①拉伸除料-拉伸深度6.25mm^增加拔模斜度30度。

②过渡-半径为1.25mm③过渡-半径为6.25mm④打孔—通孔—直径18.75mm

3）.中轴孔经打孔—u孔型—小径1.25mm大径1.5625mm通孔。

＜以50mm最大外径，大经比小径宽0.3053mm。

设计小结：

该方案设计中，小车最大有效位移约为4000mm可能还有出界

的扣分。

在初步比赛中，可以先用偏转前轮实现类似的效果，前轮放置如图6所示。

前轮的安放转角与上述计算角度一样。

方案二：

近S形偏转设计及其轨道设计。

轨道设计如图7所

示：

图7

前轮轮廓图如图4和图5所示

50mm最大宽度设定为15.625mm:

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1）.小车宽度不易过宽，设定为180mm

2）.每个旋转弧行驶距离为1000m—1100mm符合小车宽度〉。

转弯角度为arctan1/5＜约11.3度）。

1）.小车外轮最大径50mm最大宽度15.625mm

2）.图4制造过程与注释与方案一类同。

3）.中轴实现过程，选择21形孔，其外径为2.2mm前轮转向的实现方案设计＜初步设计）

a.转向距离设定：

本方案设计中小车动力转变将经过发条盒带动大齿轮，再带动安装在小车后轮上的小齿轮实现小车的驱动＜详见动力系统设计）。

大

齿轮设计时，除了提供小车行驶的能量，还将提供改变方向的能量

如下图8所示，当大齿轮每旋转一周，就改变一次方向，这时初步设定后轮最大外径为60mm.

则后轮每旋转一周行驶距离为：

2*3.14159*30=188.4954mm为实现大齿轮旋转一周至少行驶1000mm的距离，如果定小齿轮旋转的周数为设定为5.3周，则行驶距离为：

188.4954*5.3=999.02562mm.

采用平行连杆，轮流经过大齿轮的凸起处，从而直接带动前轮的中轴，改变其行驶方向。

设计中，将采用前轮中轴平行于平行连杆固定轴。

从而实现连杆固定轴转角与前轮转角一致，如图9,设置连杆固定轴宽度为10mm则大齿轮推动平行连杆的距离仅为1mm故可以实现，且能减少能

6/11量消耗。

设计小结:

该方案设计中，前轮的制造工序简单。

前轮的安装与卸载可能比较繁琐，可以考虑将前轮中轴分段制造，以减少安装与卸载的程序。

实际制造中，转向的具体参数设计需要实际实验才能最终定论。

该方案为本组主要设计方案。

2.2动力系统设计

首先利用发条将重力势能转化成弹性势能，再利用发条能较稳定的能量释放特性，经过齿轮转变带动后轮驱动小车的前进。

理论计算数据：

以网上木材一钢间滚动摩擦系数<

最大）0.04，小车整体重量为2KG能量用5J计算可以得到运行最大距离为6250mm但实际运行中，摩擦系数没有0.04，能量运用率无法达到100%相互抵消与否需要实验数据说明。

小车动力系统图如下图10所示:

如图10所示，重物经过滑轮，与发条相连接，发条轴与大齿轮中心轴相连，大齿轮带动小齿轮实现后轮的驱动。

该过程依能量的转换分为两个阶段，具体如下：

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a.势能转化为弹性势能：

首先，释放重物，由于发条处于反向转动，不影响小车静止。

当重物下落到接近小车上方由于弹性势能的加大，重物速度将会减慢。

此时，借助磁铁的吸引力，将放在底板上的撞针压下，同时固定住重物。

撞针的另一端连接发条的固定针，使发条处于瞬间弹性最大值状态。

b.弹性势能转化为小车动能：

当发条固定针将发条固定，此时，发条开始释放弹性势能，同时带动大齿轮转动，再经过小齿轮带动后轮<

小齿轮中心套在后轮连杆上）。

各参数如下：

1）.物体下落高度为500mm；

2）.重物能够在无磁铁的情况下恰好接触底板，以保证“不使用其他形式的能量”<

“恰好”即速度基本为零，以减少能量的损耗）；

3）.重物接触底板后要保证发条处于恰饱和<

最佳状态）或要饱和状态，确保能量的最大转换。

该方案设计中，对发条的要求较高，但可以较平稳的使用法条中的能量，除去了重物下落的摇摆问题，同时可以实现小车的稳定转向。

2.3小车整体及外观设计（初步设计>

小车底板设计：

小车底板宽度180mm总长度300mm前半部

分采用等腰梯形，上底100mm下底180mn,

高100mm后半部分为矩形设计长为200mm宽度为180mm底板厚度3mm

重物支撑架设计：

采用长度为600mm宽度50mm厚度为3mm中部为空的塑料板，另外重物支撑架两边用两根长度为300mm勺塑料棒支撑。

转向装置设计：

转向连杆统一采用直径1mm的硬质铝棒，中轴采用钢棒。

转向轮位于小车中轴线上，转向轮轴线与前底板相距30mm。

转向轮外径为50mm最大宽度15.625mm

后轮驱动设计：

后轮外径60mm宽度为10mm两轮中轴线离后底板30mm采用嵌入式放置，小齿轮位于两后轮连线中心处。

外观设计：

外观标幅以学校标志为主。

注重不同颜色涂漆勺结

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合使用。

载物放置：

放与小车中前部，使其同时起到平衡小车的作用

2.4最终方案本次方案设计中，分初次比赛用车和后期比赛用车＜如果许可，可以直接用后期设计方案），前后用车主要不同处在于前轮转向及轨道设计，与费用不产生太大影响，但是方案二为我组主要设计方案。

能量系统设计，以经发条实现二次转换为主，但也有备用方案。

备用方案仅做意见保留。

材料及成本分析

3.1小车应用材料种类：

塑料硬质铝磁铁钢柱细线

3.2小车整体材料种类本次方案中主要材料种类如下：

小车底板及重物支撑架：

塑料为主.后轮设计：

塑料为主＜成品设计）。

前轮＜前期）：

硬质铝。

齿轮：

塑料＜成品设计）。

重物下落固定物：

磁铁。

连杆等：

前后轮中轴：

钢。

装饰：

塑料为主。

发条：

买标准品。

3.3

齿发撞

小车整体成本分析＜参考网上报价）塑料板成本：

总共约15元前轮成本：

自己制作后轮成本：

标准品两个10元左右连杆成本：

约3元轮：

小齿轮1元大齿轮2元条：

25元左右针：

0.5元铁：

4-5元

滑轮：

1元左右

总共材料成本约为63元＜不包含工具等其他费用）

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方案总结

本次竞赛命题要求中，以给定的能量设计三轮小车带动给定负载进行避物运行。

本方案设计中，分为前轮转向，动力设计，成本分析三大部分展开设计。

前轮转向设计过程中，首先考虑到的是单向偏转的实现，但与理论最小运行值有较大差距，故考虑转向运行。

其中，平行连杆的设计，从理论上可以实现交替转向。

但前轮的支撑力如果较大，可能会导致能量的消耗，这也是实际要考虑到的问题。

且对整个平行连杆的制作精度要求比较高。

动力系统的设计中，采用的是能量的二次利用，要求第一次能量的转换率要高，故对发条的要求较高。

该设计中，将会消除重物下落的摇摆问题，同时利用撞针设计，启动小车行驶。

成本分析中，没有考虑制作工具的相关成本，如果可以实现底板的一次成型，将会减少工序，增大精度要求。

同时其费用也将加大。

综合成本，暂且不能确定。

该方案中，没有就小车的整体外观设计给出具体设计，将在小车轮廓设计完毕后进行整体外观设计＜暂时无法用三维制作软件做出整体构架）。

完成于2018/10/10

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