自动转向小车设计说明书资料.docx
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自动转向小车设计说明书资料
2010年第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛湖北省预赛
以重力势能驱动的自动转向小车设计说明书
参赛学生：
周亚超、李帅、蔡普
指导教师：
杨秀芝、江金鱼
黄石理工学院
二0一0十二月
前言
2008年６月５日世界环境日的主题是“转变传统观念，推行低碳经济”。
气候变化已经成为至关重要的问题，目前提倡的无碳生活是指用氢氧构成的燃料为人类提供各种能量。
真正达到无碳是不可能的，运输的过程中都是工业产生了碳排放，电器产品用电，电又是煤来发电，换句话只要有生活就有碳。
相对而言的就是低碳生活，指减少二氧化碳的排放,就是低能量、低消耗、低开支的生活。
联合国环境规划署要求各个国家、企业及团体关注如何采取措施，以减少温室气体的排放。
世界环境日将重点关注如何促进建立低碳经济体系和生活方式，如提高能源效率、寻找替代能源、保护森林以及生态友好型消费等。
对社会整体而言，完全“无碳”难以做到，但有意识地减少“碳排放”，生活中有许多小事可以减小碳的排放如：
在夏季，空调调高１度，这样每小时可节约１千瓦的电，相当于减少二氧化碳排放１千克；推广自行车；垃圾分类节省再生资源等等。
社会各行各业也开展了以“绿色环保”，“低碳无碳”为主题的项目研究和竞赛主题。
今年湖北省教委将开展的大学生工程训练的竞赛，目的是促进各高校提高工程实践和工程训练教学改革和教学水平，培养大学生的创新设计意识、绿色环保意识，为优秀人才脱颖而出创造条件。
为了迎接此次竞赛，我小组预参赛项目为“自动转向无碳小车”就是利用纯机械装置,实现了重力势能与动能间的相互转化，并利用简单的机械装置，实现无碳小车的自动转向，该竞赛重点体现“节能、环保、低碳等”主题。
小车的传动机构是利用齿轮和连杆等机构传动来实现运动方向的转换，通过减小摩擦改变传动比增加了小车运动的距离，实现了无碳小车周期性的转向等功能。
我们考虑重物下落的距离为0.5m,利用一个动滑轮使绳长变为1m，利用锥齿轮实现轴和前轮同步转动，锥齿轮传动比为1:
1，直齿轮主要实现放大传动，初步设计直齿轮的传动比为4*2，这样在重物下落半米，小车可以行使远大于半米的距离，再根据后轮直径可以确定理想状况（无摩擦等）下车子行驶的距离，所以一定范围内后轮大较好，走的更远。
驱动轮在连杆滑块机构作用下每行驶大约2米即绕过一个障碍物转向。
本研究要达到的预期目标是：
①设计出具有自主知识产权的重力驱动的具有自动转向功能的小车，将动力势能转化成小车的动能，并且小车按已设计好的传动比实现周期转向。
②利用现有的技术，对其进行改善提高，提高其效率及稳定性③相关研究内容在期刊上发表1~2篇论文。
鉴于水平有限等因素，该产品在设计制造过程中难免存在一些缺陷，敬请各位老师及专家批评指正并提出宝贵的意见！
1.自动转向无碳环保小车结构及工作原理
1.1自动转向无碳环保小车结构特点
无碳小车结构图如图1所示。
图1-1无碳小车示意图
其传动和换向机构如图2所示，其工作原理如下：
重物和小车的驱动轴之间通过绳索连接，当重物下降，运用一个滑轮来使重物竖直的运动传递给水平的驱动轴，滑轮将重物的竖直运动最后转变成了小车的水平运动，实现重力势能的转化，并驱使小车前行。
小车前面的摇杆一端与转动齿轮连接作圆周运动，从而实现整个摇杆的摆动，带动车头部位的换向轮周期换向，其转动的幅度由摇杆与齿轮的连接端到齿轮中心的距离确定。
转向距离可根据障碍物实际间距灵活调节，并可根据相关齿轮传动比精确计算。
1.2自动转向无碳环保小车工作原理
图1-2中主要零部件的作用和相关技术参数：
多对齿轮传动实现运动的换向和改变传动比，以此来实现重物下降速度的控制，使小车走的更远更平稳。
后轮驱动轴上安装锥齿轮主动轮与车轮轴的传动比定为0.25，主动轴下端有一直齿与转向系统的轴啮合，传动比定为2，正好实现小车走2m是一个工作循环。
小车转向机构是由四连杆机构组成的，四连杆机构中的摇杆机构中，连杆（摇杆）与小车转向轮通过铰链相连，车的转向和适当的工作循环。
图1-2无碳小车传动示意图
各传动和换向机构有机的组合安装固定在小车机架上，从而使小车能够达到预期想要的目的，即运用重物下落，转化为小车前行的驱动力，并且能自动的跨过之前放置好具有一定距离的障碍。
本小车的设计首先完成的是能量转变的问题，使重力势能转变成动能，这个问题主要是要考虑到重物的竖直运动转变成了小车的水平运动，设计中选用了一个滑轮来使竖直的运动传递给水平的转动轴，这样重物下降运动转化为小车的水平方向运动。
其次是小车的传动实现，设计中运用的是齿轮传动，把从重物下落的运动能量和形式传递给从动轴和轮子。
结构中运用一对锥齿轮来改变齿轮的转动方向，控制重物下降速度，实现小车平稳运动。
图1-3小车换向机构原理图
再其次就是完成小车的自动换向装置设计。
图3为小车换向机构的原理图，设计中运用了摇杆滑块机构来实现小车运动方向的改变即换向。
机构中把小车转向机构和（一对直齿）传动机构通过铰链连接，使小车能够在走到一定的距离之后就能转向一次。
经计算，小车驱动轮的直径设为80mm，锥齿轮的传动比是0.25、轮子转动一周所走的距离是250mm，及主动轴转动一周从动轮转动4周，也就是轮子转动4周，距离为1000mm及1m。
设计中转向机构在小车每走2m转向1次，所以，连接传动机构和转向机构的两直齿的转动比是2。
2.自动转向无碳环保小车材料选择
本小车的设计要求齿轮轻巧，传动精确、平稳，易于加工，价格低廉，购买换用方便,查阅相关资料,选硬质塑料作为齿轮的选材；
对于轴要求有一定的承载能力且直径小，根据市场的调查首选45钢作为材料；
对于底盘要求自重小并且能够承载一定的重物，具有一定的韧性以防重物落下的时候不至于把小车压毁，查阅资料和经过市场的调查首选硬质塑料；
对于小轮的要求是轻巧且具有一定的摩擦力，能够承受整个车身的重量，在网上自购塑料小轮作为后轮；
对于前轮转向的传动轴的要求是轻便，首选塑料，其次是钢，根据市场调查，和购买方便故选择钢轴；
固定前轮的轴要求刚性好，且固定性能好，首选钢作为材料。
3.导向轮的设计
3.1导向轮运动特点
小车转向机构（导向轮）和传动机构（一对直齿）通过铰链连接，使小车能够在走到一定的距离之后就能转向一次。
经计算，小车驱动轮的直径设为80mm，锥齿轮的传动比是0.25、轮子转动一周所走的距离是250mm，及主动轴转动一周从动轮转动4周，也就是轮子转动4周，距离为1000mm及1m。
设计中转向机构在小车每走2m转向1次，所以，连接传动机构和转向机构的两直齿的转动比是2。
3.2导向轮结构设计
导杆与前轮连接，导向筒靠齿轮与驱动齿轮，传动比3每当后轮轴转动6周，转向齿轮转两周，也就是做一个转向循环。
这样能够保证每当车子向前前进两米前轮转动一次，曲轴的尺寸与导杆的尺寸比保证前轮的最大转度为30°，使其能够安全的避开障碍物。
有个40毫米的轮子安装在导杆的末端致使前轮与导杆一起运动，从而达到转向的要求。
这样的设计,转向可靠、规律,可以达到设计的传动，符合题设要求，故选择上述参数。
4.其他零件的设计
4.1齿轮结构设计及加工过程
齿轮参数设计：
齿轮端面模数1.5，分度圆直径60mm，齿顶高1.5mm，齿根高2mm,全齿高3.5mm，顶隙0.5mm，齿根圆直径56mm,齿顶圆直径63mm,尺宽10mm。
按照此尺寸用激光切割技术加工，材料用有机玻璃PS然后经过后处理，可以减少齿轮间的摩擦，用一对圆柱齿轮改变齿轮传动比，用冠齿改变传递方向，同时改变传动比。
传动齿轮本身尺寸比较小，且使用有机玻璃（亚克力）做的，质量轻，所以可直接做实心。
可以达到设计的传动比要求故选择上述参数。
4.1.2齿轮的加工工艺（激光切割）
板材材质
板材表面质量（如生锈、异物等）切割工艺与下述因素关系紧密：
ö激光模式
ö激光功率
ö焦点位置
ö喷嘴高度
ö喷嘴直径
ö辅助气体
ö辅助气体纯度
ö辅助气体流量
ö辅助气体压力
ö切割速度
ö
与切割相关的各工艺参数如下图所示。
图1切割工艺参数
将设计好的齿轮用proe软件绘好，再在电脑上用Q9将其齿轮轮廓描出，以便激光切割时钻头能沿描好的轮廓线加工有机玻璃亚克力。
材料工艺特点分析：
亚克力具有高透明度，透光率达92％，有"塑胶水晶"之美誉。
且有极佳的耐候性，亚克力有机玻璃尤其应用于室外，居其他塑胶之冠，并兼具良好的表面硬度与光泽，加工可塑性大，可制成各种所需要的形状与产品。
另板材的种类繁多色彩丰富（含半透明的色板），亚克力有机玻璃另一特点是厚板仍能维持高透明度
亚克力有机玻璃可塑性强，强度当度足够达到小车传动要求，激光加工简易。
焦点位置
焦点位置是一个关键参数，应正确调节焦点位置。
焦点位置与切割面的关系
焦点位置
示意图
特征
零焦距
焦点在工件表面
适用于5毫米以下薄碳钢等。
（切断面）
焦点在工件上表面，所以，切割光滑，下表面则不光滑。
喷嘴高度
如图
即为喷嘴高度调节项。
喷嘴高度的调整
喷嘴高度即喷嘴出口与工件表面之间的距离。
此高度设定范围在0.5mm～4.0mm之间,而切割时一般我们会设定在0.7mm～1.2mm ,过低会导致喷嘴易碰撞到工件表面，过高会降低辅助气体的浓度和压力,造成切割质量下降。
打孔时此高度要比切割高度略高，高度设定在3.5mm～4mm,这样有效防止打孔时所产生的飞溅物污染聚焦镜。
图10喷嘴高度
确定适当的切割速度
✧从切割火花判断进给速度可否增快或减慢
1.速度过快
如果切割速度过快，可能造成以下后果。
1可能无法切透，火花乱喷。
2有些区域可以切透，但有些区域无法切透。
3整个断面较粗，但不产生溶渍。
4切割断面呈斜条纹路，且下半部产生溶渍。
图1速度过快
2.进给速度适当
如图，切割面呈现较平稳线条，且下半部无熔渍产生。
图2切割速度正常
3.进给速度太慢
图3切割速度过慢
据上述情况确定适当的进给速度
具体主要加工流程图如下：
Q9描图→导入齿轮轮廓→调节焦点位置与齿轮加工面关系→设定进给速度→执行加工命令→取出齿轮成品
4.1.3齿轮加工过程图及效果图
4.2驱动轮结构设计及加工
按照齿轮传动的设计，大齿轮带动后轴上的齿轮转动一圈，后轮也随之转一圈。
按照这样的想法，后轮越大小车走的越远，但是物力也有极限，后轮太大也会影响齿轮传动。
根据实验效果，齿轮直径定为120mm，整车的负重越大轮子与地面的摩擦越大，所以后轮考虑用辐条支撑，这样可以减轻后轮质量并减小摩擦，齿轮可以更好的传动。
市场上的后轮没有适合的，所以利用了快速成型机制造（附制作视频），轮厚11mm,六根辐条，轮轴孔直径3mm,也是综合轮轴配合及负载得出的。
驱动轮为根据传动需要自购的塑料。
5.总结
本小车主要由两部分构成，齿轮传动及滑块连杆机构，齿轮传动实现能量转换，滑块导杆机构实现小车转向，前轮连接滑块和导杆为转向轮，后两轮与齿轮主轴连接，其优点是齿轮实现传动比的扩大是小车走的更远，滑块导杆结构简单也能实现设计所要求的走曲线，而且所需能量用重力提供，环保，符合时代主题。
整体而言，结构简单，轻便，环保经济，但这也无法避免轮齿摩擦及传动效率所带来的能量损失。
总之，我们很有信心，通过这次设计，我们收获很多，这让我们对机械更加感兴趣，并努力学好它，然后运用到实践中去。
展望未来，我们激情澎湃!
参考文献
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[11]马凤春,石博强,仝令胜,李畅.基于MATLAB工具箱的自行平板车转向机构设计[J].专用汽车,2006,（12）
附件1零件清单
序号
原件名称
数量
1
齿轮
5
2
导杆
1
3
底盘
1
4
轮子
3
5
导线
若干
6
重块
2
7
箱体
1
8
滑轮
2
9
轴
若干
附件2作品外形
徽标的设计说明
本徽标主要由两部分组成，下半部分主要刻录了黄石理工学院和第二届大学生工程训练竞赛，上部分是一个奔跑的人，寓意来自黄石理工的我们在不断的努力，同时徽标的主题颜色为白色，白色有很强的张力，喻示着知识的广袤和学校广阔的发展前景。
我们是来自黄石理工的学生，所以下半部分用了最能代表黄石理工的图样，标志形象来源于“理工”第一个汉语拼音字母“LG”，突出了学校以理工为主的办学特色。
标志造型似是鲲鹏展翅，搏击长空，大展宏图；似是莘莘学子书海泛舟，乘风破浪，扬帆远航；又似春天的嫩芽破土而出充满生机和希望。
形似与神似令人遐想。
图样整体形式简洁明快，线条流畅，既传承了中国的传统文化特征，又体现出较强的时代感和形式美感，也体现出学院的宏毅、务实、求是、创新的精神风貌。
根据本小车结构特点，连杆和齿轮为其主要构件，选择齿轮和连杆为其设计元素组成奔跑的人，挥动着双臂奋力向前，不断努力、不断跟新，尽力做到最好，
同时也象征着我们积极进取的态度，和勇于追逐的精神。
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