无炭小车详细的设计方案.docx
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无炭小车详细的设计方案
方案目录
一:
任务和要求………………………………………………………2
1.1命题要求部分………………………………………………2
1.2自我发挥部分………………………………………………3
二:
方案设计及论证…………………………………………………4
2.1转向轮及轨道设计…………………………………………4
2.2动力系统设计………………………………………………7
2.3小车整体及外观设计………………………………………8
2.4最终方案……………………………………………………8
三:
材料及成本分析………………………………………………9
3.1小车整体材料种类…………………………………………9
3.2小车各部位材料选择………………………………………9
3.3小车整体成本分析…………………………………………9
四:
方案总结………………………………………………………10
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¢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。
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(¢50×65mm,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1米,放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒。
小车结构示意图:
小车运动轨迹示意图:
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。
二:
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。
图1
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:
方案一:
单向偏转设计及其对应的轨道设计。
如图3(前轮剖视图)所示。
其轨道设计如图2所示:
图3
图2
前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计,并实现自动成型。
前轮轮廓图如图4和图5:
图5
图4
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15.625mm):
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1.25mm。
③过渡→半径为6.25mm。
④打孔→通孔→直径18.75mm。
3).中轴孔经打孔→
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:
图6
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
前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计,并实现自动成型。
前轮轮廓图如图4和图5所示
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15.625mm):
轨道参数:
1).小车宽度不易过宽,设定为180mm。
2).每个旋转弧行驶距离为1000mm—1100mm(符合小车宽度)。
转弯角度为arctan1/5(约11.3度)。
前轮参数:
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
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.
所以可以设定大齿轮与小齿轮的齿数比53:
10。
b.转向结构设计:
如图8。
图8
图9
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
设计主体思路:
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—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:
图10
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:
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。
设计小结:
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180mm,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的塑料棒支撑。
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。
注重不同颜色涂漆的结合使用。
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。
三:
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:
硬质铝。
前后轮中轴:
钢。
装饰:
塑料为主。
发条:
买标准品。
3.3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
齿轮:
小齿轮1元大齿轮2元
发条:
25元左右
撞针:
0.5元
磁铁:
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)。
四:
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2010/10/10