无碳小车说明指导书.doc

目 录

1 引言 1
1.1 小车功效设计要求 1
1.2 小车设计思绪 1
2 设计方案 2
2.1 底板 3
2.2 原动机构 4
2.3 传动机构 4
2.4 转向机构 5
2.5 行走机构 6
2.6 调整机构 6
3 技术设计 7
3.1 功效关系及驱动力矩分析 7
3.2 小车轨迹计算 8
3.3无急回特征曲柄摇杆机构分析 9
3.4相关参数确定 10
4 小车调试及性能评定 11
5 小车改善方法及评价分析 12
5.1 小车改善方法 13
5.2 小车优点 13
5.3 小车缺点 12
6 部分装配图 13
7 结论 15
致谢语 15
参考文件 16
附图

1 引言

1.1小车功效设计要求
给定一重力势能，依据能量转换原理，设计一个可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm弹性障碍圆棒）。以小车前行距离远近、和避开障碍多少来综合评定成绩。
给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg重块铅垂下降来取得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不许可掉落。
要求小车前行过程中完成全部动作所需能量均由此能量转换取得，不可使用任何其它能量形式。
1.2小车设计思绪
小车设计一定要做到目标明确，经过对命题分析我们得到了比较清楚开阔设计思绪。作品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 、制造成本等给方面原因。
小车设计是提升小车性能关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法。采取了Inventor、UG、CAD等软件辅助设计。下面是我们设计小车步骤（图1）

图1

2设计方案
经过对小车功效分析小车需要完成重力势能转换、驱动本身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里依据小车所要完成功效将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构）。为了得到令人满意方案，采取扩展性思维设计每一个模块，寻求多个可行方案和构思。下面为我们设计图框（图2）
图2

在选择方案时应综合考虑功效、材料、加工、制造成本等各方面原因，同时尽可能避免直接决议，降低决议时主观原因，使得选择方案能够综合最优。图3

图3

2.1 底板
底板作为小车关键支撑部分，承受着整车和重物重量，而且因为初始时重物较高，造成整车重心较高。所以要求车架要含有较大强度、重心较低，而且便于零件安装。我们经过考虑到上述要求外，还考虑到整车重量和加工成本等原因，最终采取整体底板，直接经过加工中心在铝板上进行加工。

2.2原动机构
原动机构工作原理，重物块下降势能经过定滑轮传输给绕线轴，绕线轴上齿轮和传动机构齿轮啮合，推进整车前进。绕线轴设计为梯形状，图4所表示：

1、小齿轮2、驱动轮3、大齿轮4、绕线轴5、重物6、定滑轮
图4 原动机构简图

依据梯形原理，将绕线轴做成梯形以满足：
1． 在起始时原动轮转动半径较大，起动转矩大，有利起动。
2． 起动后，绕线轴半径变小，转速提升，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，绕线轴半径再次变小，绳子拉力不足以使原动轮匀速转动，不过因为物块惯性，仍会减速下降，原动轮半径变小，总转速比提升，小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，恰好接触小车底盘
2.3 传动机构
传动机构功效是把动力和运动传输到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶更远及按设计轨道正确地行驶，传动机构必需传输效率高、传动稳定、结构简单、重量轻等。
首先，在设计中考虑了齿轮和带轮两种方法。带轮含有结构简单、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，所以带轮传动不适合本本小车设计。而齿轮含有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定特点，而且齿轮价格适中。
所以综合实用性、经济性、可靠性等内容，最终选择齿轮传动。图5

1、 重物 2、连杆3、承重轮4、曲柄5、绕线轮6、大齿轮7、驱动轮 8、小齿轮 9、导向轮10、摇杆11、定滑轮
图5小车传动机构简图

2.4 转向机构
转向机构是本小车设计关键部分，直接决定着小车功效。转向机构也一样需要含有尽可能降低摩擦耗能，结构简单，零部件易加工等基础条件。同时还需要有特殊运动特征，能够将旋转运动转化为满足要求往返摆动，带动转向轮左右转动从而实现走固定“8”字路线功效。能实现该功效机构有：曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、不完全齿齿轮+曲柄摇杆机构、槽轮机构+摇杆等等。在综合多种方案，从经济性，实用性、正确性等各方面考虑，我们曲柄摇杆传动结构，图6所表示。

1、重物2、连杆3、曲柄4、绕线轮、5、定滑轮6、摇杆7、导向轮
图6 小车转向机构简图
转向机构采取空间曲柄摇杆机构。绕线轴还直接和曲柄相连带动曲柄旋转，曲柄再经过连杆（连杆两端运动副为球铰）带动摇杆前后摆动，因为前轮和摇杆固连为一体，小车前进时，前轮左右摆动就可实现周期性“8”字绕桩，以这类推，小车不停地反复“8”字，进行运动。图7所表示：

图7 小车转向轨迹示意图
2.5行走机构
行走机构即为三个轮子，经过对比有机玻璃、铝板、铝塑板制作轮子，有机玻璃强度、硬度适中，价格合理，重量轻，不过长时间承载重物车轮会发生变形而且加工过程中会产生大量热会然材料发生加工变形，不利于控制加工精度；摩擦力太大，车子行驶过程中会消耗很多能量。铝板有良好加工性能，和适合硬度，因为小车最终在乒乓球台上运行，需要合适摩擦力，合适硬度。所以选择6061铝板来加工轮子。
小车在转弯时候，为了避免两个轮子转速不一样而产生纯滚动现象，所以需要处理小车转弯时差速问题，所以需要添加差速驱动装置，能够经过差速器、单向轴承或单轮驱动来实现差速。
（1）差速器包含到最小能耗原理，结构较复杂，多齿轮进行啮合，精度要求较高，所以不适合小车设计。
（2）单向轴承使其中速度较大轮子成为从动轮，速度较慢轮子成为主动轮，这么交替变换着实现差速，但因为单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差造成运动不正确。
（3）单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，另一个为从动轮（承重轮）。从动轮和驱动轮间差速依靠和地面运动约束确定。其效率比利用差速器高，传动精度比利用单向轴承高，但前进速度不如差速器稳定。
综合考虑到装配、制作、结构性等方面问题，择优选择采取单轮驱动来处理差速问题。

2.6 调整机构
调整机构在小车设计中是相当关键机构，能够满足小车在不一样场地和不一样情况下实现走8字路线。其次，前面确定了转向采取空间曲柄摇杆方案，因为曲柄摇杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，所以就必需加上调整机构，对误差进行修正。
微调机构用来调整装配误差和使小车运动轨迹愈加正确稳定，设计小车调整装置分为粗调和微调两个部分，其中粗调机构能够实现较大转弯幅度调整。
在微调机构中我们设计是放大微调机构，放大微调机构采取杠杆原理。其功效是在进行微量调整时，在长杠杆一侧调整一个较大刻度值，而在和摇杆相连杠杆另一端就会得到一个较小值。这么就会确保微调正确度从而使小车运动轨迹愈加正确。调整装置图8所表示：

曲柄微调螺栓
摇杆长度调整

图8曲柄摇杆机构调整示意图

3技术设计

3.1功效关系及驱动力分析
经过对小车功效分析小车需要完成重力势能转换、驱动本身行走。设为重物质量，为重物下落距离，为绕线轴半径，为小车受到摩擦力，为小车驱动轮半径，为原动齿轮和驱动齿轮传动比，为小车原动力矩，为小车受到驱动力矩,为小车前进距离。

由能量守恒定律得：

由此可得小车运动距离

克服运行阻力：（图9受力分析）
车体运行阻力包含惯性阻力和静阻力
惯性阻力（N）=P0 × a (小车开启加速度)
静阻力通常包含基础阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流阻力等
基础阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；w 运行阻力系数，试验得出经验数据，约0.01。
F0 ＞ P0 (a+ g w )
地面对小车摩擦阻力Ff ，
Ff = P0 g × f（摩擦系数）
不打滑条件
F0 ＜ Ff = P0 g × f

图9 驱动轮受力分析

结论：为了增大小车行走距离，为了避免能量损失不打滑，在确保能够驱动小车行走前提下， F0 越小越好。合适提升机械传动效率，简化无碳小车机构设计能够有效使小车行驶距离变远。
3.2小车轨迹计算
驱动轮半径齿轮传动比 驱动轮A和转向轮横向偏距驱动轮B和转向轮横向偏距 驱动轴（轴2）和转向轮中心距离 曲柄轴（轴1）和转向轮中心距离曲柄旋转半径摇杆长 连杆长轴绳轮半径
a、驱动：
当重物下降时，驱动轴（轴2）转过角度为，则有

则曲柄轴（轴1）转过角度

小车移动距离为（以A轮为参考）

b、转向：
当转向杆和驱动轴间夹角为时，曲柄转过角度为
则和满足以下关：

解上述方程可得和函数关系式

c、小车行走轨迹
只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，图：
则小车转弯曲率半径为

小车行走过程中，小车整体转过角度

当小车转过角度为时，有

3.3无急回特征曲柄摇杆机构计算
用 行 程 速 度 变 化 系 数 K 表 示 机 构 急 回 特 性 程 度

压力角和传动角选定
在曲柄摇杆机构运转时，传动角是改变，为了确保机构正常工作，必需算出最小传动角。如（图10）

图10 连杆机构压力角和传动角

结论：转向机构力不需要太大功率，为了愈加好增大摆角，让小车转弯轨迹饱满，所以合适增大压力角。

a曲柄长度b连杆长度c摇杆长度d机架长度
依据已知摆角，最小传动角，依据查表计算出各构件相对长度a：24mm b：195mm c：40mm d：196mm

3.4参数确定（具体尺寸见附图）
曲柄长：24mm连杆：195mm摇杆：40mm机架：196mm；总传动比：6 驱动轮直径：150mm

表一 齿轮设计参数
齿轮名称
材质
模数
齿数
分度圆直径
内孔直径
厚度
齿轮1
6061铝
0.5
120
60
6mm
5mm
齿轮2
黄铜
0.5
20
10
5mm
5mm

4 小车调试及性能评定

小车在制作过程中，因为加工精度和装配精度影响，计算理论数据和实际数据之间存在较大差距，所以小车调试在小车运行中起着关键作用。小车调试包含：小车初始位置、车速快慢、小车平稳性、小车前进距离、小车转向幅度等等。
（1）小车整体稳定性调试：经过小车在指定平地上行走，经过数次试验，发觉小车在后半段，速度增大会造成小车在转弯时因为离心力过大，小车出现倾翻现象。更正方法：第二次设计小车时将底盘加宽，重心降低。
（2）小车速度调试：经过小车在指定平地上行走，经过数次试验，发觉小车在后半段，速度增大转向不稳。更正方法：将绕线轴车小了2mm，降低了速度、减小过大驱动力，同时也增大了小车前进距离。假如设备许可、而且精度能够达成要求，确保小车正常驱动情况下，能够尽可能将绕线轴车越细越好。

（3）小车运行轨迹调试：经过小车在指定平地上行走，经过数次试验发觉，小车右转角过大，左转角小，这么造成：a)、小车转“8”字幅度太大；b)、小车在行走多个周期后出现转向偏差。纠正方法：调整了摇杆长度，使左右转向时摇杆带动转向轮转过相同角度。
（4）小车绕“8”字不一样中心距运动时调试：经过调整粗调和微调机构使小车能够绕过不一样中心距“8”字。经过数次试验统计数据，总结规律。在不一样中心距“8”字下运行统计调整位置，并做好标识。
这次“8”字形小车设计符合毕业设计初衷要求, 经过安排进度, 进行了创新性小车设计，探讨了提升小车运行圈数方法，处理了小车运行运动换向机构驱动及周期性转向等关键性问题, 提升了小车运行精度, 确定了小车结构参数及总体方案，本小车结构合理, 操作简单, 运行轨迹符合设计要求,经计算，小车运行总长度为L：

式中：L为小车运行总长度，i为齿轮传动比，D为驱动轮直径，为重物到地面距离。
小车理论上走过8字圈数为：

式中：l为校车运行一个圆周长，R为小车绕8字时半径。

这里，总传动比i=6，驱动轮直径D=150mm，小车运动轨迹半径R=200mm，驱动轴b=8mm，代入公式求得小车运行总长度为：

小车运行“8”字时，运行圈数为：

5 小车改善方法及评价分析

5.1 小车改善方法
（1）小车尺寸设计偏大，在开启时轻易将障碍物撞到，改善小车结构设计，比如把整个车尺寸按百分比缩小，这是可能会发生小车中心偏高，能够考虑为小车加上配重。
（2）空间四杆机构对加工精度要求很高，能够经过曲柄加上刻度，然后进行调整。
（3）理论计算多种参数得出轨迹和实际运行轨迹存在较大差距，所以应该在调试时，增多试验次数，根据控制变量法对参数进行逐一修改，在原有设计尺寸上依据场地进行合适修改。

5.2 小车优点
（1） 充足参考动力学原理、机械原理、机械设计等对小车进行设计，使小车整体布局愈加合理，能量转化效率大大提升。
（2） 结构简单、制造方便。
（3）设计、制作了放大微调机构，使微调愈加正确。
（4）采取了单轮驱动替换差速器。多齿轮啮合组成差速器因为自己制作齿轮精度不高，所以差速器存在较大摩擦系数、啮合度不高。而单轮驱动摩擦系数较小，而且能够试想差速恰好处理了这一问题。
（5）采取了大驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。

5.3 小车缺点
（1）小车精度要求高，使得加工零件成本高，和微调各个机构全部很费时，稳定性较差。
（2）摩擦力较大，传动耗能太多。
（3）小车开启位置设计不合理，在开启时轻易撞竿。

6 部分装配图（具体见附图）

驱动轮
绕线轮
承重轮
连杆
摇杆

曲柄长度刻度

曲柄

曲柄长度微调螺钉

驱动轮安装座

摇杆安装孔，高度可调整

前叉

导向轮

7 结论
经过这次毕业设计，在准备过程和方案设计过中我全部学到和感受到了很多东西，了解了很多机械设计和机械传动等相关知识。创新是最关键，经过查看之前工程综合训练竞赛作品，其实无碳小车很多东西全部是一样，已经是最优选择了。比如：绕线轴梯形设计、车盘三角形设计等，这些已存在最优方案，能够在参数及外形上依据本身设计需求，稍作调整即可。我需要是在关键部位进行创新，发挥想象，愈加好地达成设计需求。比如：在小车差速问题、小车转向问题和小车微调机构等关键部分上进行创新，做到和众不一样。
经过“8”字形小车设计我愈加了解了机械原理，工程实践意义，更深刻地体会到书本学习和实际操作不一样和联络，也让我明白了将理论学习和实践相结合关键性。而且，在这次毕业设计中，了解并熟悉了对一项方案从头到尾设计步骤，增强了自己在创新设计方面能力。同时也提升了自己综合实践创新和实际操作动手能力。
经过近三个月毕业设计，由资料搜集、方案选择比较和论证，到设计和分析计算，再到图纸绘制和毕业设计论文撰写等各个步骤，我对大学四年本科阶段知识有了一个整体深层次了解，有了一个系统认识和利用，同时对设计了解愈加深刻和正确。
毕业设计即使达成了预期目标，不过因为经验知识水平局限，设计难免有不到之处。

致谢语

为期一学期毕业设计结束了，回想选题时充满迷茫，不知从何下手，从搜集资料、择优方案、设计制作、调试和初稿到反复修正期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，设计过程中心情是如此复杂。现在，伴伴随毕业设计最终成稿，心中充满了喜悦，毕竟是自己点点滴滴制作完成。在此，我要感谢母校为我提供了良好学习环境，使我能够在此用心学习，陶冶情操。同时我还要衷心感谢学院领导对我们实物制作大力支持，尤其是金工实习中心师傅指导，最终尤其要感谢是我导师钱利霞老师，从开始设计方案选择、实物制作和在论文设计和措辞等方面宋老师一直认真负责地给我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思绪，精心点拨、热忱激励。
另外，我必需感谢我父母。养育之恩，无以回报。作为她们孩子，我秉承了她们朴实、坚韧性格，也所以我有足够信心和能力战胜前进路上艰苦险阻；也因为她们日夜辛劳，我才有机会如愿完成自己大学学业，进而取得深入发展机会。
我要感谢我同学、好友，在我设计之初，我们经过交流探讨同学们给了我很大启发，同时我们在一起保持了良好学习气氛。在设计完成后对我论文提出了很多宝贵意见和提议。对同学和好友帮助表示真挚感谢。
感谢你们，正是你们帮助，我才能得以顺利完成该论文。谢谢！

参考文件

[1] 大连理工大学工程图学教研室. 机械制图. 第六版. 北京. 高等教育出版社. .
[2] 杨可桢,温光蕴,李仲生著. 机械设计基础[M]. 北京：高等教育出版社, .
[3] 陈培里著. 工程材料及热加工[M]. 北京： 高等教育出版社, .
[4] 刘鸿文著. 材料力学. 第四版[M]. 北京： 高等教育出版社, .
[5] 甘永立著. 几何量公差和检测. 第八版[M]. 上海： 上海科学技术出版社, .
[6] 陈劲著. 轮式车辆差速转向分析及应用[J]. 四川兵工学报, . 29(6).
[7] 张茂著. 机械制造技术基础[M]. 北京： 机械工业出版社,
[8] 范钦珊著. 工程力学. 第2版. 北京： 高等教育出版社,.
[9] 国斌,贺红林.按行程速比系数设计曲柄摇杆机构一个新解析设计法[J].机械设计和制造, (2): 91-92.
[10] 程友联，曲柄摇杆机构参数设计方法[A] 华中农业大学 工程技术学院 .9