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无碳小车产品设计说明书

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无碳小车产品设计说明书
产品名称: 飞轮驱动式无碳小车
设计团队: 小组成员: 李进、 肖衡、 谢中成 指导老师: 韩传军、 任海涛
设计思想: 看到此次竞赛主题, 我团队认为; 能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心, 我们展开了一系列的理论分析与验证, 经过重复比较, 最终确定了我们的设计思路: 飞轮驱动与仿自行车式转向。
驱动方面, 最开始, 我们想到了发条, 认为将重物下落的重力势能储存在发条中, 在逐渐释放, 能够很好地利用能量。与此同时, 经过研究玩具小车的驱动机构, 我们认为, 能够想办法将发条与弹簧结合起来使用, 经过二者驱动的时间差来达到将重物能量利用最大化的目的。可是, 发条在储能和释放能量时都会消耗能量, 因而能量利用率不高; 而且, 如何让弹簧与发条分时驱动也是一个我们始终无法解决的问题; 而且, 发条在释放能量后还会有阻碍驱动轮转动的问题, 要解决这个问题会将小车结构弄得很复杂, 因而, 我们最终放弃了这种想法。而后, 经过联系农村稻麦收割机的启动实例, 我们想到了利用飞轮驱动, 飞轮驱动结构简单, 而且能够很好地解决发条能量释放后阻止驱动轮转动的问题; 于此同时, 我们也想到了将飞轮与弹簧联合驱动的方案, 这种方案能够将能量尽可能地利用, 而且只要经过传动比让弹簧驱动给后轮的速度大于飞轮能量释放后后轮的速度, 就能让小车平稳前进。可是这个方案依然存在结构复杂并造成能量消耗打的问题, 经过综合考虑权衡, 我们最终确定飞轮单独驱动小车的方案。
转向方面, 我们主要是仿照自行车转向的方案, 利用等宽凸轮控制小车自动转向。
工作原理:
主要构件如下图所示, 包括储能飞轮、 驱动后轮、 传动齿轮、 ”曲柄”圆轮、 连杆、 转向”摇杆”和转向前轮。

图1
当重物下落时, 细绳绕过立杆动滑轮带动储能飞轮旋转储能, 飞轮旋转驱动后轮前进, 同时经过齿轮啮合传动带动”曲柄”圆轮旋转, 经过连杆传动推拉转向”摇杆”带动转向前轮周期性左右转向, 从而实现小车在前进过程中自动转向。这样小车便能在重力势能驱动下沿着”S”形路线前进, 并能自动绕过障碍物。整过程的能量转换为:
重力势能 飞轮动能 驱动后轮 小车前进并自动转向

图2
驱动机构和转向机构原理:
1、 驱动机构: 主要包括储能飞轮、 驱动后轮和传动齿轮

图3
在重物下落时, 经过绕在飞轮上的细线带动飞轮旋转储能, 飞轮旋转驱动后轮转动, 小车便向前行进。当重物完全下落后, 小车靠飞轮储存的能量继续前进, 直到能量经过车轮摩擦耗散完停止。

图4
小车在前进过程中, 经过固定在轴上的齿轮旋转, 齿轮传动机构带动”曲柄”圆盘旋转, 经过连杆和转向机构连接。齿轮传动的一个主要作用是经过小轮带大轮实现传动比1: 15减速, 从而使驱动机构和转向机构协调配合。
2、 转向机构: 主要包括”曲柄”圆轮、 连杆、 转向”摇杆”和转向前轮

图 5

图 6

原理是利用”曲柄摇杆机构”的原理, 其中”曲柄”圆轮、 转向”摇杆”分别是该曲柄摇杆机构的曲柄和摇杆。
齿轮带动圆轮旋转, 当连杆和圆轮连接点处于图5中C、 D点时, 图6中转向”摇杆”处于C(D)线处,前轮指向正前方, 此时小车能直行; 当连杆和圆轮连接点处于图5中A点时, 经过连杆将转向”摇杆”向后拉, 转向”摇杆”顺时针转过φ角, 图6中转向”摇杆”处于A线处,前轮指向右前方与直行线成φ角, 此时小车能向右转; 当连杆和圆轮连接点处于图5中B点时, 经过连杆将转向”摇杆”向前推, 转向”摇杆”逆时针转过θ角, 图6中转向”摇杆”处于B线处,前轮指向左前方与直行线成θ角, 此时小车能向左转。在一个周期内小车能自动转向2次。初始时连接点处于B点, 此时小车前轮左偏θ角, 小车前进经四分之一周期运动到左侧最外端, 此时转向前轮指向正前方, 小车继续前进, 以后过程中小车周期性转向前进, 路线如下图( 图7) 所示。
设计组图:

理论计算:
设计创新点:
图 7

1、 如图7, 驱动轮采用冰刀形式, 一方面美观; 另一方面减小了后轮与地面的摩擦力, 也减小了车身重量, 从而在增加小车速度的同时也将小车的能量损耗降低到最小。
2、 如图5所示, 我们突破了传统的凸轮或者棘轮等间歇机构的束缚, 采用了曲柄摇杆机构的原理控制小车的转向, 这样的构造使得转向机构整体更加简单; 且圆盘制造容易, 减少了制造的麻烦, 也节约了制作成本; 而且圆的制造系数更加容易确定, 更有利于对于转向的精确控制。

3、 传动机构, 我们利用齿轮传动, 一方面齿轮传动能实现精确传动比, 经过对齿轮参数的设计确定, 我们能够很好地将小车传动机构的传动比控制在1:15, 实现一个减速过程; 另一方面转向机构能量从驱动机构分出, 从而达到对于小车转向的周期性控制, 使小车的前进与转向协调配合。