无碳小车说明书_无碳小车说明书

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无碳小车说明书

（本小组选择的竞赛项目是竞赛项目二）

一、小车整体说明

小车整体结构上面，我们根据小车功能要求和机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分），把小车分为驱动部分、转向部分两个模块进行分析和设计。

在此基础上，小车采用三轮机构，后轮驱动，前轮转向，重物下落的过程中通过齿轮传动机构，将重物的重力势能转化为小车运动的动能，在后轮驱动下，再通过转向机构中的凸轮传动，将后轮的行走转化为前轮的转向，以便达到预期的要求。

考虑到竞赛项目二要求的桩距是（400±100）mm，小车车身在允许范围内应尽可能小，并且行走的轨迹也要尽可能的短，这样才能够避免小车车身碰到障碍物或者小车驶出乒乓球桌。

二、驱动部分

原理分析：根据小车功能要求，给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。以小车绕行的圈数、以及碰倒或避开障碍的多少来综合评定成绩。在设计要求中，驱动部分是将物块重力势能转化为小车的动能，并在有限的动能下，使小车能够移动尽可能多的距离，让成绩达到尽可能好。

机构分析：为达到既定要求，首先，在驱动机构上，我们通过一个绳轮驱动机构将重物的重力势能转化为小车后轮的驱动动能，具体就是将绳子绕过高40cm的定滑轮，一端连在重物上，另一端固定的绕在驱动轴上，通过重物下落带动驱动轴转动，进而实现后轮的驱动。然后，为了使小车运动的距离达到尽可能长，我们使用了一个齿轮传动机构，通过齿轮的运转和传递，使得在绳长确定即能量一定的情况下，小车后轮转动的圈数越多，进而尽可能的增加绕行的圈数，但在这个过正中，不能因为摩擦力的情况而发生自锁现象，在这些情况下，我们抉择出最佳的传动比和传力绳。驱动结构简图如下

三、传动转向部分

要实现尽可能多的使小车重复完成绕八字运动，传动及转向结构是关键，此处我们来分析一下转向机构。

基本原理：

1、传动机构：传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车绕的圈数更多及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需达到传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等要求。在这些要求上我们想过以下几种方法来解决：

1、不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。

2、.带轮具有结构简单、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。不适合本小车设计。

3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。

2、转向机构：转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。

能实现该功能的机构有：凸轮机构摇杆、曲柄连杆摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。

凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）

曲柄连杆摇杆 优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，利用 MATLAB 进行参数化设计并不困难，加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。曲柄摇杆 结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低。其急回特性导致难以设计出较好的机构。差速转弯 差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。（由于加工和装配的误差是不可避免的）综合上面分析我们选择曲柄连杆摇杆作为小车转向机构的方案。

机构分析：首先，要实现绕八字运动，可以采用圆柱凸轮+摇杆。设计适当的沟槽，圆柱凸轮做定轴转动时，通过高副接触可以使从动件获得连续不断的任意往复运动，通过分析走八字时转向轮的运动规律可以获得摇杆的运动规律，以此规律为依据可以分析出圆柱凸轮沟槽的轨迹。其次，要使八字尽可能多，这就要求我们必须减少能量损失，提高能量利用率。考虑到齿轮具有效率高，工作可靠，传动比稳定的特点，我们采用齿轮传动，通过一对啮合的直齿轮机构将驱动住的转动传递给圆柱凸轮。另外为尽量减小摩擦带来的能量损失，可通过使用润滑油润滑的方式来减小摩擦。小车传动及转向结构简图如下

四、理论分析

（1）小车轨迹形状及长度

我们是根据伯努利双扭线来设计小车的8字轨迹，它的直角方程是（x²+y²）²=a²（x²-y²），轨迹的周长C=5.244a,双纽线

考虑到小车运动的实际情况，上图中m,n两点代表两木桩，在autoCAD中画出mn=300mm,400mm,500mm的图像，求出周长。然后用EXCEL的函数功能求出不同桩距的相关数据

autoCAD绘制的双纽线

Excel表格。

（2）圆柱凸轮沟槽的确定

1/21/2通过伯努利双扭线，解出y=（-x2+（8a2x2+a4）/2-a2/2），yy，=-x+4ax/(8x2+a2)1/2，求出y，这样可以求出轮子的转角为α，因为转动杆的长度和前轮与转动副的距离一定，分别可设b，a，c，利用三角函数求得杆的转角为β=arcsin（csinα/b）(β取钝角)，这样沟槽的函数h=a*sin（α+β），利用h的变化设计沟槽，使轮子按照预定的轨迹转动。

（3）小车后轮直径齿轮传动比

设小车运动轨迹长度为S，驱动轴齿轮对与凸轮同轴齿轮的传动比为i，后轮直径为D。根据设计要求，小车完成一次八字，圆柱凸轮旋转一周，后轮旋转i 周，即

i×πD=S

D=S/πi