文档介绍：2014年大学生
工程训练综合能力竞赛
结构设计报告
共页
第 1 页
命题编号:
参赛队编号
1、设计概述
根据大赛大赛题目的要求,为达到8字绕行的目的,无碳小车应实现两个功能:重力势能的转换和周期性的转向。据此可以将小车分为驱动机构和转向机构两部分。驱动机构要求能量损耗小、传动比准确,优先选用齿轮机构。转向机构要求控制精度高、摩擦损失小,选用不完全齿轮和空间四杆机构实现转向功能。
:左右半圆,中间用正弦曲线连接。
。
3. 四杆机构和小车底板上安装有磁铁,使小车在行进和转向过程中保持稳定。
,保证转弯时的差速。
,给小车足够大的启动转矩。
。
,降低小车重心。
设计思路和方案
设计8字轨迹:左右半圆,中间用正弦曲线连接。如下图(单位mm)
当要改变两个障碍物之间的距离时,只需放大轨迹,便可使小车安全通过。
按照轨迹的要求,选择不完全齿轮传动与空间四杆机构实现转向功能。
原理图如下:
1-后轮 2,3,6-普通齿轮 5-不完全齿轮 4-主绕线轮 7-曲柄 8-万向节 9-前轮
令初始位置时,不完全齿轮5与齿轮6位于结束啮合的位置,前轮9有一个合适的角度。当重物下落带动绕线轮4转动时,齿轮3和不完全齿轮5将跟随4一起转动,齿轮3通过与齿轮2啮合驱动后轮转动,而不完全齿轮5此时没与齿轮6啮合,前轮9角度不改变,小车走圆轨迹,当走到半圆时,不完全齿轮5和齿轮6啮合上,通过空间四杆机构的作用,前轮的角度将随着啮合的进行慢慢改变,随着小车的前进,小车走中间的正弦轨迹,直到不完全齿轮5和齿轮6脱离啮合,之后前轮9的角度又不变,走另一个半圆,之后又回到初始位置,完成一个8字。
,不完全齿轮齿数比及后轮半径的设计
按照轨迹及转向要求不完全齿轮转两圈小车走一个完整的8字。、
其中S1为半圆轨迹长度,S2为中间一段正弦轨迹长度,S为整个轨迹的长度,则所求i即为所选择的不完全齿轮的缺齿与完整齿比。经过查找材料,取不完全齿轮的齿数为31,去除17个齿,对应的与其啮合的齿轮6每啮合一次转半圈所以齿数取34。为了购买齿轮方便,选择齿轮3的齿数也为34。因为实际要让不完全齿轮的啮合的恰到好处不可能,需要对齿形进行修整,所以选择模数为1的齿轮。
为保证零件的重心,车后轮的直径尽可能小,取其为150mm,则有:
通过寻找材料,取齿轮3的齿数为12,。
4. 转向差速
由于小车是以8字型路线行走的,也就是说小车始终在转弯,这就导致后轮的左右两个轮子出现转速差,原本考虑通过加装一差速器来解决这一问题,但在设计差速器时发现,差速器不仅结构复杂,加工难度大,而且效率难以提高,会消耗很多能量,影响小车行驶距离。最终,经过我小组成员讨论,决定采用单侧轮(左侧车轮)驱动,另一侧车轮(右侧车轮)从动的驱动方案。
该小车的能量来源于给定的1kg重物的重力势能,根据能量转换原理,将该重力势能转换为机械能来驱动小车行走。1kg的重物系在一条轻质细线的一端,通过定滑轮和支架悬挂于小车上方,细线的另一端缠绕在绕线轮上。当重物下落时,便可带动绕线轮转动,经过一系列齿轮来改变扭矩,最终输送到后轮上来驱动小车前进。
在理想情况下,以能保障小车稳定行驶为前提,绕线轮的直径越小越好,这样就能让小车行驶的最远,绕过的8字最多。但在实际情况下,由于各种因素的影响,绕线轮的直径并不能取得太小,否则,小车将有可能出现行驶中途停止甚至直接走不动的情况。
为了让小车能够稳定前进,又不至于出现车轮打滑的情况,因此车轮的驱动力应稍大于小车的行驶阻力。
小车在平稳运行时,实验测得平均阻力F≈,换算为驱动轮的扭矩:
M≈F×D/2=·m
因此取车轮的扭矩:
M=·m
齿轮传动比i=34:12=17:6故绕线轮上应施以的转矩为:
M2=M/i=÷(17/6)=·m
故绕线轮的直径:
d=2·M2/G×1000≈
由于齿轮轴的直径为4mm,,难以加工,故加一个直径比为3:2的二级线轮,,即绕线轮的直径可以取7mm
主绕线轮
其中绕线的时候先绕在1上后绕在2上,保证1比2直径大大概16mm,给小车足够大的启动转矩。
②.利用二级线轮装置减小绕线轮的制作难度。
重物下降前将重物的线绕在2上,下降过程中由1