文档介绍：机械原理课程设计
——无碳小车的设计
学院: 行知学院
专业:机械设计制造及其自动化121班
姓名: 范云龙
学号: 12556108
联系电话: **********/651863
授课教师: 徐洪
提交时间: 2014年09月
成绩:
一、任务分析
命题:以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。设计一种小车,驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理,由给定重力势能转换来的。给定重力势能为4焦耳(取g=10m/s2),竞赛时统一用质量为1Kg的重块(￠50×65 mm,普通碳钢)铅垂下降来获得,落差400±2mm,重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。
图 1 无碳小车示意图
要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得,不可使用任何其他的能量来源。
要求小车具有转向控制机构,且此转向控制机构具有可调节功能,以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。
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。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒,相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上,以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。见图
2。
图 2 竞赛项目二所用乒乓球台及障碍设置图
二、轨迹拟合
设计要求小车在半张标准乒乓球台上,绕相距一定距离距离的两个障碍沿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。故可知其运行轨迹见图1(两障碍物距离设为300mm)。
图 1
图2中左轨迹圆的右半部分和右轨迹圆的左半部分由正弦曲线选取部分区间(-150,150)获得。
图 2
再做相切圆与曲线相切,见图3。
图 3
最终得到轨迹,见图4。
图 4
将轨迹线向两侧做等距线,作为左右轮的轨迹。°,见图5。
图 5
三、论证方案
通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为三个部分进行模块化设计(传动机构、转向机构、行走机构)。为了得到令人满意方案,采用扩展性思维设计每一个模块,寻求多种可行的方案和构思。

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。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶,传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。因链轮传动成本较高且传动的平稳性差,加工复杂,因此不适合小车的设计。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因此不适合本小车设计。齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定且塑料此轮成本较低。因此选择使用齿轮传动。

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、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。
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)
综合上面分析选择运用凸轮机构的方案。

对于无碳小车的行走机构,有以下三个方案:

对于a方案,由于滚动摩擦小于滑动摩擦,两轮差速驱动可以减少地面对车轮的摩擦力,b方案中的两轮同步驱动虽然是会提高地面对车轮的摩擦力,但是因为减少了差速装置,也同时使内部摩擦减少。
c方案单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮,一个为导向轮,另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高,但前进速度不如差速器稳定。
综上所述,最终选择使用单轮驱动。
四、传动原理
经过缜密的分析,决定采用凸轮式传动方式作为其前轮的运行方式。分析其从0°进入最大角时杆件前进20mm,见图1。
图 1
对轨迹长度进行分析,结果如下,见图2:
图