无碳小车重力小车

无碳小车重力小车 第二届全国大学生工程训练综合技能竞赛 无碳小车说明书 作者:_________ _________ _________ 指导老师:_________ 时间:_________年_____月_____日 目录 一、 本届比赛命及要求---------------------------------() 二、 无碳小车设计-----------------------------------() 1、 工程管理----------------------------------------() 2、 设计方案-----------------------------------------() 3、 加工工艺----------------------------------------() 4、 材料选择----------------------------------------() 5、 成本----------------------------------------() 6、 徽标设计-----------------------------------------() 三、 转向轮加工成本及质量-------------------------------() 本届比赛命题及要求 1、 本届竞赛命题主题为“无碳小车”。 2、 功能设计要求: 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。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物(每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒)。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。 给定重力势能为5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500?2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。 要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。 小车要求采用三轮结构(1个转向轮，2个驱动轮)，具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足:?小车上面要装载一件外形尺寸为,60×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400克;在小车行走过程中，载荷不允许掉落。?转向轮最大外径应不小于,30mm。 图1: 无碳小车示意图 图2: 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 无碳小车设计方案 一、工程管理 二、设计方案 1、路线设计计算 根据要求和图2给出的小车行走路线可知，该路线是一条周期曲线，假设以障碍物所在直线为x轴(单位为mm方向向右)，垂直x轴 方向向上为+y方向(单位为mm)，则小车行走轨迹周期为 T,2000mm轨迹 为了使小车能在相同条件下走得更远，该曲线的摆动幅度尽可能的小;为了使小车在拐弯运动时更加平稳，摆动幅度又不能太小。现取小车的宽度为160mm，当小车行走至障碍物+y方向时，小车外轮廓与障碍物的距离取50mm。则摆动幅度为 160 h,，50,130mm2 到此，小车行走路线的大致轮廓可以基本确定了。以下是小车行走路程的初步估算: 为了计算简便，假设小车在半个周期里行走路线为一段圆弧，如下图所示。 222R,130，500,R，， R,1026.5mm 所以，小车一个周期的行走路程为 5002，arcsinR,S,2，2R，360 5002，arcsin1026.5,,2，2，1026.5， 360 ,2078.2mm T,S,2078.2mm即转向轮的周期 转 2、驱动机构设计计算 设小车的质量为m=1kg。小车与地面的滚动摩擦系数为f，则驱 动小车所需力矩为 d驱动T,G，f，驱动整车2 d驱动，，,1，1，10，f， 2 ,10fd驱动 ，，d为驱动轮直径驱动 取滚子轴承的效率为,齿轮传动效率为，则绕,,0.98,,0.95轴承齿轮线筒所需产生的驱动力矩为 d线筒T,G，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(1)线筒重块轴承2 d线筒,10，，0.982 ,4.9d线筒 2T,T，i，，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(2),,轴承线筒驱动齿轮 2,10fd，i，0.98，0.95驱动 ,9.1238fdi 驱动 d为绕线筒的直径,,线筒,,,,i为驱动轮对绕线筒的传动比,,注意:小车的运动特征可以等效于两轮自行车，上式的d、i驱动 ,i和下面式子提到的均为等效值。 联立(1)(2)得 4.9d,9.1238fdi驱动线筒 0.537d线筒i,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(3)fd驱动 由第一步的路线设计计算得转向轮的周期为T,2078.2mm。则驱转动轮对转向轮转向机构的传动比为 T,d2078.2驱动转,i,,,,,,,,,,,,,,,,,4()1d,驱动 661.5661.5d,,驱动,ii 为简化机构，提高效率，驱动机构和转向机构共用一对齿轮，且 ,采用单级齿轮传动，令i,i，联立(3)(4)得 0.537d2078.2线筒,fdd, 驱动驱动 d,1231.9f线筒 综上所述，绕线筒直径的判断公式为 ; d,1231.9f线筒 驱动轮直径的判断公式为 661.5d,。 驱动i 现取滚动摩擦系数f=0.01，传动比i=160/38。得 d,1231.9，0.01,12.319mm线筒 661.5d,,157.1mm驱动160/38 500160500,小车行走路程。 S,di,157.1，，,26847.7mm驱动,d3812.319线筒 3、转向机构设计计算 如果小车想要绕开障碍物，转向轮必定是周期性的摆动。如何控制转向轮的周期是小车能否严格按照规定路线行走的关键所在。所以我们采用正弦机构对转向轮进行控制，因为它制作简单，而且具有严格的运动周期曲线。为了确定转向轮的摆动周期，我们已经在第一步对小车的行走路程进行了初步估算。待小车制作成型再通过细微的调节对小车的行走轨迹进行调整，使其基本符合设计要求。下面是对小 车正弦机构杆件长度的估算: 在第一步中我们已经假设小车的运动轨迹为多段圆弧组成，令小车转向轮和驱动轮两轴线的水平距离为a=160mm，小车运动的数学模型如下图所示。 a,arctan,R 160 ,arctan1026.5 0,8.86 得到了值，下面就进行正弦机构连杆长短的设计计算。设驱动, 连杆杆长为，被动连杆的杆长为(即安装在转向轮上的连杆)。当ll12 杆l转动到水平位置时最大，如下图所示 ,1 l1,sin,l2 0 ,sin8.86 ,0.154mm 由于小车的实际运动轨迹并不是单纯的R=1026.5mm的圆弧，实 际的运动轨迹的运动趋势为:从原点出发，转向轮摆角逐渐增大，,当小车运动到轨迹的第一个波峰时，达到最大。所以上式的值为,, 0粗略估算值，实际上的最大值大于，所以 ,8.86 l1 ,0.154mml2 也因为这一运动趋势，小车实际运动轨迹的波峰也稍大于130mm。 现取=5mm，得 l1 l51l,,2 0.1540.154 得 l,32.5mm2 为了能够在小车做成后进行调试，现把被动连杆的杆长做成可l2调形式。 4、能量损耗计算 根据比赛要求可知，给定的重力势能为 W,mgh,1，10，0.5,5J 重块在下落过程中把重力势能转化成了小车的动能，同时也伴随着能量的损失，包括摩擦阻力损失、弯道阻力损失、气流阻力损失等。由于小车的速度较慢气流阻力损失比较小，可以忽略不计，在此不作计算。摩擦损失和转弯阻力损失是小车主要的能量损失形式，所以我们进行了一下估算。 1)摩擦损失 主要的摩擦损失形式主要是传动部件之间的传动损失。 33，，，， W,W1-,,,5，1,0.98，0.95,0.53J轴承传齿轮 2)转弯速度损失 假设小车匀速运动，设小车中线方向的速度为，转向轮前进方V ,向的分速度为，转向轮轴线方向的分速度为，则 VV转 ,V,V,cos转 ,V,V,sin, ,其中，为速度损失 V ,V0 W,W,W,sin,,5，sin8.86,0.77J速V 综上所述，小车重力势能所做的有用功为 W,W,W,W速有用传 ,5,0.53,0.77 ,3.7J 三、加工工艺 四、材料选择 五、成本分析 六、徽标设计