项目设计说明书

项目设计说明书

题目： 无碳小车设计说明书

专 业 机械制造及其自动化 学生姓名 唐鹏程 班 级 机制124 学 号 1210101415 指导教师 王正刚 董小飞 完成日期 2015.1.9

一．引言

随着时代的不断进展，越来越多的私家车步入人们的生活之中，随之而来也带来了严重的环境问题。对于本课题无碳小车的研究并将之可以付诸实施可以从根本上解决这样的问题。本课题研究致力于无碳小车的的设计，解决当中遇到的可能出现的困难。

二．项目设计的方案论证

以重力势能驱动具有自动转向的小车，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， 高 放置一个直径 20mm、 200mm的弹性障碍圆棒）。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。 ，具体结构要求满小车要求采用三轮结构（1 个导向轮，2 个驱动轮）足：①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。②导向轮最大外径应不小于￠30mm。

三．项目设计实施

本项目有7 个主要难点：1.距离 如何提高能量间的转化率，增加小车前行距离；2.转向 如何按要求设计小车的转向机构；3.载荷 计算确定载荷的最优装夹位置和方式；4.避障 如何提高转向机构精度，减少累积误差；5.失稳 如何提高小车运行稳定性；6.组装 零件组装的 顺序校正和起始位置的确定；7.调试 小车 S 状直线前行方向的调试方法； 解决这些难题方案如下

一） 如何提高能量间的转化率，增加小车前行距离① 绕线盘设计 绕线盘在整个装置中起到重力势能到动能转换的桥接作用，绕线盘的粗细决定了小车前进的距离、运行的速度。开始时绕线盘设计为圆柱形，在组装调试过程中，我们发现绕线盘过细导致为小车提供的扭矩不足，不行起步。经调整达到小车能够起步的外径时，小车在后来的加速过大，影响到其前行的平稳性，出现了小车侧翻的事故，不仅如此，绕线盘变粗后使绕线的圈数减少，缩短了小车行走的距离。 经过对上述问题的思考，我们决定将绕线盘改为阶梯型，绕线方式也相应的做了调整，起步时绕大圈，启动后绕小圈。在接下来的调试中，虽然解决了小车无法启动和运行加速度过大的问题，但是绕线从大圈到小圈的过渡中不稳定，出现了重锤突然下落的状况。再后来我们在阶梯状绕线盘的基础上又进行改进，设计成锥形并在锥面尼龙绕线盘上用钢锯开螺旋导线槽，并联系农村气雾机绕线启动装置，在绕线盘小圈卡楞上开斜口，使得重锤下落到底后绕线能够从盘上自动脱落，从而充分利用小车前进时积累下来

的惯性。这一设计的合理性在省赛的选拔过程中也得到验证。② 滑动轴承的设计制作

（二） 如何按要求设计小车的转向机构 除行进距离之外，命题的另一个主要难点就是转向机构的设计，按照要求小车进行周期性自动壁障，在能量经绕线盘由重物的直线运动转化为小车车轮的运动中，小车车轮的周期性转动就成为小车转向装置的动力来源，转向装置的设计过程中，我们选择了与绕线盘同轴的单侧大转盘，转盘上附有连接件和连杆相配合，将连接件相对小车前轮的前后运动传送给前轮的曲柄轴，并经曲柄轴给小车导向轮提供周期性转向动力。 转向机构设计包含大转盘、连杆、凸台、曲柄轴、球连接件等零件，个零件配合中我们遇到的问题比较多，分列如下： ① 为了保证小车左右转向的均匀性，经计算发现必须使转盘的轴心和驱动轮的曲柄在水平面上保持水平。这样才能够保证导向轮左右转向的对称性。② 转向过程要确保小车的前行时按照一米绕一个桩的周期要求，则要适当调整最大转向角，最大角又受曲柄长度、连杆长度、连接件距转盘盘心的距离等因素影响。为了方便调节，我们决定确定曲柄长度，将连杆长度和连接件距转盘盘心距离设计成可调式，这样的好处是可以固定肋板，首要保证了第一条所提到的小车左右转向的对称性。③ 防卡死零件设计也是我们在设计之初考虑到的主要问题，因为连杆传动过程中，曲柄会有绕导向轮架中心轴的圆弧形运动，再加之连杆同转盘连接处有上下前后的运动，各种运动方式相加和起来就使得连杆在传动过程中会出现上下前后左右的六通运动。 为了保证连杆在传动过程中的正常工作，我们将针对连杆两端的不同活度要求设计不同的连接件： 连杆和曲柄的连接件我们设计成灵活度相对较高的球副，即采用球帽和球心相互嵌套的方式，球帽固定在连杆一端，球心设计固定在曲柄上；连杆和转盘的连接件则根据要求设计成内缩式柱形通孔和轴配形式，该结构相对简单但又能达到灵活度要求。④ 后轮驱动中差速问题 因为小车需要转向，所以根据转动方向的不同，两后轮会在转向时产生速差。 起初设计时，我们以为两轮速差较小，对小车转向不会有太大影响，便将两后轮同时与轴进行过盈配合同做驱动轮，当调试时却发现速差会使小车导向轮在转到最大角时出现相对地面滑动的现象，该现象说明在小车运行过程中速差影响还是比较大的。于是便进行改进，在确保小车运行所需摩擦力足够的条件下，使小车驱动轮为一个，另一后轮设计成自由轮，这样一来就解决了速差对导向轮的影响。

（三） 计算确定载荷的最优装夹位置和方式 相对小车而言，重达 400 克的载荷摆放位置会对小车的中心位置起着重要的作用，载荷虽然增加了小车重量，但其相对合理的摆放位置则能够减小或者避免撑杆上重物下落时不稳定性带来的失稳因素。所以我们经过计算将载荷放在小车的中心位置。对于载荷的装夹方式，经过试验过程中的不断改善，决定在车底板下方设计抽屉式卡槽，该设计既能够满足载荷的装卸方便，装夹稳定，更能降低车身的重心，起到稳定车身的作用。

（四） 如何提高转向机构精度，减少累积误差； 考虑到小车运行中的调节环

节，起初我们特意将连杆设计为铝质的丝心可伸缩式结构，在完成小车转向机构的设计和组装后，我们肯定了装置的可行性，但是我们又发现该转向机构的间隙过大，这会对小车前行时绕弯的精确度有比较大的影响。首先是铝质连杆的重量太大，其自身重力在转向过程中会对小车的转向平稳性有所影响；其次是两个连接件的精度问题，起初并没有考虑到三维原型的尺寸误差。当我们把以上所述问题考虑进去后，由于连杆的强度要求不是很大，所以决定也用三维原型制作连杆结构，这样可以从很大程度上减轻连杆重量，提高转向稳定性。又连续做了多组尺寸不同的球副连接件和内缩式柱形通孔，选取在保证灵活度要求下间隙最小的一组，并在球副及轴套间加黏性相对较高的黄油加以润滑，因为黄油黏度较大，在一定程度上也可以减小转向装置的间隙。 、如何提高小车运行稳定性

（五） 因为小车运行过程中重物在下落，所以整个车体的重心也会有相应的变化，尤其是在小车起步时，此时重物在在高处，车身的重心也最高，也就是说前两个转弯非常关键，既要保证小车的正常起步，也要保证小车速度不要太快，重物下落平稳。① 重物下落的辅助稳定件设计 最初设计并没有考虑到重物下落时给予辅助稳定，试车时，小车因转向时重物在空中摆动幅度过大，导致侧翻。接下来我们对上述问题进行改进，在车身和托盘上钻孔，穿上线后为重物下落制造导轨，经试验小车稳定性有所提高，但是因为线绳的柔韧性大，在小车转向运行时还会出现后轮翘起的状况。最后又对方案进行改进，决定采用一些强度较高的材料做导轨，材料的选用上我们有考虑易拉罐体、将线绳改作铁丝、用粗铁丝弹簧等。经过再三分析发现，易拉罐体虽然内壁相对光滑，但是因其壁较薄，和撑杆的固定方式不好解决；铁丝绕起来较为复杂，且拉伸长度为半米的铁丝强度也达不到要求。根据以上材料的加工难度和装配复杂程度，最终选择在绕线的基础上，再在重锤晃动较大的部位加装弹簧状导轨，弹簧状导轨由 Φ2 的铁丝经钳工加工制作而成，其固定方式为在圆筒撑杆上打两个小孔，穿插固定弹簧两端。绕线盘地锥状设计也能够保证重物下落速度的均匀，也启到了提高车身稳定性。② 对车底板的加固件设计 为提高稳定性，我们将车身的强度也有所加大，前期设计时由于主要考虑到车身减重，去掉了车身上很多材料，组装完成后调试过程中，出现小车运行中跳动问题，且加载重物和载荷后，车底板有明显变形，确定问题为车底板强度不足。 针对上述问题，我们选用铁板在小车下方组成三角稳定结构，并用螺栓固定在地板上，除此之外，在撑杆的固定上又增加了两根固定条。经过加固后，车底板强度得到提高，运行中小车也没有了“跳”的情况，加强了小车的稳定性。 、零件组装的顺序安排；

（六） 由于各零件件配合方式不同，所以在小车的组装过程中，为了方便调整，并没有将所有零件直接和车底板相配合，我们首先将齿轮传动机构和肋板配合，以便检验该机构的灵活度以及齿轮轴心的同轴性。初次因为没有考虑到快速原型制作齿轮产生的尺寸误差，没有给相互啮合齿轮留下足够的传动间隙，导致齿轮啮合时卡死。接下来我们根据实践情况，重新设计肋板尺寸，为齿轮啮合留下足够的间隙，

解除了上述问题。 在肋板和车底板的配合中，我们选用过盈配合方式，在调整好肋板的平行度后，用另一卡片由上而下采取反向插进方式进行固定，达到了强度要求。 ① 小车 S 状直线前行方向的调试方法 根据比赛要求，虽然小车要 S 状行进避障，但也要保证在赛道宽度范围内以直线前行，为了对小车做好调整，起初我们选择的是用一人手推动小车前行，另一人在车身后以粉笔画出轨迹的方式进行轨道标记，但加上载荷和重物令小车自行行走时，轨迹会出现偏差。也就是说人力驱动小车前行不能反映小车的正常运行轨迹，除此之外，人手画线也存在较大误差。 经分析思考发现，采用滴水画线法能够精确记录小车正常前行轨迹。滴水画线法的设计源于小车底板设计时留有的载荷孔的构思，载荷孔位于小车中心，装有水的滴杯恰好可以放在其中，水线在小车前行中自由画出，可以直观的反映小车的总体运行方向是否为一直线，为小车导向轮的调整提供了可靠的参考依据。于此同时，我们也从记录的水线上获得小车 S 形运动轨迹的实际参考数据，这些数据成为 S 形弧度大小也即导线轮最大转向角的确定提供了依据。 在做好调整后，除了将所有可调整部件进行固定外，还需在曲柄轴上做好导向轮架的位置标记，以便于下次的调整。② 小车起始位置的确定 命题中规定小车需每一米绕一个障碍物，经分析该要求反映在小车实际前行中，就是要使小车在走到障碍物时导向轮拥有最大转向角且车身方向须和赛道平行。另小车起始位置的调整主要包含转向角和车身方向的调整两个方面，转向角的调整我们以连杆连接件和车身的相对位置为标记。车身方向的调整则以赛道中线为参照进行标记。设计思路与原理经过对功能设计要求的认真分析与研究，发现此命题的主要难点有四个：给定重力势能为 5 焦耳的前提下1） 小车前行的距离小车前行过程完成的所有动作所需的能量 E 均来自重块下落时减少的重力势能转换获得，没有其他额外的能量。设车与地面接触的摩擦系数为 u，车身重量为 m，小车行走的距离为 S，根据能量守恒定律：Eums小车走的距离与车身重量成反比。故小车车身、车轮采用硬质的 PVC 塑料，车身造型采用随意的弧线裁掉多余的材料，齿轮用快速成型制成空心的。但过轻的车身也带来了车身稳定性的问题。为此我们采取了几个措施 1选取宽 10～20mm 的钢板加固底板，增加刚度；2将载荷的固定位置往下放降低车的重心。为了减少能量的浪费，我们把小车的前进过程设计为：静止—加速—匀速（或慢加速）—减速。这个过程通过绕线盘半径的改变来实现。起始时，绕线盘的2）在小车行走过程中，载荷的固定；3）在小车转弯行走过程中重块的晃动4小车避开障碍的多少；③ 小车前行过程完成的所有动作所需的能量 E 均来自重块下落时减少的重力势能转换，没有其他额外的能量。设车与地面接触的摩擦系数为 u，车身重量为 m，小车行走的距离为 S，根据能量守恒定律：Eumgs小车走的距离与车身重量成反比。故小车车身、车轮采用硬质的 PVC 塑料，车身造型采用随意的弧线裁掉多余的材料，齿轮用快速成型制成空心的。在车身重量一定的前提下，通过设计绕线盘的外径 D、齿轮的二级传动比 K 和主动轮外径 d 将重块

（七） 小车 S 状直线前行方向的调试方法和起始位置的确定；

下落的距离 L 转变为车行走的距离 S： SLKd/D

四、结论及对项目的展望

在无碳小车的设计、加工、装配、调试等环节中，我们在设计、论证、实验验证的过程当中反复探索、不断前进。这个过程，增强了我们对专业知识的理解，同时锻炼了我们的动手能力。在无碳小车不断完善的过程中遇到了很多问题，通过发现问题、分析问题、解决问题，使我们学会了如何从工程设计的角度去看待问题，这对于我们以后有很大好处。