(无碳小车)工程训练综和能力竞赛方案书

2010/10/10“无碳小车”方案书1方案目录一：任务和要求………………………………………………………21.1命题要求部分………………………………………………21.2自我发挥部分………………………………………………3二：方案设计及论证…………………………………………………42.1转向轮及轨道设计…………………………………………42.2动力系统设计………………………………………………72.3小车整体及外观设计………………………………………82.4最终方案……………………………………………………8三：材料及成本分析………………………………………………93.1小车整体材料种类…………………………………………93.2小车各部位材料选择………………………………………93.3小车整体成本分析…………………………………………9四：方案总结………………………………………………………102一：任务和要求1.1命题要求部分命题主题：“无碳小车”竞赛命题要求：①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：①小车上面要装载一件外形尺寸为￠60×20mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于￠30mm。②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（￠50×65mm，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。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。③障碍物放置要求：每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒。小车结构示意图：小车运动轨迹示意图：3第二阶段附加要求：参赛队，需取下小车原有的转向轮，重新制作小车的转向轮。转向轮的制作采用根据原设计图纸和竞赛组委会的指定要求，经计算机三维造型后，使用快速成型机制作、车床加工及钳工方法完成，最终完成小车转向轮的组装和调试，总加工时间为4小时左右。成绩评定：根据综合工程管理方案、设计方案、加工工艺方案、成本分析方案、小车徽标设计、转向轮加工成本及质量（是否符合图纸要求）、现场加工质量、小车前行距离及答辩成绩等得分，经加权公式计算最终得分1.2自我发挥部分1）小车的前轮（即转向轮）设计。单向偏转或实现双向偏转及其转向角度的确定。2）小车的运行轨道的设计。根据转向方案，设计出小车路程最少且位移量最大、符合命题要求的预算轨道。并确定小车的初始释放位置。3）小车的能量转换方式。综合考虑到转换与行驶的相对关系，并尽可能的加大能量的利用率。4）小车的前后轮设计。前轮尽量简洁，且确保自己能够用三维软件自行作出，后轮设计尽量减少与地面的摩擦。5）小车的外观设计。在不影响小车的正常运行下，尽量减少小车自身的重量，并且要考虑到小车的整体外观。6）成本分析。在实现小车能够实现基本运行的情况下，充分考虑选材成本和装饰材料的取舍。4二：方案设计及论证2.1转向轮及轨道设计设计主体思路：利用转向轮中心轴偏转，实现小车转向。本方案中将分校内比赛方案和后期参考放案两种方案，校内方案目标是实现单向偏转，后期参考方案目标是实现近S形路线。方案一如图1所示（为轴中心部位的半剖视图），前轮的中轴设计，成一个倾斜的角度。使其能够实现自行的绕一圆弧运动。从而实现绕开障碍物运行。方案二将采用平行连杆实现小车的转向。且以方案二为主要设计思路。前轮具体设计及轨道方案：方案一：单向偏转设计及其对应的轨道设计。如图3（前轮剖视图）所示。其轨道设计如图2所示：前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计，并实现自动成型。前轮轮廓图如图4和图5：图1图2图3图4图55各参数要点经计算得出，具体如下：（前轮最大外径初步设为50mm,最大宽度设定为15.625mm）:轨道参数：1）.小车宽度要小于200mm；2）.轨道半径为2500mm；3）.行驶初始角度（相对赛道偏角）为arctan4/3（约53度）。前轮参数：（参考图4）1）.小车外轮最大外径50mm；最大宽度15.625mm。2）.图4注释制造经过：①拉伸除料→拉伸深度6.25mm→增加拔模斜度30度。②过渡→半径为1.25mm。③过渡→半径为6.25mm。④打孔→通孔→直径18.75mm。3）.中轴孔经打孔→孔型→小径1.25mm,大径1.5625mm，通孔。（以50mm最大外径，大经比小径宽0.3053mm）。设计小结：该方案设计中，小车最大有效位移约为4000mm，可能还有出界的扣分。在初步比赛中，可以先用偏转前轮实现类似的效果，前轮放置如图6所示。前轮的安放转角与上述计算角度一样。方案二：近S形偏转设计及其轨道设计。轨道设计如图7所示：前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计，并实现自动成型。前轮轮廓图如图4和图5所示各参数要点经计算得出，具体如下：（前轮最大外径初步设为50mm,最大宽度设定为15.625mm）:轨道参数：1）.小车宽度不易过宽，设定为180mm。2）.每个旋转弧行驶距离为1000mm—1100mm(符合小车宽度)。转弯角度为arctan1/5（约11.3度）。图6图76前轮参数：1）.小车外轮最大径50mm；最大宽度15.625mm。2）.图4制造过程与注释与方案一类同。3）.中轴实现过程，选择形孔，其外径为2.2mm。前轮转向的实现方案设计（初步设计）a.转向距离设定：本方案设计中小车动力转变将经过发条盒带动大齿轮，再带动安装在小车后轮上的小齿轮实现小车的驱动（详见动力系统设计）。大齿轮设计时，除了提供小车行驶的能量，还将提供改变方向的能量。如下图8所示，当大齿轮每旋转一周，就改变一次方向，这时初步设定后轮最大外径为60mm.则后轮每旋转一周行驶距离为：2*3.14159*30=188.4954mm为实现大齿轮旋转一周至少行驶1000mm的距离，如果定小齿轮旋转的周数为设定为5.3周，则行驶距离为：188.4954*5.3=999.02562mm.所以可以设定大齿轮与小齿轮的齿数比53:10。b.转向结构设计：如图8。采用平行连杆，轮流经过大齿轮的凸起处，从而直接带动前轮的中轴，改变其行驶方向。设计中，将采用前轮中轴平行于平行连杆固定轴。从而实现连杆固定轴转角与前轮转角一致，如图9，设置连杆固定轴宽度为10mm，则大齿轮推动平行连杆的距离仅为1mm，故可以实现，且能减少能量消耗。设计小结:该方案设计中，前轮的制造工序简单。前轮的安装与卸载可能比较繁琐，可以考虑将前轮中轴分段制造，以减少安装与卸载的程序。实际制造中，转向的具体参数设计需要实际实验才能最终定论。该方案为本组主要设计方案。图8图972.2动力系统设计设计主体思路：首先利用发条将重力势能转化成弹性势能，再利用发条能较稳定的能量释放特性，经过齿轮转变带动后轮驱动小车的前进。理论计算数据：以网上木材—钢间滚动摩擦系数（最大）0.04，小车整体重量为2KG，能量用5J计算可以得到运行最大距离为6250mm，但实际运行中，摩擦系数没有0.04，能量运用率无法达到100%，相互抵消与否需要实验数据说明。小车动力系统图如下图10所示：如图10所示，重物经过滑轮，与发条相连接，发条轴与大齿轮中心轴相连，大齿轮带动小齿轮实现后轮的驱动。该过程依能量的转换分为两个阶段，具体如下：a.势能转化为弹性势能：首先，释放重物，由于发条处于反向转动，不影响小车静止。当重物下落到接近小车上方由于弹性势能的加大，重物速度将会减慢。此时，借助磁铁的吸引力，将放在底板上的撞针压下，同时固定住重物。撞针的另一端连接发条的固定针，使发条处于瞬间弹性最大值状态。b.弹性势能转化为小车动能：当发条固定针将发条固定，此时，发条开始释放弹性势能，同时带动图108大齿轮转动，再经过小齿轮带动后轮（小齿轮中心套在后轮连杆上）。各参数如下：1）.物体下落高度为500mm；2）.重物能够在无磁铁的情况下恰好接触底板，以保证“不使用其他形式的能量”（“恰好”即速度基本为零，以减少能量的损耗）；3）.重物接触底板后要保证发条处于恰饱和（最佳状态）或要饱和状态，确保能量的最大转换。设计小结：该方案设计中，对发条的要求较高，但可以较平稳的使用法条中的能量，除去了重物下落的摇摆问题，同时可以实现小车的稳定转向。2.3小车整体及外观设计(初步设计)小车底板设计：小车底板宽度180mm，总长度300mm，前半部分采用等腰梯形，上底100mm，下底180mm，高100mm，后半部分为矩形设计长为200mm，宽度为180mm。底板厚度3mm。重物支撑架设计：采用长度为600mm，宽度50mm，厚度为3mm中部为空的塑料板，另外重物支撑架两边用两根长度为300mm的塑料棒支撑。转向装置设计：转向连杆统一采用直径1mm的硬质铝棒，中轴采用钢棒。转向轮位于小车中轴线上，转向轮轴线与前底板相距30mm。转向轮外径为50mm，最大宽度15.625mm。后轮驱动设计：后轮外径60mm，宽度为10mm，两轮中轴线离后底板30mm，采用嵌入式放置，小齿轮位于两后轮连线中心处。外观设计：外观标幅以学校标志为主。注重不同颜色涂漆的结合使用。载物放置：放与小车中前部，使其同时起到平衡小车的作用。2.4最终方案本次方案设计中，分初次比赛用车和后期比赛用车（如果许可，可以直接用后期设计方案），前后用车主要不同处在于前轮转向及轨道设计，与费用不产生太大影响，但是方案二为我组主要设计方案。能量系统设计，以经发条实现二次转换为主，但也有备用方案。备用方案仅做意见保留。9三：材料及成本分析3.1小车应用材料种类：塑料硬质铝磁铁钢柱细线3.2小车整体材料种类本次方案中主要材料种类如下：小车底板及重物支撑架：塑料为主.后轮设计：塑料为主（成品设计）。前轮（前期）：硬质铝。齿轮：塑料（成品设计）。重物下落固定物：磁铁。连杆等：硬质铝。前后轮中轴：钢。装饰：塑料为主。发条：买标准品。3.3小车整体成本分析（参考网上报价）塑料板成本：总共约15元前轮成本：自己制作后轮成本：标准品两个10元左右连杆成本：约3元齿轮：小齿轮1元大齿轮2元发条：25元左右撞针：0.5元磁铁：4-5元滑轮：1元左右总共材料成本约为63元（不包含工具等其他费用）。10四：方案总结本次竞赛命题要求中，以给定的能量设计三轮小车带动给定负载进行避物运行。本方案设计中，分为前轮转向，动力设计，成本分析三大部分展开设计。前轮转向设计过程中，首先考虑到的是单向偏转的实现，但与理论最小运行值有较大差距，故考虑转向运行。其中，平行连杆的设计，从理论上可以实现交替转向。但前轮的支撑力如果较大，可能会导致能量的消耗，这也是实际要考虑到的问题。且对整个平行连杆的制作精度要求比较高。动力系统的设计中，采用的是能量的二次利用，要求第一次能量的转换率要高，故对发条的要求较高。该设计中，将会消除重物下落的摇摆问题，同时利用撞针设计，启动小车行驶。成本分析中，没有考虑制作工具的相关成本，如果可以实现底板的一次成型，将会减少工序，增大精度要求。同时其费用也将加大。综合成本，暂且不能确定。该方案中，没有就小车的整体外观设计给出具体设计，将在小车轮廓设计完毕后进行整体外观设计（暂时无法用三维制作软件做出整体构架）。完成于2010/10/10