无碳小车说明书-井冈山大学

第三届全国大学生工程训练大赛无碳小车设计说明书设计者：周东井冈山大学机电工程学院2013年4月摘要第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。在设计小车过程中，特别注重设计的思维方法，力求通过对主题的全面分析而得到清晰开阔的设计思路，使得设计的作品有系统性、规范性和创新性，设计过程中综合考虑功能实现、加工制作和成本等各方面的因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计理论方法，采用了MATLAB与Solidworks软件辅助设计。我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，使得我们的设计尽可能向最优化设计靠拢。方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为;原动机构采用线缆加滚轮机构，传动机构采用齿轮机构，转向机构采用曲柄摇杆加连杆机构，行走机构采用单轮驱动实现差速，通过调节曲柄摇杆的长度可以调节前轮能转动的最大角度。技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数和运动规律。接着应用Solidworks软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑小车的功能实现、加工制作和成本等方面的因素。小车齿轮、轴承等标准件可以采购，部分精度要求高的零件需要机器设备加工。小车受力不大，配合处可采用胶接。调试过程会通过微调改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。关键字：无碳小车；参数化设计；软件辅助设计；微调机构；灵敏度分析目录摘要........................................................................................................................3第一章绪论..........................................................................................................61.1本届竞赛命题主题.................................................................................61.2小车功能设计要求.................................................................................61.3小车整体设计要求.........................................................................................71.4小车的设计方法.....................................................................................7第二章方案设计..................................................................................................82.1小车整体模型图............................................................................................122.2车架.......................................................................................................122.3原动机构...............................................................................................132.4传动机构...............................................................................................142.5转向机构...............................................................................................152.6行走机构...............................................................................................17第三章技术设计..............................................................................................183.1建立数学模型及参数确定...................................................................183.2能耗规律模型...............................................................................................18第四章零部件设计..........................................................................................204.1后轮与前轮....................................................................................................214.2齿轮传动机构................................................................................................224.3前轮机构........................................................................................................22第五章结论与展望..........................................................................................245.1结论...............................................................................................................245.2展望...............................................................................................................24参考文献........................................................................................................24第一章绪论1.1本届竞赛命题主题本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。1.2小车功能设计要求给定一定重力势能，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（间隔1米，直径20mm、高200mm的多个圆棒）。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），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400±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：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。1.3小车整体设计要求小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。1.4小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。作品的设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法。采用了MATLAB、Solidworks等软件辅助设计。小车的设计流程图如图1所示。小车功能分析可行的方案组合几种可行的方案明确小车的任务要求评价敲定方案建模分析初步参数确定参数优化选择材料确定尺寸评价零部件设计总体设计加工制作调试评价结束改进NYNYNY方案设计技术设计制作调试图1小车设计流程第二章方案设计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五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。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，选择最优方案。小车的设计框图如图2所示。在选择方案时应综合考虑小车的功能实现、加工制作、成本等各方面因素，小车的功能实现框图如图3所示。加工制作和成本框图如图4所示。无碳小车转向机构传动机构原动机构行走机构微调机构车架三角底板式骨架式绳轮式弹簧储能式链轮式直齿轮锥齿轮带轮不用附加传动凸轮+摇杆曲柄连杆+摇杆曲柄摇杆差速转向双轮同步双轮差速驱动单论驱动微调螺母滑槽使用差速器偏心轮单向轴承圆柱凸轮普通凸轮图2小车设计框图功能实现行走路程远减少内部摩擦损耗避开障碍多减少与地面的摩擦损耗可根据不同的地面调整驱动机构简化机构减少高副减少转轴轴承等直径充分润滑保证零件精度选择适当的材料减少小车重量增大轮子的半径保证加工装配精度对小车行走影响较灵敏的零部件尺寸可微调图3小车功能实现框图加工制作最大公差原则固定连接采用胶接尽量采用标准件减少加工件数量设计零件加工简单成本选择低成本的材料就地取材降低加工成本等图4设计考虑的因素2.1小车整体模型图2.2车架车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝合金板加工制作成长方形底板式。2.3原动机构原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其