“S”型无碳小车设计说明书

“S”型无碳小车设计说明书
目录
一、绪论
1.1竞赛命题主题
1.2小车功能设计要求
二、方案设计
2.1路径选择
2.2转向装置
2.2.1前轮转向装置设计
2.2.2后轮转向装置设计
2.3能量转换装置设计
2.4微调机构设计
三、参数设计
3.1路径参数设计
3.2其他参数设计
四、选材加工
五、附录
一、绪论
1.1竞赛命题主题
本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。

要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一台本命题要求的可运行的机械装置，并进行现场竞争性运行考核。

每个参赛作品需要提交相关的设计方案。

竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。

1.2小车功能设计要求
1、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而得到的。

该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。

标准砝码始终由小车承载，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
2
换而得，不可以使用任何其他来源的能量。

3、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。

4、要求小车为三轮结构。

具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。

二、方案设计
2.1路径选择
我们选择了“S”型方案，路径如图2所示，图中所示“S”是后轮轴中点轨迹。

在设计计算中我们近似认为这是一条余弦曲线，通过分析道路要求给出曲线方程各项参数，从而得到后续理论设计的基础数据。

图2：小车路径轨迹示意图（后轮轴中点轨迹）
2.2转向装置
2.2.1前轮转向装置设计
考虑到小车在行进过程中要实现自行转向，我们选择通过改变前轮摆角来控制整个小车的转向，有两种备选方案：1、凸轮+连杆+摇杆；2、曲柄连杆+摇杆。

第一种方案中，凸轮的设计加工难度较大且成本较高，一般而言实用性不强，想要实现对小车路径的精准控制不易，而相较之下方案二中曲柄机构更容易设计计算，路径特殊点所对应曲柄的位置更容易找到，还可以通过改变曲柄偏心距实现间距微调，而且加工成本较低，拆装稳定性好，原理简单易懂，可以帮助中学生或大学生快速理解机械传动和加工原理，因此我们选用方案二，如图3所示。

图3：前轮转向机构
2.2.2后轮转向装置设计
后轮通过差速设计实现转向，主动轮给全车提供驱动力，从动轮自由转动，在转弯的时候由速度差实现转向。

2.3能量转换装置设计
小车的动力来源于重锤的重力势能，通过重锤下落，实现重力势能与动能的转换，从而实现小车的驱动。

将重锤通过滑轮用细绳缠绕在主动轮轴上，绕轴端接死，重锤的重力通过细绳作用在主动轮轴上，从而对轴产生一个力矩，使轴旋转即实现主动轮的转动。

图4：绕线滑轮及主动轮轴俯视图
2.4微调机构设计
在连杆轴与摇杆交接处连杆轴上通过螺纹旋装两个调节螺母，分别起到位置调节与固定锁死的作用。

它的调节机理是分别旋紧前后螺母，微调摇杆于连杆在曲柄处于上下平衡位置时的垂直关系，最终决定了小车能不能走成一条直线“S ”。

三、参数设计
3.1路径参数设计
根据余弦曲线方程结合竞赛赛道要求，写出最终的近似轨迹方程为：
x y πcos 26.0=
因此得到一个周期内的曲线长度为：
dx dx dy s ⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2
02
11 求解方程可得到m s 30046.21=。

3.2其他参数设计
由求得的单位周期内的曲线长度，根据既定目标距离和小车结构设计即可得出轴及齿轮等相关系数，本车目标距离是m l 80=，结合重锤势能J 4（取2/10s m g =）可最终确定轴径为mm d 3=，加速齿轮传动比为3=i 。

四、选材加工
由于小车在行进过程中的功耗大部分来源于运动副摩擦及轮子与地面的摩擦，运动副之间的摩擦只能通过充分润滑改善，而来源于地面的接触摩擦则需要减轻质量方能得到改善，综合各方面因素，我们选用刚度充分且质量较轻的材料加工。

（如：有机玻璃，塑料，铝等）
诸如轴承、螺栓等标准件可以直接在市场上低成本选购。

五、附录
图5：微调机构
小车整体三维效果图。