结构设计方案

结构设计方案根据本届大赛命题的相关基本要求及功能要求，我们确定了如下设计思路：1、结构的设计与成本分析、加工工艺和车身重量统筹兼顾，力求作品的最优化解；2、重力势能转换成动能的装置应当是机构简洁与转换高效的最优化解；3、能量的传递装置应当简洁高效；4、前轮的自动转向装置与避开障碍物这一功能要求、前进距离和转向平稳统筹考虑，以求最优解；5、转向轮的设计要充分考虑加工工艺和制造成本。

能量转换装置的设计本次大赛中小车所有的能量均来自5焦耳的重力势能，考虑到其能量有限、加工工艺和转换效率，我们决定采用滑轮组、绳索和绕线槽组成能量转换装置。

绳索一端固定在定滑轮上，另一端固定在绕线槽上，重物与绕线槽之间有滑轮组。

当重物下降时，通过绳索的拉动使绕线槽转动。

只要重物下降，绕线槽就会转动，这种转换装置结构简单且转换效率高。

所述绕线槽的绕线轴部分设计成螺旋阶梯状，利用轴的不同大小外径实现不同大小的驱动力矩，使小车先加速后匀速再减速运动。

转向机构的设计对于转向机构，我们设计的理念为：既要灵活实现自动转向功能，又要方便加工制造。

我们对比考虑了凸轮、连杆等机构。

由于凸轮凸轮机构凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，凸轮设计制造困难；而曲柄摇杆机构中运动副为面接触，压力较小承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副是几何封闭的，对保证工作可靠性有利，连杆机构也方便的改变了运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传送的目的。

我们综合考虑，选择了曲柄摇杆机构。

小车轨迹及功能设计本次大赛命题要求：小车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20毫米，高200毫米的弹性障碍棒）。

根据小车平稳性的要求，我们设计的车宽最大为160mm，并估计小车的质量为2㎏（大于重物与载荷的总质量1.4㎏）。

为了是小车实现这些功能，我们决定分以下几步设计：（1）、定小车行驶的轨迹示意图，定摇杆摆动一个周期小车行驶的水平距离S 为了小车的运动轨迹符合大赛中的功能要求，我们的小车以倒“S”型轨迹向前行驶，自动避开障碍棒。

以小车在起跑位置车身和转向轮向正前方，摇杆在平衡位置为准。

摇杆摆一周小车的轨迹大至呈半圆弧状，综合计算取S=1.2m较为适宜，此时小车轨迹与水平线的交点距第一个障碍棒中心最小距离为20mm ，距第二个障碍棒中心最小距离为40mm ，依此类推，可知S=1.2m 是比较好的。

（2）、定传动比i 13, 3113i ωω= 1ω为后轮的角速度，3ω为曲柄的角速度。

由（1）知道，摇杆摆动一个周期，小车水平行驶1.2m 。

那么小车后轮走的路程必然大于 1.2m ，因为小车走的是曲线轨迹。

则后轮的半径与水平位移的关系为：13i 12S r ⨯π＞ ① 式中，r —后轮半径s —小车在摇杆摆动一个周期的水平位移ωi 13—后轮与曲柄的传动比令i 13分别为2、3、4代入① 得，r 1＞95.54mm ，r 2＞63.69mm, r 3＞47.77mm 。

综合车宽和减速器的设计考虑，i 13=3（3）、定摇杆最大摆角ψ与后轮半径r 当传动比 i 13=3确定后，小车的轨迹主要与摇杆最大摆角ψ与后轮半径r 有关，根据命题对轨迹的要求即可求出摆角ψ与后轮半径r 。

取曲柄转动第一个周期为研究对象，在任一时刻t 满足以下关系： V x =r 1ωcos 3ωtV y =r 1ωsin 3ωt432π=ωω i 21=ωω12 S X =tdt rcos 3t 01ωω⎰=t rsin 34i ωπ ①S y =）（πt cos 1r tdt rsin 34i 3t 01ωωω-=⎰ ② 令t 3ωϕ=，时距障碍棒最近，则有S X =0.2m ③S y =0.14m ④把 ③、④代入①、②得︒=65.328，ϕ.01rsin 4i =，πϕ又r ＞63.69mm ，可取r=80.00mm求得 ϕ=64.8°综上 ϕ=64.8° r=80.00mm式中 V x ——小车在水平方向上的的速度分量V y ——小车在垂直于水平方向上的的速度分量2ω——减速齿轮的大齿轮的角速度S x ——小车在水平方向上的位移S y ——小车在垂直于水平方向上的位移（4）、定曲柄摇杆机构各杆件的长度为了使小车转向时平稳，我们采用无急回的曲柄摇杆机构。

参考机械原理{西北工业大学机械原理机械零件教研室编 第七版}第136—137页3}及例8—5： 令Ø=0。

即k=1。

ϕ=64.8°可求得：a/d=0.164 b/d=0.937 c/d=0.306结合小车的导向性，稳定性综合考虑，取d=150mm 。

则 a=24.6mm b=144.9mm c=45.9mm经验算符合 a+d ≤b+c 这一基本条件式中：Ø——极位夹角 K ——行程速比系数 φ——摇杆摆角 a ——曲柄杆长b ——连杆杆长c ——摇杆杆长d ——机架长度此曲柄摇杆的最小传动角rmin=51°因而该机构的传力性能良好，更不会发生自锁。

减速器的设计：由（2）可知：3i 13= 5.03223i ==ωω 则6i i i 231312== i 12减速器小齿轮与大齿轮的传动比在强度与结构合理的条件下，齿轮的模数应尽量的小，我们的减速器的小齿轮的模数m=0.8、Z=18，大齿轮的模数m=0.8、Z=108、齿宽b=4mm 。

由公式m=Am z Y T FP es m 2311k σφ对齿轮进行强度校核，其符合强度要求式中、 计算系数—Am 2786.1/b Y FSmin FP fp m m ---=-=表齿形系数根据实际选用力作用于齿顶时的复变许用弯曲应力受力时齿宽系数，—σσσφφm小车运动方案设计小车行走的动力来源于绳索与绕线槽产生的驱动力矩，阻力来自导向轮的转向、小车车轮与地面滚动摩擦以及各运动副的摩擦力。

M f =m 0.0875N r mg 6mgl 321⋅=+μηηη ① mm 5.17r F M 1f ==因为后轮转一圈走的路程是s=2πr=0.5m ，为了使小车在加速过后能够平稳前进，我们令小车加速到最大的速度s m 5.0V t =，则由能量守恒有2t f 1mV 21M gh m =-θ ② 把 π2=θ，2r h π=代入②得 5.22r 2=mm式中 m ——小车总质量 ————m=2kg1m ——重物的质量 ————m 1=1kgμ——滚动摩擦系数 ————μ=0.05l ——转向轮宽 ————l=8mm1η——曲柄摇杆的传动效率 ————1η=70%2η——锥齿轮传动效率 ————%982=η3η——减速器传动效率 ————%983=ηr ——后轮半径 ———— 80mmr 1——绕线槽小轴半径r 2——绕线槽大轴半径f M ——小车总的阻力力矩F ——绕线槽端绳索的拉力 ———— F=5NV t ——后轮加速后达到的最大速度所以，小车加速到V t =0.5s m 后就匀速行驶，直到重物到达最低点，线卡脱离线槽，小车减速行驶到停止。

经计算，小车加速行驶的路程为0.5m ，匀速行驶的路程为3.9m ，减速行驶的路程为0.25m ，小车总的行驶路程为4.65m 。

各装置或机构的组合设计能量转换装置——支撑杆、滑轮组、重物、绳索、绕线槽：支撑杆下端固定在车架上，上端伸出一悬臂梁，悬臂梁挂滑轮组，绕线槽固定在后轮轴的中间位置，重物和动滑轮与绕线槽间用绳索连接。

减速器：为了减少运动副，且在符合要求情况下，我们采用一级减速器。

减速器的小齿轮固定在绕线槽所在的后轮轴上，大齿轮固定在从动轴上，即直齿半锥齿轮所造轴上。

动能传递装置——两个较大的直齿半锥齿轮、一个较小的直齿锥齿轮：两个较大的直齿半锥齿轮小端相对且绕所在轴旋转180°对称地安装在从动轴上，较小的直齿锥齿轮安装在两个较大的直齿半锥齿轮的正下方并与之啮合，小的直齿锥齿轮轴的下端与曲柄一端固定在一起，中部放在车架圆孔中，可旋转。

转向装置——曲柄摇杆机构：摇杆的一端与导向轮支架固定在一起，当曲柄转一个周期时，摇杆带动转向轮来回摆一个周期，实现前轮导向功能。

Proe三维模拟造型主要零件的设计导向轮：考虑到加工工艺、造价及重量问题，导向轮采用聚甲醛（共聚）这种塑料制作，轮的厚度为8mm，最大直径为φ30，中心有一个φ11的通孔，孔内安装一个大径φ11小径φ5的轴承。

导向轮支架：导向轮支架用聚甲醛（共聚）这种塑料制作，为了使前轮更好的导向，导向轮下部向前倾斜，与垂直方向的夹角为30°。

直齿半锥齿轮、锥齿轮的设计：综合多方面考虑，我们选用PA_66这种塑料制作，它具有强度高、摩擦系数小的特性，抗拉强度为90——120MP a，硬度为85——114HRC。

由于曲柄转了一圈，小车只走了一个近似的半圆弧，所以光靠一个曲柄摇杆机构不能使小车实现倒“S”形曲线行走轨迹，为解决这个问题，我们设计了两个直齿半锥齿轮与一个小的完全锥齿轮组成的装置，直齿半锥齿轮的齿数是小锥齿轮的2倍，当两个直齿半锥齿轮所在的从动周转一周时，小锥齿轮就像顺、逆方向各旋转一周，从而实现小车预定的轨迹，直齿半锥齿轮的模数m=1.25，齿数z=40(实际齿数为20)；小锥齿轮的模数m=1.25，齿数z=20。

选用PA_66这种塑料来制作。

绕线槽的设计：绕线槽是能量转换装置中最重要的零件，我们采用工程塑料ABS这种材料制作，它具有良好的力学性能和综合性能。

为了使重力势能充分转换利用，我们设计的小车的运动是先加速后匀速再减速的，为此绕线槽绕线部分设计成了阶梯轴，绳索在大轴上绕一圈，其余绕在小轴上，其中小轴上有一个小的槽，用于插线卡。

小车刚开始启动时，静摩擦力较大，故绳索绕在大轴上有足够的力矩让小车加速启动；启动后，绳索绕在小轴上，此时绕线槽提供的力矩等于阻力力矩，小车匀速运动；当重物下降到最低点时线卡脱离小轴，小车在阻力矩作用下减速行驶直到停止。

后轮的设计：从加工工艺、成本分析及重量方面考虑，我们选用采用聚甲醛（共聚）这种塑料制作，他的摩擦系数小，质量轻。

后轮半径r=80mm，宽为10mm，并设计成中继有三个支架的非实心轮。

后轮轴的设计：由于后轮轴需要经过复杂的加工，所以选用45钢这种金属材料制作。

车架的设计：我们车架的设计机构简洁，重量小，便于加工，同时又满足其功能要求，是综合小车整体尺寸设计出来的。

用ABS这种工程塑料制作。

主要零件之间的配合及装配设计所有孔轴之间的配合均采用基孔制，考虑到在比赛现场要把前轮拆下来，同时又能够固紧，前轮和轴承之间采用6H7这种过盈配合；其余孔轴之间由于不n要拆卸，均采用6sH7这种过盈配合；四连杆机构的转动副以及直齿锥齿轮轴与车座孔的配合采用6H7的间隙配合。