“S”型无碳小车创新设计

涂益建

摘要：本作品设计以“S”型无碳小车创新设计命题，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”四个方面要求。

本作品设计目的主题围绕“无碳”，即不利用有碳能源，根据能量转换原理，利用重力势能驱动具有方向控制功能的小车模型。这种小车结构轻巧，能够将重力势能转化成小车的动能，从而完成小车的所有动作。

该小车行走时能够避开所设置的障碍物，障碍物所摆放的间距由转向机构中的偏心轮（偏心距）决定，根据偏心距的不同可以得到不同的“S”型曲线。

关键词：无碳小车；重力势能

第1章小车工作原理和理论设计

1.1工作原理

重锤的牵引带动原动轮的转动，原动轮的转动带动齿轮转动，再根据两齿轮之间的齿轮啮合带动驱动轮转动，在原动轮转动时偏心轮也同时转动从而使连杆、摇杆动作，杆前后运动，摇杆圆周运动，使得转向轮偏转，根据驱动轮转向，小车就可以按照要求一边行走一边转弯。

小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上采用参数化设计、优化设计、系统设计等理论方法。采用了SOLIDWORKS等辅助软件。

1.2小车基本构架

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。为了方便设计根据小车需要完成的功能将小车分为四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）。

第2章小车总体分析

2.1小车功能实现

2.1.1原动机构

原动机构的作用是将重锤的重力势能转化成小车的前进的动能。小车对原动机构的要求：

⑴驱动力适中，不至于小车在拐弯处速度过大而侧翻，或者重锤晃动厉害影响小车行走。

⑵小车的重力势能尽可能多的转换成动能，避免小车冲击过大，转换效率下降。

⑶由于小车在不同场合行走时所受的阻力会有所不同，故小车的动力提供必需可调。基于以上原则原动机构采用绳轮式。

2.1.2传动机构

传动机构是将动力传递给驱动轮的架构。要使小车行驶的更远且按既定的轨迹行走，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单质量轻。因此选择齿轮传动。

2.1.3转向机构

转向机构同样要减少摩擦耗能，增加利用率，减少机构的复杂度，同时小车还需有特殊运动性质。在运动中通过自动转弯来规避障碍。

2.2小车工艺分析

由于小车零部件都是非金属做成，且大部分零部件精度适中，所以采用普通转铣床、精雕机、3D打印机等设备去完成小车的零件加工。主要零部件加工工艺：

零件;加工工艺底板;红色电木毛坯一块，精雕机精雕工艺孔

齿轮;3D打印轴承;外发参数，外购

连杆;3D打印偏心轮;3D打印

摇杆;3D打印前轮;铣床粗加工

第3章小车参数确定

参数设计阶段目标是为了完成详细设计并确定小车个零部件尺寸，设计过程中综合考虑加工成本等各方面因素。

3.1小车齿轮参数

两啮合齿轮为标准直齿轮，所以压力角为，模数为2，查机械手册套用计算公式将两齿轮参数一一解出，通过数据建模齿轮。

3.2小车轴承

为使小车两轴传动摩擦损耗减小，两轴两端采用深沟球轴承对轴进行稳定传动。因为此轴承为标准件，故直接从SOLIDWORKS软件插件中导入即可。

3.3小车偏心轮参数

此参数是小车设计中最为重要的，它决定了小车能否实现转向功能和得到不同轨迹线的参数，偏心轮偏心距的调节即可改变小车的运动轨迹。故偏心轮的直径d2=80mm，根据直径尺寸确定偏心距间距e=9mm。

第4章小车运动仿真

小车运动仿真设计是模拟小车的运动状态，它可以反映小车的时时状态，输入模拟参数便可以得到想要的模拟状态和图表信息。

以上是小车运动时三个主要零部件的线性幅值位移的输出图解，通过此图表可以得出理论参数、轨迹线、运动状态与实际相符程度。

给定小车后轴一个马达并输入马达转速和需输出的物理量，这样小车的行走速度就可以以图表的形式输出了。

第5章计算

5.1小车摆角

根据小车的实际模型要求把小车的初始偏心距设置为=27mm。根据连杆和摇杆长度不变的性质，构造三角形法则，假设小车运动到正X方向27mm,小车得到正方向的最大摆角为，小车运动到X负方向27mm时得到负方向最大摆角，初始时刻连杆和摇杆的角度为,且连杆定长为=109.7mm，摇杆定长为=72.5mm。计算如下：

当连杆运动到最大距离时，即27mm处，得△ADC且已知AD=72.5mm为摇杆长度，DC=27mm为偏心距=27mm，为正方向最大摆角。

故：tan=DC/AC=27/72.5

=arctan27/72.5

=

故当偏心距=27mm时，转向轮转向角度范围是（-）。

5.2小车偏心轮

由以上传动数据可以得出小车偏心轮处的圆周速度。

将此数据和模拟数据对比可以计算出理论与实际误差。

根据对比可知，小车连杆模拟速度幅值为141mm/s,而实际计算出=141.3mm/s,由此得出误差百分比为S=（141.3-141）/141.3*100%

=0.21%

此误差值在可控范围之内，计算数据可靠。

5.2.1小车力学分析

将小车状态运动至初始状态，再将弹簧测力计钩至绕线绳环上，一手指扣住测力计拉环且测力计与地面垂直，轻轻用力向下拉直至小车刚好运动时记录此时拉力计的读数，重复以上动作8次，将记录好的数据填入表格。

小车行走初相为零即=0，T/2=564mm，A=110mm

且小车行走路线近似符合正弦曲线，因此小车行走标准曲线公式为

Y=Asin(t+)

T=2/

/=564

=/564

将所有已知数据带入公式得：

Y=0.11sin5.57t

结论

本人此次设计此作品的目的在于提高自己实践经验以及为以后从事此方面工作打下基础，另一方面是为了吸引更多的设计爱好者也投入到实际设计中来，最主要的是通过此次设计来了解更多的有关自动化设备的设计、工作原理、以及调机等一系列知识。

在最后对小车的运动轨迹获取时发现小车只有半个周期的轨迹路线，实验发现是小车转向出了问题，因小车转向块设计不合理导致小车转向角度小且转向出现滑移现象，对此现象本并未对小车零部件设计进行更改，而是对小车功能进行发现后发现小车其余数据可以根据前面的模拟数据推演而得，故小车最终勉强完成并得出小车运动正弦曲线公式：Y=0.11sin5.57t

虽然此次的作品设计勉强实现小车的功能，但是本人觉得此小车还有很大的优化空间，比如小车的转向机制和小车的重力势能供给。

参考文献

[1].成大先.机械设计手册.[M]化学工业出版社，2000

[2].王跃进.机械原理.[M]北京大学出版社，2009

[3].华大年.连杆机构设计与应用创新.[M]机械工业出版社，2008

[4].朱金生.机械设计实用机构运动仿真图解.[M]电子工业出版社，2012

[5].李庆余.机械制造装备设计.[M]机械工业出版社，2008

[6].杨光.机械设计课程设计手册.[M]高等教育出版社，2010