《机械创新设计》课程设计——“8”字型绕障功能的无碳小车的研发.docx

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1、工程创新实践课程设计报告书题目：“8”字型绕障功能的无碳小车的研发教师评语教师签名：日期：成绩评定选题（背景、实用性、创新性）（20分）摘要（独立性、自明性，中英文准确、通顺）（10分）方案论证（创新思维与创新方法的运用、合理性、可行性）（30分）过程论述（完整性、详实性、正确性）（20分）结果分析（设计结论、展望、创新点、应用等）（10分）表达（条理清晰、图文并茂、格式规范）（10分）总分（100分）备注“8”字型绕障功能的无碳小车设计摘要：无碳小车是以焦耳重力势能为唯一能量的、具有连续避障功能的三轮小车，实现了真正意义上的无碳。小车采用的摆杆机构由传统的刚性杆改为柔性绳索，小车控制转弯更省

2、力，躲避障碍物的周期更容易实现与控制，同时降低了整车重量。以重力势能驱动的具有“8”字型绕障功能的无碳小车，进行机构设计上的探讨和总结。并对其进行能耗规律和稳定性的分析,使其在前进的过程中，能量消耗得更少，走得更加久远。通过小车主要组成模块的分析和设计，分析偏差，设置参数，优化结构，确保结构的可行性，并减少加工的成本。关键词：“8”字型无碳小车机构设计AbstractAbstract:Thecarbon-freetrolleyisathree-wheeledtrolleywithcontinuousobstacleavoidancefunctionandjoulegravitationalpo

3、tentialenergyastheonlyenergy,whichrealizesthecarbon-freeintherealsense.Theswingrodmechanismadoptedbythetrolleyischangedfromthetraditionalrigidrodtotheflexiblerope,thetrolleycontrolturnsmoreeffortlessly,thecycleofavoidingobstaclesiseasiertorealizeandcontrol,andatthesametimereducestheweightofthevehicl

4、e.Thispaperdiscussesandsummarizesthemechanismdesignofacarbonfreetrolleywith,8shapedobstaclewindingfunctiondrivenbygravitypotentialenergy.Andtheenergyconsumptionlawandslabilityanalysistomakeitintheprocessofprogress,energyconsumptionisless,go1onger.Throughtheanalysisanddesignofthemaincomponentsoftheca

5、rmodule,analyzethedeviation,settheparameters,optimizethestructure,ensurethefeasibilityofthestructure,andreducethecostofprocessing.Keywords:u8uwordcarbon-freecarbodydesign1选题背景在化石燃料紧缺、环境污染严重的今天，无碳、节能、环保的理念越来越受人关注。无碳小车是将重锤的重力势能转化为小车前进的动能，具有节能环保，绿色无污染的优点。无碳小车作为一种理论模型，对研究开发新型机械工程装置提供新的方法和思路，有助于寻找更优化的能量转

6、化途径，提高能力利用效率。对汽车以及其他工程机械领域的发展有重要意义。最近，国际原油价格浮动比较大、汽车尾气排放继续增多、全球变暖等问题日益严峻,这些情况都让汽车生产商重新规划自己的发展。太阳能、氢燃料电池、电混合电力汽车等顺势而来，但是这些都成本太高、性能不是很好，因此，新型能源的开发研究和使用变得尤为重要。环境的污染、能源的紧缺等问题也越来越严重，可持续发展的道路势在必行,也将变成当今时代的最新潮流。很多国家把无碳技术用到工农业和日常生活的每个地方，“低碳生活”已成为全球发展趋向。现有的无碳小车在能量利用效率上已经较为成熟。为保证能量传动效率，传动装置大多采用齿轮传动，因此对小车总的安装精

7、度和运动平稳性要求较高。但目前的无碳小车行走轨迹单一，智能化避障不成熟，因此小车运动时的稳定性难以保证，需要进一步完善和提升。2方案论证2.1设计思路“8”字型绕障功能的无碳小车的研发过程主要运用了组合法和移植法两种创新技法。2. 1.1组合法的应用首先，根据小车的技术和功能要求，可大致将小车分为五个模块设计，包括:原动部分、传动部分、转向部分、驱动部分及车架部分。1）小车实现绕“8”字型运行，尽可能使8字轨迹更加丰满，不要太瘦长。2）保证小车转弯速度过大时不侧翻。3）装置的后期设计和选材方面，应该尽量减重。4）装置所有材料都应具备防水、防锈的特性。然后，期望通过寻找成熟技术单元，以技术组合的

8、方式形成一种新的技术系统，最终实现上述的所有功能需求。2.1.2移植法的应用通过移植法的运用，可以找到实现上述模块化功能的成熟技术单元，并加以移植组合形成完整的概念产品。2.1.2.1原动机构原动机构的功能是把重块的重力势能转化为到小车前进的动力上。于是，小车原动部分的设计须考虑以下条件：适当大的起动力矩，适当的牵引力，才能使小车足以起动、行驶平稳，拐弯的时候不会因为速度太大而出现晃动或者侧翻；重块在即将落到底板时，竖直方向上的速度应该尽可能地小，以免较大地冲击小车，以至于停车；由于每种材料的摩擦力不同，场地的不确定性，小车转化的动力也不同，因此需要考虑牵引力可调；小车的机构设计应该尽量简化，

9、减轻小车整体的质量，减少消耗；综合以上方面的考虑，选择采用以前设计中出现的输出动力可调的绳轮机构，材料选用铝合金。为减少能量损失，采用高强度的尼龙线。1-尼龙绳，2-铝合金滑轮图2-12. 1.2.2传动机构传动机构主要是将转化来的动力传到小车的驱动轮上。要使小车按照理想的轨迹行走，并且收到比较满意的结果，传动部分的设计须要保证传递效率高、传动稳定、结构简单、质量轻等优点。常见的传动机构及分析如下：带轮传动：结构相对简单、传动平稳、抗震性能较好、成本低等，图2-2带轮传动但其效率和传动精度不高，不适合本小车设计，固舍弃。齿轮传动：结构紧凑、工作可靠、传动比稳定、传动效率高，可达到95%。图2-

10、2齿轮传动同步带传动：虽然传动效率很高，但是无碳小车中两传动轴的中心距小,不容易保证包角，所以舍弃。皮带传动：易打滑，不够平稳，传动性不好，摩擦较大，能耗损失太大。链条传动：传动比较准确，且质量轻，但瞬时转速和瞬时传动比无法固定，传动的平稳性较差。2.1.2.3转向机构要实现8字型轨迹周期性的绕行，必须满足轨迹封闭且曲率不能突变，这就要求转向机构必须具有转向和间歇的功能，又因为障碍物的距离是可调动的，则要求转向机构根据间距做一定的调整，所以还必须设计调节机构。当然，在同样能满足基本功能的时候,要考虑怎样才能使小车更精确地转向、更远更稳地行驶。(1)转向部分通过查阅大量书籍和文献，能够实现将竖直

11、平面的转动转化为水平面运动的转向功能机构的主要有以下几种：锥齿轮、凸轮摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等。考虑到结构的复杂和安装精度等当面,不考虑前两者,后面两者的比较分析如下:差速转弯：通过运用两个驱动轮的角速度不同，而导致转动的半径不同，从而使产生不同的速度，形成差速，但是加工精度要求高，较难实现预期的运动。曲柄摇杆：曲柄做圆周运动转化为平面的往复运动，结构简单，加工方便。(2)间歇部分间歇机构的主要功能是将主动件中的连续运动转化为从动件有停歇的周期或非周期性的运动。使用比较多的机构有：凸轮、不完全齿轮、棘轮和槽轮机构,下面就这几种比较和分析。凸轮：摆角设计上有其优势，通过调整凸轮轮廓便于实现复杂

12、的轨迹样式。不完全齿轮：配合完全齿轮使用。当不完全齿轮上的轮齿与从动齿轮的相啮合时，从动轮运动；当啮合分开时，从动轮静止，停歇比可控性较高，设计较灵活。，但在啮合时，随着从动轮角速度的变化，机构将产生刚性冲击，且脱离啮合时，也会产生刚性冲击。图2-4不完全齿轮棘轮：具有单向间歇特性，多用于进给、制动、超越和转位分度等机构、且摩擦大，不适用于周期性的往复运动。槽轮：转位较快，效率较高。，但不能保证转弯时的稳定性，且槽轮的转角大小不能调节，制造和装配的精度要求较高，难以保证。2.1 .2.4驱动机构根据小车的运动原理和技术要求，初步确定可行的驱动方案有双轮驱动、差速驱动、单轮驱动，三种方案的对比和

13、分析如下：双轮同步驱动：小车前进中会有轮子与地面打滑从而产生滑动摩擦，能量利用率因此而降低，行走时也会受到更多的约束，导致行走的轨迹误差变大；双轮差速驱动：虽然可以通过差速器能相应的减少摩擦，但单向轴承存在间隙，在主动轮和从动轮的切换过程中会出现误差导致运动轨迹有偏差，精确度较低。2.2 设计方案基于技术组合和移植的“8”字型绕障功能的无碳小车的构想仍需对各成熟技术单元进行局部设计调整，并补充各技术单元之间的连接设计，进而设计出一套由原动部分、传动部分、转向部分、驱动部分及车架部分等五部分组成的完整装置。2.2.1原动机构综合以上方面的考虑，选择采用以前设计中出现的输出动力可调的绳轮机构，材料

14、选用铝合金。为减少能量损失，采用高强度的尼龙线。开始时，起动力矩克服车轮的阻力矩向前滚动，起动小车，重物下降的过程就是重力势能向小车动能的转换。由于重块下降过程中不是匀速运动，实际下落的运动规律是：由静止开始加速，然后匀速下落，最后进入减速阶段，以接近速度为零落至底板。因此，开始时需要较大的起动力矩，才足以将小车牵动。所以需要对滚筒的直径进行设计，这里通过资料的查阅，决定采用锥形圆柱体和滑轮组合结构，能够更好地满足以上的运动规律，使小车能够比较平稳地起动和行走得更长。这样既减小了能量的损失，也充分地运用了重块下降所做的功。此外，需要注意的是变径线轮和驱动轮轴之间为过盈配合。小车原动部分机构设计

15、的组合方案，如图2-5所示，1-锥形圆柱体（绕线），2-滑轮机构（悬挂重块）图2-5小车原动机构图2.2.2传动机构综上分析，可以采用线切割铝合金制造齿轮，以保证传动的精确性与质量较轻，固选齿轮传动。由于小车的动力源全部由重块提供，则驱动轮和转向机构都是通过传动机构来运作的。驱动轮旋转时，绕线筒在重块的牵引力下产生扭矩使得驱动轮轴转动。此外,还以一定的传动比将驱动轮上的旋转运动传递给摇杆，带动转向机构旋转。为了行走到接近重合的8字，传动部分的作用很大，则齿轮的传动比i的取值就显得非常重要。它不仅传递转向机构的动力输入，同时保证了在驱动轮完成一个周期的路程时，转向机构完成一个周期的动作。这里通过计算，以300mm直径的轨迹为例，后轮直径为200mm,则周长为200nmm。一个八字，轨迹长度相当于直径为30OmIn的两个圆，即60Onmm。则小车每走完一个八字，后轮就转动三圈，转向两次，如此循环。由于不完全齿轮与小齿轮是同轴输出的，则暂选传动机构中的齿轮传动比1:3最为合适，所以初步确定小齿轮z=29,大齿轮z=89,不完全齿轮与转向小齿轮的齿数比为1:2。须注意的是，齿轮的设计和材料的选择，以及加工精度的保证。以尽量减少受载时轴弯曲变形，因此各传动轴应有较高的刚度，位置上也有考虑轴的两端支承跨距尽可能小，轴伸尺寸尽可能短，齿轮尽可能