本科生畢業(yè)設(shè)計開題報告書題 目 一種行駛特定軌跡 的無碳小車的設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專業(yè)班級 指導(dǎo)老師 年 3 月 25 日設(shè)計題目 一種行駛特定軌跡的無碳小車的設(shè)計課題目的、意義及相關(guān)研究動態(tài)：1、課題目的、意義：開發(fā)新能源和可再生能源是能源可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)有之義。我國的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)里，煤炭、石油與天然氣等不可再生能源占絕大部分，新能源和可再生能源開發(fā)不足，這不僅造成環(huán)境污染等一系列問題，也嚴(yán)重制約能源發(fā)展，必須下大力氣加快發(fā)展新能源和可再生能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)能源供給能力，緩解壓力，故無碳小車可能開啟我們的智慧之門，創(chuàng)造出新型小車 [1]。2、相關(guān)研究動態(tài)：在前幾屆工程綜合能力訓(xùn)練競賽中“S”型的小車全國前二十名中，各個小組他們的車大致由車架 、原動機(jī)構(gòu) 、傳動機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個模塊組成 [2]。從六個部件分別對他們的小車進(jìn)行了分析得出如下結(jié)論：（1）車架材料都是選用密度比較小的硬質(zhì)材料（有機(jī)玻璃、硬鋁等） 。 （2）原動機(jī)構(gòu)都是通過滑輪懸掛，不過有些小車的帶輪很大而且掛重物的線繩還在帶輪上繞有一定的圈數(shù)（我猜想可能是用于控制重物下降的速度） 。 （3）傳動機(jī)構(gòu)都是選用小模數(shù)的高傳動比一級齒輪組來進(jìn)行傳動。 （4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有的車用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)用球頭連桿連接、凸輪機(jī)構(gòu)兩種。（5）行走機(jī)構(gòu)分單輪驅(qū)動、雙輪驅(qū)動。 （6）微調(diào)機(jī)構(gòu)有可調(diào)曲柄、曲柄盤，主要目的是為了改變曲柄的長度來改變小車轉(zhuǎn)向的角度從而達(dá)到適應(yīng)不同場地不同障礙物的而要求。 由于小車是純機(jī)械機(jī)構(gòu)控制所以對零件的加工精度和裝配精度要求非常高，而這些學(xué)校能夠跑出如此好的成績很大程度上要?dú)w功于精密的加工 [3]。另外，機(jī)構(gòu)的正確選用和長時間的調(diào)試也和他們的成功息息相關(guān)。課題的主要內(nèi)容、創(chuàng)新之處：1、課題的主要內(nèi)容：設(shè)計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為 4 焦耳（取 g=10m/s2） ，競賽時統(tǒng)一用質(zhì)量為 1Kg 的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差 400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動，不允許從小車上掉落 [4]。要求：（1）小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。 （2）小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競賽場地。 （3）小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計、材料選用及加工制作均由學(xué)生自主完成。2、創(chuàng)新之處：（1）無碳小車是以 4 焦耳重力勢能為唯一能量的、具有連續(xù)避障功能的三輪小車，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無碳。（2）小車采用的擺桿機(jī)構(gòu)由傳統(tǒng)的剛性桿改為柔性繩索，小車控制轉(zhuǎn)彎更省力，躲避障礙物的周期更容易實(shí)現(xiàn)與控制，同時降低了整車重量。（3）利用有機(jī)玻璃作為輪子，易于實(shí)現(xiàn)差速，且降低了輪子與地面之間的摩擦系數(shù)（4）整體構(gòu)造簡單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。（5）主副輪驅(qū)動，沒有將兩個后輪均與驅(qū)動軸固定，而是將驅(qū)動軸的一側(cè)通過鍵與一后輪聯(lián)接，另一側(cè)通過軸承與另一后輪聯(lián)接 [5]，此結(jié)構(gòu)解決了小車在行駛過程中兩后輪轉(zhuǎn)彎半徑不相同的缺點(diǎn)，使其轉(zhuǎn)向更靈活，也同時減小了小車啟動的力矩。研究方法、設(shè)計方案：1、研究方法： 技術(shù)設(shè)計階段我們先對方案進(jìn)行了分析，綜合運(yùn)用了運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、能量學(xué)以及機(jī)械設(shè)計等分析。首先把小車分為車架 、原動機(jī)構(gòu) 、傳動機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)七個部分分別進(jìn)行設(shè)計。2、設(shè)計方案：通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、自動避開障礙物 [6]。為了方便設(shè)計這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進(jìn)行模塊化設(shè)計（車架 、原動機(jī)構(gòu) 、傳動機(jī)構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、行走機(jī)構(gòu) 、微調(diào)機(jī)構(gòu)） 。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思，我們在互聯(lián)網(wǎng)上搜素和參考了大量的資料和文獻(xiàn)。在選擇方案時應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。（1）車架 車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]到重量加工成本等，車架采用鋁條焊接加工制作成三角底板式。（2）原動機(jī)構(gòu) 原動機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。我們設(shè)想使用飛輪作為儲能機(jī)構(gòu)，小車對原動機(jī)構(gòu)應(yīng)有這些要求：①驅(qū)動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。②到達(dá)終點(diǎn)前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)上 [7]，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。③由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。④機(jī)構(gòu)簡單，效率高。 所以我們選用了錐形的繞線輪原動機(jī)構(gòu)，這樣可以調(diào)整驅(qū)動力。繞線輪兩端半徑不同，繞線位置的粗細(xì)可以調(diào)整驅(qū)動力的大小。（3）傳動機(jī)構(gòu) 傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單重量輕等。 ①不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。 ②帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。 ③齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優(yōu)先考慮使用齒輪傳動。（4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運(yùn)動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+滑塊連桿、曲柄連桿+ 搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。①凸輪機(jī)構(gòu)+滑塊連桿機(jī)構(gòu)凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動。 優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A(yù)期運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難。 ②曲柄連桿+搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。 缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡，且設(shè)計較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)往往比較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加 [8]；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動和作往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)件所長生的慣性力難以平衡。 ③曲柄搖桿 結(jié)構(gòu)較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計出較好的機(jī)構(gòu)。 ④差速轉(zhuǎn)彎 差速拐是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實(shí)現(xiàn)拐彎避障。 差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計方案。和凸輪同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據(jù)需要來調(diào)整輪子的尺寸。 （5）行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)：由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。 雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠(yuǎn)比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進(jìn)受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。 雙輪差速驅(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實(shí)現(xiàn)差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著 [9]。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。 單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅(qū)動輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。 綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，可以如果有條件可以通過實(shí)驗來確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動。 （6）微調(diào)機(jī)構(gòu) 一臺完整的機(jī)器包括：原動機(jī)、傳動機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用凸輪機(jī)構(gòu)+滑塊連桿機(jī)構(gòu)方案，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)對于加工誤差和裝配誤差很敏感，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等） ，使小車走一條最優(yōu)的軌跡 [10]。微調(diào)機(jī)構(gòu)可以采用微調(diào)螺母式、滑塊式，通過比較微調(diào)螺母更為理想。（7）緩沖機(jī)構(gòu)在車底盤上設(shè)置了一個彈簧裝置，可以讓重物下降到底部的時候有緩沖，這樣可以減少對車體的沖擊。重物下落至小車上與彈簧相碰，避免碰撞時速度變化大，避免損失更多能量。完成期限和預(yù)期進(jìn)度：畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書下達(dá)：2016 年 3 月 1 日前?！?1畢業(yè)設(shè)計開題：2016 年 3 月 27 日前?！?2畢業(yè)分散實(shí)習(xí)、調(diào)研（2016 年 3 月 1 日至 3 月 13 日）：進(jìn)行畢業(yè)實(shí)○ 3習(xí)與調(diào)研，并結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題寫出調(diào)研報告。中期檢查：2016 年 4 月 12 日前?！?4完成具體詳細(xì)設(shè)計，并完成畢業(yè)設(shè)計說明書等文件資料。其中 4 月上旬進(jìn)行設(shè)計的中期檢查。畢業(yè)設(shè)計完成：2016 年 5 月 15 日○ 5⑥ 畢業(yè)設(shè)計結(jié)題、資格審查：2016 年 5 月 18 至 20 日。⑦ 答辯時間： 2016 年 5 月 21 日。主要參考資料：[1]Gregory B.Daniel,Katia L.Cavalca.Analysis of the dynamics of a slider -crank mechanism with hydrodynamic lubrication in the connecting rod-slider joint clearance[J]．Journal of Mechanical Design，2012，113(1)：30 一 44.[2] 王中杰,余章雄,柴天佑.智能控制綜述[J].基礎(chǔ)自動化,2006(6). 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