本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告書(shū)題 目 一種行駛特定軌跡 的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)老師 年 3 月 25 日設(shè)計(jì)題目 一種行駛特定軌跡的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)課題目的、意義及相關(guān)研究動(dòng)態(tài)：1、課題目的、意義：開(kāi)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(guó)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(kāi)發(fā)不足，這不僅造成環(huán)境污染等一系列問(wèn)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(wú)碳小車可能開(kāi)啟我們的智慧之門，創(chuàng)造出新型小車 [1]。2、相關(guān)研究動(dòng)態(tài)：在前幾屆工程綜合能力訓(xùn)練競(jìng)賽中“S”型的小車全國(guó)前二十名中，各個(gè)小組他們的車大致由車架 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)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(gè)模塊組成 [2]。從六個(gè)部件分別對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)都是通過(guò)滑輪懸掛，不過(guò)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(dòng)機(jī)構(gòu)都是選用小模數(shù)的高傳動(dòng)比一級(jí)齒輪組來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。 （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(dòng)、雙輪驅(qū)動(dòng)。 （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(zhǎng)度來(lái)改變小車轉(zhuǎn)向的角度從而達(dá)到適應(yīng)不同場(chǎng)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(duì)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(jī)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(zhǎng)時(shí)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(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)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(shì)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。給定重力勢(shì)能為 4 焦耳（取 g=10m/s2） ，競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一用質(zhì)量為 1Kg 的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來(lái)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(dòng)，不允許從小車上掉落 [4]。要求：（1）小車行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來(lái)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(jìng)賽場(chǎng)地。 （3）小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)、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(wú)碳小車是以 4 焦耳重力勢(shì)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(wú)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(shí)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(jiǎn)單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。（5）主副輪驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有將兩個(gè)后輪均與驅(qū)動(dòng)軸固定，而是將驅(qū)動(dòng)軸的一側(cè)通過(guò)鍵與一后輪聯(lián)接，另一側(cè)通過(guò)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(guò)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(shí)減小了小車啟動(dòng)的力矩。研究方法、設(shè)計(jì)方案：1、研究方法： 技術(shù)設(shè)計(jì)階段我們先對(duì)方案進(jìn)行了分析，綜合運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量學(xué)以及機(jī)械設(shè)計(jì)等分析。首先把小車分為車架 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)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(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。2、設(shè)計(jì)方案：通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開(kāi)障礙物 [6]。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為五個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架 、原動(dòng)機(jī)構(gòu) 、傳動(dòng)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(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思，我們?cè)诨ヂ?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(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu) 原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。我們?cè)O(shè)想使用飛輪作為儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)有這些要求：①驅(qū)動(dòng)力適中，不至于小車拐彎時(shí)速度過(guò)大傾翻，或重塊晃動(dòng)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(duì)小車過(guò)大的沖擊。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)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(dòng)能未釋放，能量利用率不高。③由于不同的場(chǎng)地對(duì)輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場(chǎng)地小車是需要的動(dòng)力也不一樣。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。④機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。 所以我們選用了錐形的繞線輪原動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)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(dòng)力的大小。（3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等。 ①不用其它額外的傳動(dòng)裝置，直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。在不考慮其它條件時(shí)這是最優(yōu)的方式。 ②帶輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動(dòng)精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。 ③齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定但價(jià)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(dòng)。（4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，零部件已獲得等基本條件，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)時(shí)，通過(guò)高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)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(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)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(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)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(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)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(dòng)規(guī)律對(duì)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(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所長(zhǎng)生的慣性力難以平衡。 ③曲柄搖桿 結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但和凸輪一樣有一個(gè)滑動(dòng)的摩擦副，其效率低。其急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)構(gòu)。 ④差速轉(zhuǎn)彎 差速拐是利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不一樣，從而使兩個(gè)輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過(guò)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(jì)方案。和凸輪同樣，對(duì)輪子的加工精度要求很高，加工出來(lái)后也無(wú)法根據(jù)需要來(lái)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(huì)產(chǎn)生差速。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。 雙輪同步驅(qū)動(dòng)必定有輪子會(huì)與地面打滑，由于滑動(dòng)摩擦遠(yuǎn)比滾動(dòng)摩擦大會(huì)損失大量能量，同時(shí)小車前進(jìn)受到過(guò)多的約束，無(wú)法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。 雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以避免雙輪同步驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題，可以通過(guò)差速器或單向軸承來(lái)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(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是但其中一個(gè)輪子速度較大時(shí)便成為從動(dòng)輪，速度較慢的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換著 [9]。但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過(guò)程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，但影響有多大會(huì)不會(huì)影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。 單輪驅(qū)動(dòng)即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。就如一輛自行車外加一個(gè)車輪一樣。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(dòng)。 （6）微調(diào)機(jī)構(gòu) 一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)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(duì)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(duì)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(guò)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(gè)彈簧裝置，可以讓重物下降到底部的時(shí)候有緩沖，這樣可以減少對(duì)車體的沖擊。重物下落至小車上與彈簧相碰，避免碰撞時(shí)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(jì)任務(wù)書(shū)下達(dá)：2016 年 3 月 1 日前?！?1畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)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(jì)課題寫(xiě)出調(diào)研報(bào)告。中期檢查：2016 年 4 月 12 日前?！?4完成具體詳細(xì)設(shè)計(jì)，并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等文件資料。其中 4 月上旬進(jìn)行設(shè)計(jì)的中期檢查。畢業(yè)設(shè)計(jì)完成：2016 年 5 月 15 日○ 5⑥ 畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)題、資格審查：2016 年 5 月 18 至 20 日。⑦ 答辯時(shí)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(dòng)化,2006(6). 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