第二届全国大学生工程训练综合能力
竞赛
无碳小车设计说明书
参赛者：龚雪飞 赵鹏飞 刘述亮 指导老师：朱政强 戴莉莉
2011-1-16
1
摘要
第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。
我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。
方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。
技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。
小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。因为小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。
关键字：无碳小车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构 灵敏度分析
2
目录
摘要 ...................................................................................................................... 2 一 绪论.................................................................................................................. 5
1.1本届竞赛命题主题.................................................................................. 5 1.2小车功能设计要求.................................................................................. 5 1.3小车整体设计要求.................................................................................. 5 1.4小车的设计方法...................................................................................... 6 二 方案设计.......................................................................................................... 7
2.1车架.......................................................................................................... 9 2.2原动机构.................................................................................................. 9 2.3传动机构................................................................................................ 10 2.4转向机构................................................................................................ 10 2.5行走机构................................................................................................ 12 2.6微调机构................................................................................................ 13 三 技术设计...................................................................................................... 14
3.1建立数学模型及参数确定.................................................................... 15
3.1.1能耗规律模型............................................................................. 15 3.1.2运动学分析模型......................................................................... 17 3.1.3动力学分析模型......................................................................... 22 3.1.4灵敏度分析模型......................................................................... 24 3.1.5参数确定..................................................................................... 25 3.2零部件设计............................................................................................ 26 3.3整体设计................................................................................................ 28
3
3.3.1整体装配图................................................................................. 28 3.3.2小车运动仿真分析..................................................................... 29
四 小车制作调试及改进.................................................................................... 30
4.1小车制作流程........................................................................................ 30 详见工艺分析方案报告.............................................................................. 30 4.2小车调试方法........................................................................................ 30 4.3小车改进方法........................................................................................ 30 五 评价分析........................................................................................................ 31
5.1小车优缺点............................................................................................ 31 5.2自动行走比赛时的前行距离估计........................................................ 31 5.3改进方向................................................................................................ 31 六 参考文献........................................................................................................ 31 七 附录................................................................................................................ 32
7.1装配图.................................................................................................... 32 7.2耗能分析程序........................................................................................ 36 7.3运动学分析程序.................................................................................... 37 7.4动力学分析程序.................................................................................... 39 7.5灵敏度分析程序.................................................................................... 41
4
一 绪论
1.1本届竞赛命题主题
本届竞赛命题主题为“无碳小车”。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。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”四个方面的要求。
1.2小车功能设计要求
给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在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20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。
给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（?50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差500±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。
要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。
小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：①小车上面要装载一件外形尺寸为?60×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于?30mm。
1.3小车整体设计要求
小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计
5