2010/10/10
方案目錄
一：任務和要求2
1.1 命題要求部分2
1.2 自我發揮部分3
二：方案設計及論證4
2.1 轉向輪及軌道設計4
2.2 動力系統設計7
2.3 小車整體及外觀設計8
2.4 最終方案8
三： 材料及成本分析9
3.1 小車整體材料種類9
3.2 小車各部位材料選擇9
3.3 小車整體成本分析9
四：方案總結10
一：任務和要求
1.1命題要求部分
命題主題：「無碳小車」
競賽命題要求：
①小車要求採用三輪結構（1個轉向輪，2個驅動輪），具體結構造型以及材料選用均由參賽者自主設計完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為￠60×20 mm的實心圓柱型鋼製質量塊作為載荷，其質量應不小於750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。
②轉向輪最大外徑應不小於￠30mm。
②給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），競賽時統一用質
量為1kg的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，
落差500±2mm，重塊落下後，須被小車承載並同小車一起運動，
不允許掉落。小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此
能量轉換獲得，不可使用任何其他的能量形式。
③障礙物放置要求：每間隔1公尺，放置乙個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒。
小車結構示意圖：
小車運動軌跡示意圖：
第二階段附加要求：
參賽隊，需取下小車原有的轉向輪，重新製作小車的轉向輪。轉向輪的製作採用根據原設計圖紙和競賽組委會的指定要求，經計算機三維造型後，使用快速成型機製作、車床加工及鉗工方法完成，最終完成小車轉向輪的組裝和除錯，總加工時間為4小時左右。
成績評定：
根據綜合工程管理方案、設計方案、加工工藝方案、成本
分析方案、小車徽標設計、轉向輪加工成本及質量（是否符合
圖紙要求）、現場加工質量、小車前行距離及答辯成績等得分，
經加權公式計算最終得分
1.2自我發揮部分
1）小車的前輪（即轉向輪）設計。單向偏轉或實現雙向偏轉及其轉向角度的確定。
2）小車的執行軌道的設計。根據轉向方案，設計出小車路程最少且位移量最大、符合命題要求的預算軌道。並確定小車的初始釋放位置。
3）小車的能量轉換方式。綜合考慮到轉換與行駛的相對關係，並盡可能的加大能量的利用率。
4）小車的前後輪設計。前輪盡量簡潔，且確保自己能夠用三維軟體自行作出，後輪設計儘量減少與地面的摩擦。
5）小車的外觀設計。在不影響小車的正常執行下，儘量減少小車自身的重量，並且要考慮到小車的整體外觀。
6）成本分析。 在實現小車能夠實現基本執行的情況下，充分考慮選材成本和裝飾材料的取捨。
二：方案設計及論證
2.1轉向輪及軌道設計
設計主體思路： 利用轉向輪中心軸偏轉，實現小車轉向。
本方案中將分校內比賽方案和後期參考放案兩種方案，校內方案目標是實現單向偏轉，後期參考方案目標是實現近s形路線。
方案一如圖1所示（為軸中心部位的半剖檢視），前輪的中軸設計，成乙個傾斜的角度。使其能夠實現自行的繞一圓弧運動。從而實現繞開障礙物執行。
方案二將採用平行連桿實現小車的轉向。且以方案二為主要設計思路。
前輪具體設計及軌道方案：
方案一：單向偏轉設計及其對應的軌道設計。如圖3（前輪剖檢視）所示。其軌道設計如圖2所示：
前輪設計軟體採用caxa工程製造師設計，並實現自動成型。前輪輪廓圖如圖4和圖5：
各引數要點經計算得出，具體如下：（前輪最大外徑初步設為50mm,最大寬度設定為15.625mm）:
軌道引數：
1）.小車寬度要小於200mm；
2）.軌道半徑為2500mm；
3）.行駛初始角度（相對賽道偏角）為arctan4/3（約53度）。
前輪引數：（參考圖4）
1）.小車外輪最大外徑50mm； 最大寬度15.625mm。
2）.圖4注釋製造經過：①拉伸除料→拉伸深度6.
25mm→增加拔模斜度30度。②過渡→半徑為1.25mm。
③過渡→半徑為6.25mm。④打孔→通孔→直徑18.
75mm。
3）.中軸孔經打孔→ 孔型→小徑1.25mm,大徑1.5625mm，通孔。（以50mm最大外徑，大經比小徑寬0.3053mm）。
設計小結：
該方案設計中，小車最大有效位移約為4000mm，可能還有出界的扣分。在初步比賽中，可以先用偏轉前輪實現類似的效果，前輪放置如圖6所示。前輪的安放轉角與上述計算角度一樣。
方案二：近s形偏轉設計及其軌道設計。軌道設計如圖7所示：
前輪設計軟體採用caxa工程製造師設計，並實現自動成型。前輪輪廓圖如圖4和圖5所示
各引數要點經計算得出，具體如下：（前輪最大外徑初步設為50mm,最大寬度設定為15.625mm）:
軌道引數：
1）.小車寬度不易過寬，設定為180mm。
2）.每個旋轉弧行駛距離為1000mm—1100mm(符合小車寬度)。轉彎角度為arctan1/5（約11.3度）。
前輪引數：
1）.小車外輪最大徑50mm； 最大寬度15.625mm。
2）.圖4製造過程與注釋與方案一類同。
3）.中軸實現過程，選擇形孔，其外徑為2.2mm。
前輪轉向的實現方案設計（初步設計）
a.轉向距離設定：
本方案設計中小車動力轉變將經過發條盒帶動大齒輪，再帶動安裝在小車後輪上的小齒輪實現小車的驅動（詳見動力系統設計）。大齒輪設計時，除了提供小車行駛的能量，還將提供改變方向的能量。
如下圖8所示，當大齒輪每旋轉一周，就改變一次方向，這時初步設定後輪最大外徑為60mm.
則後輪每旋轉一周行駛距離為：2*3.14159*30=188.4954mm
為實現大齒輪旋轉一周至少行駛1000mm的距離，如果定小齒輪旋轉的週數為設定為5.3周，則行駛距離為：188.4954*5.3=999.02562mm.
所以可以設定大齒輪與小齒輪的齒數比53:10。
b.轉向結構設計：如圖8。
採用平行連桿，輪流經過大齒輪的凸起處，從而直接帶動前輪的中軸，改變其行駛方向。設計中，將採用前輪中軸平行於平行連桿固定軸。從而實現連桿固定軸轉角與前輪轉角一致，如圖9，設定連桿固定軸寬度為10mm，則大齒輪推動平行連桿的距離僅為1mm，故可以實現，且能減少能量消耗。
設計小結:
該方案設計中，前輪的製造工序簡單。前輪的安裝與解除安裝可能比較繁瑣，可以考慮將前輪中軸分段製造，以減少安裝與解除安裝的程式。實際製造中，轉向的具體引數設計需要實際實驗才能最終定論。
該方案為本組主要設計方案。
2.2 動力系統設計
設計主體思路：首先利用發條將重力勢能轉化成彈性勢能，再利用發條能較穩定的能量釋放特性，經過齒輪轉變帶動後輪驅動小車
的前進。
理論計算資料：以網上木材—鋼間滾動摩擦係數（最大）0.04，小車整體重量為2kg，能量用5j計算可以得到執行最大距離為6250mm，但實際執行中，摩擦係數沒有0.
04，能量運用率無法達到100%，相互抵消與否需要實驗資料說明。
小車動力系統圖如下圖10所示：
如圖10所示，重物經過滑輪，與發條相連線，發條軸與大齒輪中心軸相連，大齒輪帶動小齒輪實現後輪的驅動。該過程依能量的轉換分為兩個階段，具體如下：
a.勢能轉化為彈性勢能：
首先，釋放重物，由於發條處於反向轉動，不影響小車靜止。當重物下落到接近小車上方由於彈性勢能的加大，重物速度將會減慢。此時，借助磁鐵的吸引力，將放在底板上的撞針壓下，同時固定住重物。
撞針的另一端連線發條的固定針，使發條處於瞬間彈性最大值狀態。
b.彈性勢能轉化為小車動能：
當發條固定針將發條固定，此時，發條開始釋放彈性勢能，同時帶動大齒輪轉動，再經過小齒輪帶動後輪（小齒輪中心套在後輪連桿上）。
各引數如下：
1）.物體下落高度為500mm；
2）.重物能夠在無磁鐵的情況下恰好接觸底板，以保證「不使用其他形式的能量」（「恰好」即速度基本為零，以減少能量的損耗）；
3）.重物接觸底板後要保證發條處於恰飽和（最佳狀態）或要飽和狀態，確保能量的最大轉換。
設計小結：
該方案設計中，對發條的要求較高，但可以較平穩的使用法條中的能量，除去了重物下落的搖擺問題，同時可以實現小車的穩定轉向。
2.3小車整體及外觀設計(初步設計)
小車底板設計：小車底板寬度180mm，總長度300mm，前半部分採用等腰梯形，上底100mm，下底180mm，高100mm，後半部分為矩形設計長為200mm，寬度為180mm。底板厚度3mm。
重物支撐架設計：採用長度為600mm，寬度50mm，厚度為3mm中部為空的塑料板，另外重物支撐架兩邊用兩根長度為300mm的塑料棒支撐。
轉向裝置設計：轉向連桿統一採用直徑1mm的硬質鋁棒，中軸採用鋼棒。轉向輪位於小車中軸線上，轉向輪軸線與前底板相距30mm。轉向輪外徑為50mm，最大寬度15.625mm。
後輪驅動設計：後輪外徑60mm，寬度為10mm，兩輪中軸線離後底板30mm，採用嵌入式放置，小齒輪位於兩後輪連線中心處。
外觀設計：外觀標幅以學校標誌為主。注重不同顏色塗漆的結合使用。
載物放置：放與小車中前部，使其同時起到平衡小車的作用。
2.4最終方案
本次方案設計中，分初次比賽用車和後期比賽用車（如果許可，可以直接用後期設計方案），前後用車主要不同處在於前輪轉向及軌道設計，與費用不產生太大影響，但是方案二為我組主要設計方案。能量系統設計，以經發條實現二次轉換為主，但也有備用方案。備用方案僅做意見保留。
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