淺論無碳小車的設(shè)計(jì)制作與創(chuàng)新實(shí)踐論文
0引言
無碳小車是一種通過滑輪機(jī)構(gòu)將重物下落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)能以實(shí)現(xiàn)小車行走，并采用合理的機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)行走過程中正確轉(zhuǎn)向并繞過障礙的裝置。小車設(shè)計(jì)注重能量利用的有效性，車體結(jié)構(gòu)的合理性，行走的穩(wěn)定性、勻速性，調(diào)試的可靠性等。應(yīng)用了諸多數(shù)學(xué)理論進(jìn)行驗(yàn)證，最終采用了萬向節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使小車控制轉(zhuǎn)彎更省力、對(duì)小車躲避障礙物的周期控制更容易實(shí)現(xiàn)，亦降低了整車重量。再者小車整體構(gòu)造簡潔，組合零件不多，摩擦損耗小，效率高，較容易安裝制造。另外，通過對(duì)小車的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試，提高了提出問題、分析問題、解決問題的能力，并總結(jié)了從中獲得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。
1無碳小車的制作原理
1.1命題簡介
該競(jìng)賽其中的一個(gè)命題為，要求設(shè)計(jì)一種以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車，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(50×65mm，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(dòng)，不允許從小車上掉落。在比賽中，小車出發(fā)后，小車從賽道一側(cè)越過一個(gè)障礙后，整體穿過賽道中線且障礙物不被撞倒(擦碰障礙，但沒碰倒者，視為通過);重復(fù)上述動(dòng)作，直至小車停止(障礙物初始間距為1m，后期在1m±100mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的障礙物間距，需調(diào)整小車以適應(yīng)新距離)，最終繞過障礙物多者獲勝。
1.2無碳小車設(shè)計(jì)原理
由命題得知，關(guān)鍵在于利用重力勢(shì)能獲得相當(dāng)長距離的具有穩(wěn)定正弦特征的軌跡。由此，來設(shè)計(jì)小車以使其滿足要求。重力勢(shì)能大多通過掛在繩子上的重物拖動(dòng)小車的軸進(jìn)而驅(qū)使小車前進(jìn)，這便對(duì)繩子提出較高的要求，一般選取彈性較小，耐磨的繩子為佳。
在傳動(dòng)方面，根據(jù)往屆賽事經(jīng)驗(yàn)，有齒輪傳動(dòng)，皮帶傳動(dòng)等。由于小車在前行較長距離(一般為20m以上)，同時(shí)需要保證精確的行走軌跡，因此，皮帶由于打滑等原因不如齒輪傳動(dòng)。同時(shí)，齒輪由于金屬材質(zhì)，大大加大了車的重量，因而我們采用快速成型制造齒輪，保證了傳動(dòng)的精確性與質(zhì)量較輕的優(yōu)點(diǎn)。接下來，便是使用兩級(jí)變速還是一級(jí)變速的問題，兩級(jí)變速能夠在有效的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，同時(shí)具有較大的慣性，能夠克服賽道上的不平整路面(事實(shí)證明，這在比賽上時(shí)是相當(dāng)重要的)，但由于齒輪加工精度的局限，可能會(huì)造成較大摩擦力，造成能量的浪費(fèi)。而一級(jí)傳動(dòng)則較為輕便，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工裝配。
小車每繞過兩個(gè)障礙物，即在前進(jìn)方向上走了2m，完成一個(gè)循環(huán)，此時(shí)，繞在軸上的繩子轉(zhuǎn)過一圈。因此，小車前進(jìn)的理論長度即由繞線軸的直徑和下落高度決定。軸的最小直徑由輪子和地面的摩擦力產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩確定。小車的軌跡越接近于直線，摩擦力做功越少，便越節(jié)省能量。
我們發(fā)現(xiàn)，小車所走軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發(fā)生碰撞，小車調(diào)整起來也越容易，同時(shí)，前面已經(jīng)提到，也就越浪費(fèi)能量。而對(duì)于不同的周期來講，周期越小(障礙物間隔越小)，小車軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發(fā)生碰撞。
為了實(shí)現(xiàn)上述軌跡，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是重要的一環(huán)，由于“S”形避障運(yùn)動(dòng)是周期性的運(yùn)動(dòng)，恰好可以通過齒輪上的偏心，將其運(yùn)動(dòng)傳遞到前輪上。傳遞運(yùn)動(dòng)大致可以分為兩類，一類通過萬向節(jié)，與前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這樣的好處是剛性較好，一旦調(diào)節(jié)完畢能夠形成固定的軌跡且便于加工。但是不容易調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)部件較多，過程繁瑣。另一類通過直線軸承和滑塊傳遞運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然，這樣便于調(diào)節(jié)，僅需對(duì)偏心進(jìn)行調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)軌跡的周期變化。但是對(duì)加工精度要求較高。不過，隨著學(xué)生動(dòng)手能力的提高和賽事水平的不斷提升，直線軸承和滑塊機(jī)構(gòu)會(huì)逐漸提高穩(wěn)定性，創(chuàng)造更好的成績。
2小車設(shè)計(jì)方案
2.1材料的選擇
小車的制作，首先我們要先考慮它的材料，材料極為重要，材料密度大了，小車就重，導(dǎo)致摩擦力就大;材料如果較小，小車太輕，小車在繞桿的同時(shí)會(huì)發(fā)飄，導(dǎo)致小車的軌跡會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致小車達(dá)不到最好的狀態(tài)。所以選取適當(dāng)?shù)牟牧鲜侵陵P(guān)重要的。由于鋁-鋼的摩擦系數(shù)大約為0.02，而鋁的密度小，小車的質(zhì)量一般大約為2.5kg，所以摩擦力較小，并且橫向摩擦力足以滿足小車不側(cè)滑;有機(jī)玻璃材質(zhì)輕阻力小，但是壽命短，易磨損，精度不夠高，力學(xué)性能差，主要是脆性大，抗沖擊性能差，受到第二次意外打擊時(shí)，有機(jī)玻璃易破碎。而尼龍的摩擦系數(shù)較大，吸水性較大，影響尺寸穩(wěn)定和電性能，但車體的重量太小，需要加配重，防止側(cè)滑或側(cè)翻，所以考慮各種原因還有計(jì)算，最終選取折中的方案，也是最佳方案，就是鋁，鋁做車身骨架是最好的選擇。而尼龍具有機(jī)械強(qiáng)度高、軟化點(diǎn)高、耐熱、摩擦系數(shù)低、耐磨損、自潤滑性好、吸震性和消音性好、耐油、耐弱酸堿、無毒無臭、耐候性好、比重小、高抗沖、高載重、耐撞擊，所以特別適合齒輪的加工，用快速成型做出的齒輪既具備以上的優(yōu)點(diǎn)，還容易安裝，容易定位，所以齒輪的材料最好是采用尼龍。
2.2設(shè)計(jì)思路和方案
(1)動(dòng)力源。將重物固定于繩子上，繩子系在大齒輪軸上，重物下落拉動(dòng)大齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)小齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使小車前進(jìn);
(2)差速部分。當(dāng)重錘下落時(shí)，通過滑輪軸連接線驅(qū)動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸回轉(zhuǎn)，并通過傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)后軸回轉(zhuǎn)。由于小車在前進(jìn)時(shí)要走S形路線，在轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)的車輪與外側(cè)的車輪轉(zhuǎn)速不一樣，后面兩個(gè)輪子走過的距離不同，因此兩個(gè)后輪上采用了不同的連接方式，其中一個(gè)后輪采用過盈配合隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一個(gè)后輪采用軸承配合在軸上空轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)差動(dòng)。
(3)前輪轉(zhuǎn)向部分。大齒輪上開一個(gè)13mm長的槽，其偏心距為11mm—24mm，將螺釘穿過槽用雙螺母緊固在大齒輪上，萬向節(jié)則也通過雙螺母緊固在螺釘?shù)牧硪活^。變向連桿由使用雙頭螺桿連接在一起的兩個(gè)萬向節(jié)組成，螺桿一頭為反絲，便于調(diào)節(jié)。前叉則通過另一個(gè)螺桿與萬向節(jié)相連，從而形成了轉(zhuǎn)向部分。由于萬向節(jié)連桿與齒輪配合點(diǎn)存在偏心距，因而連桿可以實(shí)現(xiàn)周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng);前叉通過螺桿與連桿一端的萬向節(jié)相連，隨著桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)周期性轉(zhuǎn)向;因連接桿兩端的萬向節(jié)，與兩側(cè)桿件的連接形成球面副，可以向多個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了死點(diǎn)位置。偏心距的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了前輪的正確轉(zhuǎn)向;兩個(gè)萬向節(jié)中間的螺桿則能夠有效實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞;基于此設(shè)計(jì)，小車以正弦曲線的方式向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)避障功能;
(4)調(diào)整部分。在大齒輪上開槽，通過調(diào)節(jié)偏心距實(shí)現(xiàn)前輪偏轉(zhuǎn)角的的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)向角最大為30°，此時(shí)越障距離最短為0.8m，轉(zhuǎn)向角最小為15°，此時(shí)越障距離最長為1.15m;萬向節(jié)中間的`雙頭螺桿也是微調(diào)機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)小車的整體軌跡。因而在調(diào)整距離時(shí)，只需調(diào)節(jié)齒輪上偏心距的大小和萬向節(jié)連桿的長度即可，調(diào)節(jié)簡單方便。發(fā)車角度確定采用激光筆遠(yuǎn)距離定位，精確找到合適發(fā)車角度，用時(shí)短，精度高。
(5)轉(zhuǎn)向部分的計(jì)算。有e=a×α。取a=45mm，當(dāng)α=15°時(shí)，e=11mm;當(dāng)α=30°時(shí)，e=24mm，其中e為大齒輪開槽處的偏心距。
(6)小車其它尺寸計(jì)算。小車各個(gè)部分的關(guān)系為Δl=dsinφ、θ=arcsinΔl/l其中r1、r2，ω1、ω2為前后齒輪的半徑和速，d為前齒輪旋鈕的位置，主要零件的設(shè)計(jì)尺寸:前軸9mm，后軸10mm;前輪40mm，寬度8mm，后輪200mm;大小齒輪齒數(shù)比為4.13∶1，大齒輪齒數(shù)為Z1=62，小齒輪為Z2=15，模數(shù)m=1。
3小車調(diào)試與行走
在小車的實(shí)際調(diào)試和行走過程中，實(shí)踐操作的經(jīng)驗(yàn)非常重要。例如，當(dāng)障礙物間隔為1m時(shí)，要求小車的行走周期為2m，而正弦曲線的周期是通過調(diào)節(jié)大齒輪偏心距來實(shí)現(xiàn)的，雖然通過計(jì)算很容易得出理論值，但是由于螺母與螺桿并非理論中的質(zhì)點(diǎn)，因而在實(shí)際操作中很難實(shí)現(xiàn)一次性調(diào)試成功。因而在不斷的實(shí)踐中才能總結(jié)出規(guī)律，并熟練掌握。
在小車調(diào)試的初期，通過在小車后粘貼熒光筆來跟蹤軌跡，但發(fā)現(xiàn)這種方法會(huì)增加小車行走的阻力影響軌跡的精度而且跟蹤的曲線不具備完整性，后來改用了在車底板上放一個(gè)以一定的速度滴水的小容器，實(shí)現(xiàn)軌跡的跟蹤。實(shí)踐證明，這種軌跡跟蹤方式，更加準(zhǔn)確，并且容易清理。通過量取軌跡的周期則可以判斷小車的行走周期。當(dāng)軌跡的周期大于比賽要求周期時(shí)，則通過增大偏心距來減短實(shí)際軌跡的周期:相反，則減小軌跡的周期。這樣便實(shí)現(xiàn)了小車行走周期的正確調(diào)節(jié)。
調(diào)節(jié)好周期后，小車大齒輪的偏心距便被固定住了。接下來便不再著眼于小車軌跡的1個(gè)周期了，而是著眼于小車行走軌跡的總的趨勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)萬向節(jié)連桿過長時(shí)會(huì)使小車的軌跡成為一個(gè)整體往左偏的大弧，而萬向節(jié)連桿過短又會(huì)使小車的軌跡成為一個(gè)整體往右偏的大弧。萬向節(jié)連桿兩端的螺紋旋向相反，在調(diào)節(jié)時(shí)，往里旋轉(zhuǎn)為調(diào)短向外旋轉(zhuǎn)為調(diào)長，調(diào)節(jié)方式簡單，另外兩端萬向節(jié)與連桿通過雙螺母固定在一起增加了穩(wěn)定性。
在軌跡的調(diào)直過程中，通過在發(fā)車線前45cm(以行走周期為1m為例)處貼一張中心線與障礙物所在直線重合的16K的紙來定發(fā)車角。具體方法:在紙的左上角標(biāo)出前輪位置，保持前輪位置不變，通過改變后輪位置改變發(fā)車角度，并隨時(shí)在紙上標(biāo)記后車輪位置。當(dāng)小車左輪擦桿時(shí)，減小發(fā)車角，當(dāng)右輪擦桿時(shí)，增大發(fā)車角，從而出直線。在實(shí)際調(diào)車過程中，很多時(shí)候不論如何改變發(fā)車角度都不能使得小車實(shí)現(xiàn)總體的直線繞桿，這時(shí)便要通過調(diào)節(jié)萬向節(jié)連桿來微調(diào)前輪的轉(zhuǎn)向角，而調(diào)節(jié)連桿長度時(shí)，微小的變化則會(huì)引起轉(zhuǎn)向角較大的變化，連桿每旋轉(zhuǎn)一圈長度便會(huì)改變1mm，而1mm會(huì)使轉(zhuǎn)向角改變2.5度。因此螺桿要旋轉(zhuǎn)的角度要視軌跡的偏離情況而定。
通過在地面上貼紙的方式，調(diào)車的精度能到20根桿，若直線距離再遠(yuǎn)，則在紙上畫線便會(huì)過密，肉眼很難再進(jìn)行定位。為了克服這一困難采用了一種更加精確的定發(fā)車角度的方式，即激光筆。在用紙粗定發(fā)車角之后，在距發(fā)車線20m遠(yuǎn)處放上帶刻度的板子，并使板子與地面垂直，0刻度線位于障礙物所在的直線上;把激光筆固定在小車前叉的平臺(tái)上，通過改變激光點(diǎn)所在的刻度來改變發(fā)射角度。由于貼紙法調(diào)節(jié)范圍廣，調(diào)節(jié)速度快，但調(diào)節(jié)精度低，所以用于角度的粗調(diào);而激光筆調(diào)節(jié)法，調(diào)節(jié)精度高，但調(diào)節(jié)范圍小，所以適合粗調(diào)完成后的精調(diào)。兩種方式各有利弊，綜合利用取長補(bǔ)短，使得小車的調(diào)節(jié)得到完善。
小車的行走過程是一個(gè)不斷磨合的過程。在不斷的行走練習(xí)過程中，小車的各種零件才能實(shí)現(xiàn)更好的配合。
4結(jié)語
在無碳小車的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試過程中要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯瘢茖W(xué)是容不得半點(diǎn)馬虎的，小車設(shè)計(jì)是一個(gè)用科學(xué)來指導(dǎo)實(shí)踐，把科學(xué)運(yùn)用到實(shí)踐中去的過程。既然是指導(dǎo)實(shí)踐，就應(yīng)該做到事無巨細(xì)，考慮周全，在設(shè)計(jì)的過程中，不應(yīng)放過每一個(gè)細(xì)節(jié)。小車的制造，是要經(jīng)過方案設(shè)計(jì)，三維設(shè)計(jì)，優(yōu)化及修改，Cad出圖，圖紙審核等過程來完成的，在此過程中有大量的工作要做，考驗(yàn)了團(tuán)隊(duì)的合作和分工能力以及團(tuán)隊(duì)精神。而小車的調(diào)試是一個(gè)漫長而充滿困難的過程，考驗(yàn)著調(diào)試人員的耐心和毅力，以及在實(shí)踐中應(yīng)用理論知識(shí)、不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)新思維的能力。
【淺論無碳小車的設(shè)計(jì)制作與創(chuàng)新實(shí)踐論文】相關(guān)文章：
動(dòng)漫周邊設(shè)計(jì)課程的創(chuàng)新與實(shí)踐分析的論文11-19
網(wǎng)站設(shè)計(jì)與制作課程體系實(shí)踐的論文11-19
無之道招貼設(shè)計(jì)論文11-21
科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)論文04-01
淺論高職《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教學(xué)改革探索與實(shí)踐的論文11-13
服裝與形象設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新論文09-06
《風(fēng)帆小車》教學(xué)設(shè)計(jì)01-24