方案目錄一：任務和要求………………………………………………………21.1命題要求部分………………………………………………21.2自我發(fā)揮部分………………………………………………3二：方案設計及論證…………………………………………………42.1轉向輪及軌道設計…………………………………………42.2動力系統(tǒng)設計………………………………………………72.3小車整體及外觀設計………………………………………82.4最終方案……………………………………………………8三：材料及成本分析………………………………………………93.1小車整體材料種類…………………………………………93.2小車各部位材料選擇………………………………………93.3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小車要求采用三輪結構（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￠60×20mm的實心圓柱型鋼制質量塊作為載荷，其質量應不小于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于￠30mm。②給定重力勢能為5焦耳（取g=10m/s2），競賽時統(tǒng)一用質量為1Kg的重塊（￠50×65mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差500±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，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米，放置一個直徑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，重新制作小車的轉向輪。轉向輪的制作采用根據(jù)原設計圖紙和競賽組委會的指定要求，經(jīng)計算機三維造型后，使用快速成型機制作、車床加工及鉗工方法完成，最終完成小車轉向輪的組裝和調試，總加工時間為4小時左右。成績評定：根據(jù)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(xiàn)場加工質量、小車前行距離及答辯成績等得分，經(jīng)加權公式計算最終得分1.2自我發(fā)揮部分1）小車的前輪（即轉向輪）設計。單向偏轉或實現(xiàn)雙向偏轉及其轉向角度的確定。2）小車的運行軌道的設計。根據(jù)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。并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系，并盡可能的加大能量的利用率。4）小車的前后輪設計。前輪盡量簡潔，且確保自己能夠用三維軟件自行作出，后輪設計盡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運行下，盡量減少小車自身的重量，并且要考慮到小車的整體外觀。6）成本分析。在實現(xiàn)小車能夠實現(xiàn)基本運行的情況下，充分考慮選材成本和裝飾材料的取舍。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(xiàn)小車轉向。本方案中將分校內比賽方案和后期參考放案兩種方案，校內方案目標是實現(xiàn)單向偏轉，后期參考方案目標是實現(xiàn)近S形路線。方案一如圖1所示（為軸中心部位的半剖視圖），前輪的中軸設計，成一個傾斜的角度。使其能夠實現(xiàn)自行的繞一圓弧運動。從而實現(xiàn)繞開障礙物運行。方案二將采用平行連桿實現(xiàn)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（前輪剖視圖）所示。其軌道設計如圖2所示：前輪設計軟件采用CAXA工程制造師設計，并實現(xiàn)自動成型。前輪輪廓圖如圖4和圖5：各參數(shù)要點經(jīng)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）:軌道參數(shù)：1）.小車寬度要小于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）。前輪參數(shù)：（參考圖4）1）.小車外輪最大外徑50mm；最大寬度15.625mm。2）.圖4注釋制造經(jīng)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(jīng)打孔→孔型→小徑1.25mm,大徑1.5625mm，通孔。（以50mm最大外徑，大經(jīng)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(xiàn)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：前輪設計軟件采用CAXA工程制造師設計，并實現(xiàn)自動成型。前輪輪廓圖如圖4和圖5所示各參數(shù)要點經(jīng)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）:軌道參數(shù)：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）。前輪參數(shù)：1）.小車外輪最大徑50mm；最大寬度15.625mm。2）.圖4制造過程與注釋與方案一類同。3）.中軸實現(xiàn)過程，選擇形孔，其外徑為2.2mm。前輪轉向的實現(xiàn)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(jīng)過發(fā)條盒帶動大齒輪，再帶動安裝在小車后輪上的小齒輪實現(xiàn)小車的驅動（詳見動力系統(tǒng)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，這時初步設定后輪最大外徑為60mm.則后輪每旋轉一周行駛距離為：2*3.14159*30=188.4954mm為實現(xiàn)大齒輪旋轉一周至少行駛1000mm的距離，如果定小齒輪旋轉的周數(shù)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(shù)比53:10。b.轉向結構設計：如圖8。采用平行連桿，輪流經(jīng)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，將采用前輪中軸平行于平行連桿固定軸。從而實現(xiàn)連桿固定軸轉角與前輪轉角一致，如圖9，設置連桿固定軸寬度為10mm，則大齒輪推動平行連桿的距離僅為1mm，故可以實現(xiàn)，且能減少能量消耗。設計小結:該方案設計中，前輪的制造工序簡單。前輪的安裝與卸載可能比較繁瑣，可以考慮將前輪中軸分段制造，以減少安裝與卸載的程序。實際制造中，轉向的具體參數(shù)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(tǒng)設計設計主體思路：首先利用發(fā)條將重力勢能轉化成彈性勢能，再利用發(fā)條能較穩(wěn)定的能量釋放特性，經(jīng)過齒輪轉變帶動后輪驅動小車的前進。理論計算數(shù)據(jù)：以網(wǎng)上木材—鋼間滾動摩擦系數(shù)（最大）0.04，小車整體重量為2KG，能量用5J計算可以得到運行最大距離為6250mm，但實際運行中，摩擦系數(shù)沒有0.04，能量運用率無法達到100%，相互抵消與否需要實驗數(shù)據(jù)說明。小車動力系統(tǒng)圖如下圖10所示：如圖10所示，重物經(jīng)過滑輪，與發(fā)條相連接，發(fā)條軸與大齒輪中心軸相連，大齒輪帶動小齒輪實現(xiàn)后輪的驅動。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，由于發(fā)條處于反向轉動，不影響小車靜止。當重物下落到接近小車上方由于彈性勢能的加大，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。撞針的另一端連接發(fā)條的固定針，使發(fā)條處于瞬間彈性最大值狀態(tài)。b.彈性勢能轉化為小車動能：當發(fā)條固定針將發(fā)條固定，此時，發(fā)條開始釋放彈性勢能，同時帶動大齒輪轉動，再經(jīng)過小齒輪帶動后輪（小齒輪中心套在后輪連桿上）。各參數(shù)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）.重物接觸底板后要保證發(fā)條處于恰飽和（最佳狀態(tài)）或要飽和狀態(tài)，確保能量的最大轉換。設計小結：該方案設計中，對發(fā)條的要求較高，但可以較平穩(wěn)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(xiàn)小車的穩(wěn)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，前半部分采用等腰梯形，上底100mm，下底180mm，高100mm，后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：采用長度為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(tǒng)一采用直徑1mm的硬質鋁棒，中軸采用鋼棒。轉向輪位于小車中軸線上，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。后輪驅動設計：后輪外徑60mm，寬度為10mm，兩輪中軸線離后底板30mm，采用嵌入式放置，小齒輪位于兩后輪連線中心處。外觀設計：外觀標幅以學校標志為主。注重不同顏色涂漆的結合使用。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，分初次比賽用車和后期比賽用車（如果許可，可以直接用后期設計方案），前后用車主要不同處在于前輪轉向及軌道設計，與費用不產(chǎn)生太大影響，但是方案二為我組主要設計方案。能量系統(tǒng)設計，以經(jīng)發(fā)條實現(xiàn)二次轉換為主，但也有備用方案。備用方案僅做意見保留。三：材料及成本分析3.1小車應用材料種類：塑料硬質鋁磁鐵鋼柱細線3.2小車整體材料種類本次方案中主要材料種類如下：小車底板及重物支撐架：塑料為主.后輪設計：塑料為主（成品設計）。前輪（前期）：硬質鋁。齒輪：塑料（成品設計）。重物下落固定物：磁鐵。連桿等：硬質鋁。前后輪中軸：鋼。裝飾：塑料為主。發(fā)條：買標準品。3.3小車整體成本分析（參考網(wǎng)上報價）塑料板成本：總共約15元前輪成本：自己制作后輪成本：標準品兩個10元左右連桿成本：約3元齒輪：小齒輪1元大齒輪2元發(fā)條：25元左右撞針：0.5元磁鐵：4-5元滑輪：1元左右總共材料成本約為63元（不包含工具等其他費用）。四：方案總結本次競賽命題要求中，以給定的能量設計三輪小車帶動給定負載進行避物運行。本方案設計中，分為前輪轉向，動力設計，成本分析三大部分展開設計。前輪轉向設計過程中，首先考慮到的是單向偏轉的實現(xiàn)，但與理論最小運行值有較大差距，故考慮轉向運行。其中，平行連桿的設計，從理論上可以實現(xiàn)交替轉向。但前輪的支撐力如果較大，可能會導致能量的消耗，這也是實際要考慮到的問題。且對整個平行連桿的制作精度要求比較高。動力系統(tǒng)的設計中，采用的是能量的二次利用，要求第一次能量的轉換率要高，故對發(fā)條的要求較高。該設計中，將會消除重物下落的搖擺問題，同時利用撞針設計，啟動小車行駛。成本分析中，沒有考慮制作工具的相關成本，如果可以實現(xiàn)底板的一次成型，將會減少工序，增大精度要求。同時其費用也將加大。綜合成本，暫且不能確定。該方案中，沒有就小車的整體外觀設計給出具體設計，將在小車輪廓設計完畢后進行整體外觀設計（暫時無法用三維制作軟件做出整體構架）。