无碳小车论文题目
无碳小车论文题目
方案目录
一:任务和要求 ………………………………………………………2
1.1 命题要求部分 ………………………………………………2
1.2 自我发挥部分 ………………………………………………3
二:方案设计及论证 …………………………………………………4
2.1 转向轮及轨道设计 …………………………………………4
2.2 动力系统设计 ………………………………………………7
2.3 小车整体及外观设计 ………………………………………8
2.4 最终方案 ……………………………………………………8
三: 材料及成本分析 ………………………………………………9
3.1 小车整体材料种类 …………………………………………9
3.2 小车各部位材料选择 ………………………………………9
3.3 小车整体成本分析 …………………………………………9
四:方案总结 ………………………………………………………10
一:任务和要求
1.1命题要求部分
命题主题:“无碳小车”
竞赛命题要求:
①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。
②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。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。
③障碍物放置要求:每间隔1米,放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒。
小车结构示意图:
小车运动轨迹示意图:
第二阶段附加要求:
参赛队,需取下小车原有的转向轮,重新制作小车的转向轮。转向轮的制作采用根据原设计图纸和竞赛组委会的指定要求,经计算机三维造型后,使用快速成型机制作、车床加工及钳工方法完成,最终完成小车转向轮的组装和调试,总加工时间为4小时左右。
成绩评定:
根据综合工程管理方案、设计方案、加工工艺方案、成本
分析方案、小车徽标设计、转向轮加工成本及质量(是否符合
图纸要求)、现场加工质量、小车前行距离及答辩成绩等得分,
经加权公式计算最终得分
1.2自我发挥部分
1)小车的前轮(即转向轮)设计。单向偏转或实现双向偏转及其转向角度的确定。
2)小车的运行轨道的设计。根据转向方案,设计出小车路程最少且位移量最大、符合命题要求的预算轨道。并确定小车的初始释放位置。
3)小车的能量转换方式。综合考虑到转换与行驶的相对关系,并尽可能的加大能量的利用率。
4)小车的前后轮设计。前轮尽量简洁,且确保自己能够用三维软件自行作出,后轮设计尽量减少与地面的摩擦。
5)小车的外观设计。在不影响小车的正常运行下,尽量减少小车自身的重量,并且要考虑到小车的整体外观。
6)成本分析。 在实现小车能够实现基本运行的情况下,充分考虑选材成本和装饰材料的取舍。
二:方案设计及论证
2.1转向轮及轨道设计
设计主体思路: 利用转向轮中心轴偏转,实现小车转向。
本方案中将分校内比赛方案和后期参考放案两种方案,校内方案目标是实现单向偏转,后期参考方案目标是实现近S形路线。
方案一如图1所示(为轴中心部位的半剖视图),前轮的中轴设计,成一个倾斜的角度。使其能够实现自行的绕一圆弧运动。从而实现绕开障碍物运行。方案二将采用平行连杆实现小车的转向。且以方案二为主要设计思路。
前轮具体设计及轨道方案:
方案一:单向偏转设计及其对应的轨道设计。如图3(前轮剖视图)所示。其轨道设计如图2所示:
前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计,并实现自动成型。前轮轮廓图如图4和图5:
各参数要点经计算得出,具体如下:(前轮最大外径初步设为50mm,最大宽度设定为15.625mm):
轨道参数:
1).小车宽度要小于200mm;
2).轨道半径为2500mm;
3).行驶初始角度(相对赛道偏角)为arctan4/3(约53度)。
前轮参数:(参考图4)
1).小车外轮最大外径50mm; 最大宽度15.625mm。
2).图4注释制造经过:①拉伸除料→拉伸深度6.25mm→增加拔模斜度30度。②过渡→半径为1.25mm。③过渡→半径为6.25mm。④打孔→通孔→直径18.75mm。
3).中轴孔经打孔→ 孔型→小径1.25mm,大径1.5625mm,通孔。(以50mm最大外径,大经比小径宽0.3053mm)。
设计小结:
该方案设计中,小车最大有效位移约为4000mm,可能还有出界的扣分。在初步比赛中,可以先用偏转前轮实现类似的效果,前轮放置如图6所示。前轮的安放转角与上述计算角度一样。
方案二:近S形偏转设计及其轨道设计。轨道设计如图7所示:
前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计,并实现自动成型。前轮轮廓图如图4和图5所示
各参数要点经计算得出,具体如下:(前轮最大外径初步设为50mm,最大宽度设定为15.625mm):
轨道参数:
1).小车宽度不易过宽,设定为180mm。
2).每个旋转弧行驶距离为1000mm—1100mm(符合小车宽度)。转弯角度为arctan1/5(约11.3度)。
前轮参数:
1).小车外轮最大径50mm; 最大宽度15.625mm。
2).图4制造过程与注释与方案一类同。
3).中轴实现过程,选择形孔,其外径为2.2mm。
前轮转向的实现方案设计(初步设计)
a.转向距离设定:
本方案设计中小车动力转变将经过发条盒带动大齿轮,再带动安装在小车后轮上的小齿轮实现小车的驱动(详见动力系统设计)。大齿轮设计时,除了提供小车行驶的能量,还将提供改变方向的能量。
如下图8所示,当大齿轮每旋转一周,就改变一次方向,这时初步设定后轮最大外径为60mm.
则后轮每旋转一周行驶距离为:2*3.14159*30=188.4954mm
为实现大齿轮旋转一周至少行驶1000mm的距离,如果定小齿轮旋转的周数为设定为5.3周,则行驶距离为:188.4954*5.3=999.02562mm.
所以可以设定大齿轮与小齿轮的齿数比53:10。
b.转向结构设计:如图8。
采用平行连杆,轮流经过大齿轮的凸起处,从而直接带动前轮的中轴,改变其行驶方向。设计中,将采用前轮中轴平行于平行连杆固定轴。从而实现连杆固定轴转角与前轮转角一致,如图9,设置连杆固定轴宽度为10mm,则大齿轮推动平行连杆的距离仅为1mm,故可以实现,且能减少能量消耗。
设计小结:
该方案设计中,前轮的制造工序简单。前轮的安装与卸载可能比较繁琐,可以考虑将前轮中轴分段制造,以减少安装与卸载的程序。实际制造中,转向的具体参数设计需要实际实验才能最终定论。该方案为本组主要设计方案。
2.2 动力系统设计
设计主体思路:首先利用发条将重力势能转化成弹性势能,再利用发条能较稳定的能量释放特性,经过齿轮转变带动后轮驱动小车
的前进。
理论计算数据:以网上木材—钢间滚动摩擦系数(最大)0.04,小车整体重量为2KG,能量用5J计算可以得到运行最大距离为6250mm,但实际运行中,摩擦系数没有0.04,能量运用率无法达到100%,相互抵消与否需要实验数据说明。
小车动力系统图如下图10所示:
如图10所示,重物经过滑轮,与发条相连接,发条轴与大齿轮中心轴相连,大齿轮带动小齿轮实现后轮的驱动。该过程依能量的转换分为两个阶段,具体如下:
a.势能转化为弹性势能:
首先,释放重物,由于发条处于反向转动,不影响小车静止。当重物下落到接近小车上方由于弹性势能的加大,重物速度将会减慢。此时,借助磁铁的吸引力,将放在底板上的撞针压下,同时固定住重物。撞针的另一端连接发条的固定针,使发条处于瞬间弹性最大值状态。
b.弹性势能转化为小车动能:
当发条固定针将发条固定,此时,发条开始释放弹性势能,同时带动大齿轮转动,再经过小齿轮带动后轮(小齿轮中心套在后轮连杆上)。
各参数如下:
1).物体下落高度为500mm;
2).重物能够在无磁铁的情况下恰好接触底板,以保证“不使用其他形式的能量”(“恰好”即速度基本为零,以减少能量的损耗);
3).重物接触底板后要保证发条处于恰饱和(最佳状态)或要饱和状态,确保能量的最大转换。
设计小结:
该方案设计中,对发条的要求较高,但可以较平稳的使用法条中的能量,除去了重物下落的摇摆问题,同时可以实现小车的稳定转向。
2.3小车整体及外观设计(初步设计)
小车底板设计:小车底板宽度180mm,总长度300mm,前半部分采用等腰梯形,上底100mm,下底180mm,高100mm,后半部分为矩形设计长为200mm,宽度为180mm。底板厚度3mm。
重物支撑架设计:采用长度为600mm,宽度50mm,厚度为3mm中部为空的塑料板,另外重物支撑架两边用两根长度为300mm的塑料棒支撑。
转向装置设计:转向连杆统一采用直径1mm的硬质铝棒,中轴采用钢棒。转向轮位于小车中轴线上,转向轮轴线与前底板相距30mm。转向轮外径为50mm,最大宽度15.625mm。
后轮驱动设计:后轮外径60mm,宽度为10mm,两轮中轴线离后底板30mm,采用嵌入式放置,小齿轮位于两后轮连线中心处。
外 观 设 计:外观标幅以学校标志为主。注重不同颜色涂漆的结合使用。
载 物 放 置:放与小车中前部,使其同时起到平衡小车的作用。
2.4最终方案
本次方案设计中,分初次比赛用车和后期比赛用车(如果许可,可以直接用后期设计方案),前后用车主要不同处在于前轮转向及轨道设计,与费用不产生太大影响,但是方案二为我组主要设计方案。能量系统设计,以经发条实现二次转换为主,但也有备用方案。备用方案仅做意见保留。
三: 材料及成本分析
3.1小车应用材料种类:
塑料 硬质铝 磁铁 钢柱 细线
3.2小车整体材料种类
本次方案中主要材料种类如下:
小车底板及重物支撑架:塑料为主.
后轮设计:塑料为主(成品设计)。
前轮(前期):硬质铝。
齿轮:塑料(成品设计)。
重物下落固定物:磁铁。
连杆等:硬质铝。
前后轮中轴:钢。
装饰:塑料为主。
发条:买标准品。
3.3小车整体成本分析(参考网上报价)
塑料板成本:总共约15元
前轮成本:自己制作
后轮成本:标准品两个10元左右
连杆成本:约3元
齿 轮:小齿轮1元 大齿轮2元
发 条:25元左右
撞 针:0.5元
磁 铁:4-5元
滑 轮:1元左右
总共材料成本约为63元(不包含工具等其他费用)。
四:方案总结
本次竞赛命题要求中,以给定的能量设计三轮小车带动给定负载进行避物运行。本方案设计中,分为前轮转向,动力设计,成本分析三大部分展开设计。
前轮转向设计过程中,首先考虑到的是单向偏转的实现,但与理论最小运行值有较大差距,故考虑转向运行。其中,平行连杆的设计,从理论上可以实现交替转向。但前轮的支撑力如果较大,可能会导致能量的消耗,这也是实际要考虑到的问题。且对整个平行连杆的制作精度要求比较高。
动力系统的设计中,采用的是能量的二次利用,要求第一次能量的转换率要高,故对发条的要求较高。该设计中,将会消除重物下落的摇摆问题,同时利用撞针设计,启动小车行驶。
成本分析中,没有考虑制作工具的相关成本,如果可以实现底板的一次成型,将会减少工序,增大精度要求。同时其费用也将加大。综合成本,暂且不能确定。
该方案中,没有就小车的整体外观设计给出具体设计,将在小车轮廓设计完毕后进行整体外观设计(暂时无法用三维制作软件做出整体构架)。
无碳小车的专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标设计一种将重力势能转换为机械能,并可用来驱动小车行走及转向的装置。无碳小车采用三轮结构,前转向轮最大外径不小于Φ30mm,小车上装载一外形尺寸为Φ60mm×20mm且质量不小于400g的实心圆柱型钢制质量块。该无碳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)。本小车着重体现了无碳的概念,小车的动能完全由重力势能提供,是对环保的最高理想。创新点:本小车本身着重体现了无碳的概念,小车的动能完全由重力势能提供,是对环保的最高理想。技术关键:(1)利用重力势能这唯一的能量让小车行走并能躲开障碍物。(2)小车采用的摆杆机构由传统的刚性杆改为有柔性的绳索。(3)为了使小车在转弯时更易实现差速,利用有机玻璃作为轮子,从而降低轮子与地面的摩擦系数。主要技术指标:驱动吊重;吊重高;前轮直径;后轮直径科学性、先进性本小车依照现代工程师的标准,注重设计的巧妙、制作的精良、调试的可靠性等。与其他类似的模型小车相比,本小车更注重能量的利用、车体结构的稳定性、匀速性等;采用的柔性摆杆机构更涉及了诸多数学理论的验证;,且使小车控制转弯更省力、使小车的躲避障碍物的周期更容易实现与控制,亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁,组合零件不多,摩擦损耗小,效率高,较容易制造安装。适合广大青少年学习研究。参考文献:《汽车原理及构造》作者:陈有方 重庆大学出版社 《通用工程起重机技术基础》作者:王宗振 花艺出版社 《SolidWorks三维建模及实例教程》作者:上官林建 北京大学出版社《搬运小车机械结构设计与探讨》陈奎 期刊论文《港口桥式起重机小车轨道接头的处理形式分析》李晓军 郭东 期刊论文《轻型起重机牵引式小车钢丝绳张紧装置设计》贾志平 郑见粹 陈凯 期刊论文获奖情况及鉴定结果2010年12月25日,洛阳,河南省教育厅与河南科技大学共同举办,第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛河南赛区预赛,获三等奖。作品所处阶段实验室阶段 已完成,并参加了比赛获省级三等奖技术转让方式专利申请权转让。作品可展示的形式■实物、产品 ■图纸 ■图片 ■录像使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测同类课题研究水平概述以5焦耳重力势能为唯一能量的、具有连续避障18米功能。
无碳小车的简介
项目:无碳小车来源:“挑战杯”省赛作品 小类:机械与控制大类:科技发明B类随着人们节能环保意识的提升,无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探索与开发,对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙,在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题,方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。
无碳小车的在国内外的研究现状和发展趋势
随着社会科技的发展,人们的生活水平的提高,无碳对于人们来说,显得越来越重要,建设无碳社会,使得生活更加的环保,没有任何的污染。无碳小车的设计与发明,是国家和社会对能源问题和环境问题的更加重视。
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