【正文】 輪 ， 中心距 ， 后輪直徑 ， 前輪直徑 。 后輪直徑為 155mm， 前輪的直徑可以取 36mm,保證重心降低的要求 。 1) 運(yùn)行阻力： ① （ 小車的啟動加速度 ） ②靜阻力（包括基本阻力、彎道阻力） 基本阻力 = (w 為運(yùn)行阻力系數(shù) ，約為 ) 2) 地面對無碳小車的滾動摩擦阻力： (f為滾動摩擦阻力系數(shù) ， f與輪子材料和地面的材料有關(guān) ， 一般材料的滾動摩擦阻力系數(shù)為 ～ ) 無碳小車不打滑的條件 ： 3. 做功分析： 假設(shè)： S： 小車運(yùn)行軌跡路程 （ 單位 mm） η：小車的總效率 則 ： ④ 綜上 ①③③④方程式可得出軌跡路程方程式： mm (防滑條件 ) 由上公式得出結(jié)論：為了增大小車行走的軌跡路程，避免能量損失不打滑，保證小車平穩(wěn)勻速行駛的前提下，驅(qū)動力 F0越小越好 ， 且后輪直徑越大越好 。滾動摩擦系數(shù)具有長度的量綱，它的實(shí)際意義相當(dāng)一個(gè)力臂，滾動摩擦力矩的大小主要取決于相互接觸物體的材料屬性和表面粗糙程度，濕度等等。滾動摩擦力矩的大小 M和支承力 N 成正比關(guān)系。 假設(shè)后輪受力示意圖如下： 圖 41 小車受力分析 控制 小車在平面上勻速行走 ，受到重物下降牽引繩輪的扭矩 M 和滾動摩擦阻力 。 ,此正弦函數(shù)一個(gè)周期的軌跡長度可用積分求得 一個(gè)周期的軌跡路徑為 L=2433mm,也就是曲柄軸 （ 輔軸 ） 回轉(zhuǎn)一周 ，搖桿前后往復(fù)擺動一次，后輪前進(jìn) 2433mm,用數(shù)學(xué)公式可以表達(dá)為 ： 其中 為曲柄上的齒輪到驅(qū)動軸上的齒輪的傳動比 、 d為后輪直徑。 無碳小車運(yùn)行理論計(jì)算基礎(chǔ) 無碳小車參數(shù)的確定 無碳小車運(yùn)行軌跡理論參數(shù)分析 根據(jù)無碳小車行走示意圖 2，假設(shè)小車的行走軌跡為正弦函數(shù)： y= x (單位 m）， 小車運(yùn)行的軌跡幅值 A： ，周期 T： 2m 對軌跡曲線求導(dǎo)得： y＇ = cosπ x 此方程即為小車在各個(gè)軌跡位置轉(zhuǎn)角的正切值大小。從學(xué)校的現(xiàn)有的機(jī)床和材料出發(fā)，選擇材料類型為：鋁合金。 方案草圖的建立及原理 根據(jù)上述局部模塊方案論述 ，把 選擇出局部機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行組裝 ， 然后利用機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法把整體結(jié)構(gòu)方案草圖畫出 ： 圖 34 無碳小車整體結(jié)構(gòu)草圖 驅(qū)動機(jī)構(gòu)→重物 +棉繩 +繩輪 傳動機(jī)構(gòu)→ 小齒輪 +大齒輪 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)→ 曲柄轉(zhuǎn)盤 +T型連桿 +搖桿 （控制方向和正弦軌跡振幅） 行走機(jī)構(gòu)→兩個(gè)后輪 +前輪（控制正弦軌跡周期長度） 微調(diào)機(jī)構(gòu)→曲柄 +曲柄轉(zhuǎn)盤 原理是：驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供原動力，一部分傳給行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動小車往前行走，一部分傳給齒輪傳動機(jī)構(gòu)把扭矩傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（曲柄連桿 +搖桿）控制小車周期性轉(zhuǎn)換方向，當(dāng)小車行走的運(yùn)行軌跡振幅偏小或者偏大時(shí)，這時(shí)微調(diào)機(jī)構(gòu)就起作用了，通過調(diào)節(jié)曲柄的長度，直至小車的運(yùn)行軌跡最優(yōu)化為止。 保證整車的重心比較低，防止小車行走過程晃動。 無碳小車車體分析 小車的底板和軸的支撐座就好比于一個(gè)完整機(jī)器的外殼，它們既是其他局部構(gòu)件的支撐件，同時(shí)也是各局部構(gòu)件的相互聯(lián)系、相互制約的樞紐，車體設(shè)計(jì)的好壞以及加工制造精度會間接影響小車整體的功能，嚴(yán)重的會導(dǎo)致小車傾覆不能行走。鑒于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿 +搖桿方式，所以在曲柄處設(shè)置微調(diào) 機(jī)構(gòu)比較容易方便。微調(diào)機(jī)構(gòu)就相當(dāng)于一個(gè)小車系統(tǒng)的控制部分，控制小車的運(yùn)行正弦軌跡的幅值、周期、方向，使小車走一條最優(yōu)的軌跡路線。從加工的難易程度以及經(jīng)濟(jì)成本分析應(yīng)該選擇單輪驅(qū)動比較合適。由于小車是沿著正弦曲線軌跡行走的，拐彎 的時(shí)候必定存在差速，針對這種情況可以選擇“雙輪差速”驅(qū)動，單輪驅(qū)動。 綜上幾種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析可以選擇出最優(yōu)的方案 : 曲柄連桿 +搖桿 （ 曲柄 的回轉(zhuǎn)中心必須和搖桿在同一水平面上）。 差速轉(zhuǎn)彎 原理 ： 利用兩個(gè) 偏心輪作為驅(qū)動輪，“繩輪”提供原動力，兩輪的角速度一樣，轉(zhuǎn)動半徑不一樣，使得兩輪子的線速度不一樣，從而產(chǎn)生差速，小車通過兩輪的差速實(shí)現(xiàn)繞障礙物行走的功能。 3. 曲柄連桿 +搖桿 優(yōu)點(diǎn) ： 設(shè)計(jì)計(jì)算容易 ， 制造方便 ，可以把曲柄的長度設(shè)置成微調(diào)機(jī)構(gòu)，從而控制運(yùn)行軌跡的幅值。 2. 空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu) ： 優(yōu)點(diǎn) ： 機(jī)構(gòu)簡單 ，易于設(shè)計(jì)制造，必須保證機(jī)構(gòu)無急回特性。 優(yōu)點(diǎn) ： 知道從動件的運(yùn)動規(guī)律后 ， 很快就可以設(shè)計(jì)出凸輪形狀 ， 而且結(jié)構(gòu)簡單 ， 設(shè)計(jì)方便 ， 制造容易 （ 線切割加工很快 ）。重要的是具有特定的運(yùn)動特性，確保小車的前輪能夠均衡左右擺動，即運(yùn)行軌跡上下振幅一樣。 綜上論述 ：從實(shí)際情況出發(fā)，立足于加工工藝的可行性，選擇齒輪傳動最合適 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的功能是控制小車自動繞障礙物行走，是無碳小車的兩大模塊之一，控制的是正弦運(yùn)行軌跡的振幅大小。 缺點(diǎn)：重量大； 傳動距離較小； 2. 帶傳動 、 鏈傳動 ： 第 16 頁 共 64 頁 優(yōu)點(diǎn) ： 傳動平穩(wěn) ； 結(jié)構(gòu)簡單； 緩沖吸震； 缺點(diǎn) ： 傳動精度不高 ； 傳遞效率低；（摩擦力大） 3. 不用附加傳動 ： 優(yōu)點(diǎn) ：后輪驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動力來源直接由繩輪軸生成，結(jié)構(gòu)是 最簡單的，而且傳動效率最高。 傳動機(jī)構(gòu) 傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能是把能量傳送到后輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) ， 若要使小車運(yùn)行軌跡更長 ，并按預(yù)先設(shè)計(jì) 的軌跡行走，那么傳動機(jī)構(gòu)的傳動效率必須很高，而且結(jié)構(gòu)簡單。綜上所述實(shí)現(xiàn)小車驅(qū)動功能可以采用： 重物 +棉繩 +錐形繩輪 采用錐形繩輪控制力矩的 原 理 ： 第 15 頁 共 64 頁 圖 33 繩輪受力分析 驅(qū)動力矩 1. 小車剛剛啟動時(shí)，繩輪的轉(zhuǎn)動半徑大，啟動力矩大，有利于啟動 2. 啟動后 ， 繩輪半徑變小 ，驅(qū)動力矩隨之變小，小車轉(zhuǎn)速增大，當(dāng)驅(qū)動力矩和小車和外力平衡后，小車勻速運(yùn)行。小車要平穩(wěn)的行走，對于驅(qū)動力矩有一定的要求，在剛剛啟動瞬間，由于受到內(nèi)部和外部靜摩擦力的作用，所需要的啟動力矩比較大，車子平穩(wěn)運(yùn)行后車子受到總的動摩擦力不變，這時(shí)就需要控制驅(qū)動力矩大致等于總的外部阻力。同時(shí)，在選擇方案時(shí)，要盡量避免主觀因素，多向同學(xué)、老師探討方案的可行性和最優(yōu)化。 如下圖 3是設(shè)計(jì)小車整體思路及流程 ： 圖 23 無碳小車設(shè)計(jì)流程圖 第 13 頁 共 64 頁 無碳小車結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 整體方案分析 通過對畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)要求及目的的剖析，利用發(fā)散性思維方式，把實(shí)現(xiàn)小車功能的各種可能方案一一列出，為了方便設(shè)計(jì)，可以將能實(shí)現(xiàn)小車功能細(xì)分為：驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)五個(gè)模塊。 為了使小車在行駛的過程中更加穩(wěn)定，前進(jìn)的距離更遠(yuǎn)，采用參數(shù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法 對小車零部件尺寸進(jìn)行優(yōu)化。 第 12 頁 共 64 頁 無碳小車的設(shè)計(jì)方法 首先要明確命題的要求，其次對命題做出詳細(xì)的分析得出清晰的設(shè)計(jì)思路。 整體設(shè)計(jì)要求： 1) 小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，轉(zhuǎn)向精確，能量轉(zhuǎn)換充分，能量損耗少； 2) 選材合理，經(jīng)濟(jì)性好，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)； 3) 小車運(yùn)行軌跡穩(wěn)定，行程遠(yuǎn)，直線性好。 無碳小車的整體設(shè)計(jì)要求 小車設(shè)計(jì)過程中需要完成的任務(wù)分解：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)學(xué)建模，實(shí)體建模，機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真和優(yōu)化分析，工藝方案設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)成本的分析和工程管理方案的設(shè)計(jì)。 小車底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用三輪結(jié)構(gòu) ， 即 2個(gè)驅(qū)動輪 ， 1 個(gè)轉(zhuǎn)向輪。 無碳小車功能設(shè)計(jì)要求 圖 11 無碳小車示意圖 第 11 頁 共 64 頁 圖 12 無碳小車運(yùn)行軌跡圖 如上圖 11小車示意圖： 根據(jù)能量守恒定律 ， 給一定重力勢能 （ 用 普通碳鋼的重塊，質(zhì)量為 1kg，鉛垂下落差為 400mm 來獲得） ， 設(shè)計(jì)一種 “ 以重力勢能驅(qū)動具有方向控制功能的無碳小車 ”，該小車能夠在行駛的過程中有規(guī)律避開水平的平面上每隔 1 米設(shè)置一個(gè)彈性圓棒障礙物（如上圖 2 小車運(yùn)行軌跡圖） 。 無碳小車的創(chuàng) 新性設(shè)計(jì)主要意義在于推動綠色能源的應(yīng)用進(jìn)入更高的層次，目的在于將低碳理念傳播到每個(gè)人的心靈深處。針對這類能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，我們采取巧妙的措施，在循環(huán)水系統(tǒng)中引入“重力勢能轉(zhuǎn)換節(jié)約電能裝置”，減少了不必要能源浪費(fèi)。 4. 重力勢能在水循環(huán)系統(tǒng)的使用 如下圖為重力勢能在水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理圖 ： 第 9 頁 共 64 頁 圖 11 水循環(huán)系統(tǒng)原理圖 設(shè)計(jì)循環(huán)水系統(tǒng)的大概流程 :根據(jù) 用水設(shè)備全部開啟時(shí)，即滿負(fù)荷狀態(tài)的用水量，管道阻力，水的流量及揚(yáng)程等實(shí)際條件來選擇水泵。自動扶梯的安全性能也沒用發(fā)生變化。為了節(jié)約電，將原來提供下行的電機(jī)去掉，通過聯(lián)軸器和換向器將上行和下行扶梯連接在一起，變成有同一電機(jī)驅(qū)動的系統(tǒng)。 3. 利用 重力勢能為自動扶梯節(jié)約電能 自動扶梯 的上行和下行是獨(dú)立運(yùn)行的，這樣在下行的過程中重力勢能就完全浪費(fèi)了，而且還要能量來控制下行的勢能。 2. 非自然重力勢能發(fā)電 咱們中國的三峽水利發(fā)電站便是利用大壩將水蓄起來 ， 然后在大壩處飛瀉而下 ， 帶動發(fā)電機(jī) 。這種重力電燈只有在有星球萬有引力的地方方才可以使用，并能持續(xù)照明大約 30 分鐘左右。它的工作原理是通過懸掛著重物儲蓄重力勢能并產(chǎn)生動力源 。步入現(xiàn)代文明，科技發(fā)展快速，對于勢能的研究也取到了很大的成果，使得勢能的應(yīng)用逐漸走入我們的日常生活，給我們生活提供方便的同時(shí)也凈化了環(huán)境。而且“勢能”的概念在中國文化領(lǐng)域中已經(jīng)存在上千年，在日常生活上發(fā)揮著舉足輕重的作用。 重力勢能的應(yīng)用實(shí)例 對于勢能的利用，從古代一直延至今日。 3. 太陽能電池的應(yīng)用 隨著光伏技術(shù)的發(fā)展 ， 近期將以高吸收效率的硅電池為主 ， 然后逐漸過渡到薄膜太陽能電池的發(fā)展 。它的工作方式主要有兩種形式：首先實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的功能，再利用電力驅(qū)動制冷系統(tǒng)工作，這種工作方式原理比較簡單、易于實(shí)現(xiàn)，而且成本高。這種集熱器可以將太陽能聚集在比較小的吸熱面上，而且散熱損失少，吸收效率極高，用這類型集熱器做成的太陽能熱水器，即使在陽光不充足的情況下也能集熱，這就解決天氣方面的問題。 太陽能熱水器也稱為太陽能熱水系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)熱水器功能的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在于 “ 集熱器 ” 和 “ 儲熱水箱 ”。下面大致列舉太陽能應(yīng)用層面上比較成熟的技術(shù)： 第 7 頁 共 64 頁 1. 太陽能熱水器的應(yīng)用 太陽能光熱轉(zhuǎn)換是太陽能利用中最常見的基本形式之一，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能是太陽能熱利用的本質(zhì)。討論太陽能利用技術(shù)及其發(fā)展趨勢 ,對太陽能利用的理論研究和實(shí)踐研究的太陽能利用率具有重要的意義 。 太陽能的應(yīng)用實(shí)例 鑒于世界范圍內(nèi)的能源問題和環(huán)境