无碳小车的创新性设计

第一篇：无碳小车的创新性设计

北京师范大学

无碳小车的创新性设计

北京师范大学

碳小车的创新性设计

摘要：此小车系统的设计核心是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。经过分析，确定小车设计的关键在于如何实现能量的转换(运动转换机构)、车体的平衡、小车的驱动及小车的周期性转向等问题。为了使小车具有良好的行进效果，通过理论计算与模型建立，我们总结得出：小车重心要低；结构尽量简单；传动件数少；振动小；操作、调整方便灵活。

关键词：无碳小车；结构设计；曲柄摇杆；正弦曲线 正文：

一、设计思路

要使小车自动行走，并且绕过多的障碍，必须从以下三方面考虑： 1，能量的高效率转化：为了使重块的重力势能高效率的转化为小车的动能，我们采用细绳缠绕驱动轴的方法。

2，车体的平衡：小车在行进过程中，由于重块的摆动，如果设计不当，会使小车倾覆。我们利用三角形具有稳定性的原理，提高了车体的平衡。

3，小车的周期性转向：小车的周期性转向按照命题要求小车必须具有方向自控功能，绕过直线布置的每隔1米1个障碍物的要求，小车必须左转、右转再左转地周期性转向。因此，曲柄匀速转动，摇杆左右匀速摆动的曲柄摇杆机构是最好的转向机

北京师范大学

构。

二、具体设计方案 2.1 运动转换机构

小车给定的能量只有重块下落的重力势能, 要使小车行驶的距离远, 必须将重块的直线运动有效地转化为小车轮轴的回转运动。我们选择质地弹性小、强度高且耐磨性好的细牵引绳，一端先固定在滚筒轴(驱动轴)上, 然后再将牵引绳均匀紧密的缠绕在滚筒轴上, 另一端绕过滑轮与重块连接。这样重块下落的运动就可转化为驱动轴的回转，完成重力势能转化为驱动小车行走的动能。对于影响能量转化效率的因素，主要是绳子的缠绕方法以及方向，当然可将牵引绳绕过动滑轮与定滑轮组成的滑轮组以使小车行走更远。不过由于使用滑轮组会使小车的启动力矩减小。不便于小车的启动，最终还是采用了绕过一个定滑轮的方案。

2.2 车体的平衡

底板作为最重要的支承件，是其他支承件连接的基础，其

北京师范大学

结构必须设计巧妙、合理。由于所承载的负荷比较小，选用厚度为d=8mm的硬塑料板，为避免发生薄壁振动，减少能量损耗，薄壁面积应小于90cm2小车的重块在车上重物支撑杆上方开始下落，距离车底板上面约500mm，而小车为了节省能量及避障性好，车底板一般不能选得面积太大，两后轮距（定为210mm）不能太大，限制底板的宽度不能大，刚度好。整个小车就是一个立式的结构，小车运行起来按避障要求左右转向牵引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动，导致小车倾覆不能行走，因此，将重物支撑杆设计成由两快平行板围成，一个中间恰好通过的重块，限制了重块在小车运行中的摆动，达到车体运行中良好的平衡。另外，也可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心，达到良好的动态平衡，为此将小车底板折弯，满足整车重心降低的需要，使得大齿轮转动不与底板干涉。整个车（包括重块及负载重量块）的重心最好应居于小车三个轮构成的三角形的形心上，保证小车的平稳运行。

2.3 小车的驱动及小车的周期性转向

小车的驱动齿轮传动效率可高达98％，因此可以很好的提

北京师范大学

高能量利用率。依据重块下落的重力势能转化为使小车前进的动能能量损失最少的原则，选择以曲柄摇杆来完成滚筒轴到转向轴的动力传动，驱使小车行驶，使小车行驶的更远。

内联系传动链容易保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短内联系传动链，减少传动件的个数，缩小传动误差，尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。实现小车的周期性转向，小车的内传动链必须准确，否则会“失之毫厘谬以千里”，小车很快脱离预定的轨迹，退出比赛。必须将滚筒轴的动力输出用严格的定传动比输出到后轮轴及前轮的转向装置上，实现后轮的行程与前轮的转向相匹配，这也是选择用曲柄摇杆来完成滚筒轴到转向轴的动力传动的主要原因。

另外还要注意齿轮的设计，加工精度要严格保证，各传动轴及轮轴的材料，应有较高的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置上也要考虑轴的两支承跨距尽量要小，轴伸尺寸尽量短，齿轮尽量靠近支承处（如滚筒轴的设计）来提高内传动链的运动精度。

北京师范大学

小车的周期性转向按照命题要求小车必须具有方向自控功能，绕过直线布置的每隔1米1个障碍物的要求，小车必须左转、右转再左转地周期性转向。在速度一定的前提下，必须要保证小车的运动轨迹曲率是连续变化的，小车才能平稳行驶。否则，曲率突然改变，小车容易晃动甚至倾覆。因此，曲柄匀速转动，摇杆左右匀速摆动的曲柄摇杆机构应该是最好的转向机构，小车运行轨迹接近正弦曲线，曲率变化连续从滚筒轴的回转运动到控制前轮转向的摇杆的水平摆动，需要把竖直平面的运动转化为水平面运动，以实现小车的转向。

要实现把竖直平面的运动转化为水平面运动，可以采用锥齿轮传动、凸轮机构、摩擦轮传动、皮带传动等传动机构。在考虑到安装精度、传动效率、结构复杂程度以及成本高低后，最后选用了变形的曲柄摇杆机构来实现转向轮转向的方案，见图

曲柄摇杆机构中的曲柄回转中心，即滚筒轴轴心应与摇杆的摆动平面等高保证机构无急回特性，曲柄作等速转动，摇杆摆动时左右行程的平均速度相等，即使得前轮左右摆幅相同。

北京师范大学

按照指定轨迹行驶把铅垂平面的运动转化为水平面运动是个三维空间的运动转换，通用的曲柄摇杆机构不能完成三维空间的运动转换，最终实现了与滚筒轴连接的曲柄的回转运动转化为摇杆的水平运动，摇杆在水平面内摆动。使得前轮左右摆幅相同，实现了小车前轮的转向问题，且保证了传动的准确。通过控制连杆和曲柄长度，使得连杆推动摇杆水平直线移动距离仅为减少了能量消耗另外，见图

在前轮轴上增加了盘轴承，适当保持两盘轴承的距离，显著增强了前轮轴的支承刚度大大提高了前轮轴的运动精度，使前轮转向更准确利用曲柄摇杆机构控制小车自动转向。原理是单手握龙头 这样小车结构简单、容易加工、能量利用率高，且便于前轮摆动角度的调节。

北京师范大学

三、总结

本次设计的小车利用线牵引实现驱动轮转动；利用齿轮副将运动传递给后轮轴实现后轮驱动；并利用曲柄摇杆机构实现前轮转向，前轮转向的角度与后轮的转速相匹配，结构简单、传动件少、质量小，大大地降低了能量的损耗，小车行驶平稳且更远。小车的总体方案图

主要部件尺寸：

驱动轮直径160mm

转向轮直径60mm 后轮距210mm

前后轮距190mm 齿轮距140mm

传动比5

第二篇：无碳小车设计说明书

无碳小车设计说明书

参赛者：

施朝雄

林秋妹

指导老师：罗敏峰2014-12-16

丁天熙

一、主题

设计一种小车（“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”），驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。实现小车可以按照桩距自动转弯，桩距是按每50mm 跳档在700～1300mm 范围内产生一个“S”型赛道障碍物间距值。

二、分析

1、为使得小车能够转弯，并能够绕开等距离的障碍物，需要设计一个能够自动转弯的机构。

2、根据这次的比赛要求我们需要考虑设计一个可调级方案.3、为了使得小车能够顺利转弯，还要解决小车后轮的差速问题

4、为了能够减少装配的误差使小车的摆角能够消除这些误差我们还需设计有课微调机构

三、方案确定

1.转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，关系到小车的整体性能.通过查阅大量资料以往常用的转弯机构有凸轮和曲柄摇杆等机构.曲柄摇杆的机构虽然简单轻便但是可能会打滑所以我们打算用圆柱凸轮的方案圆柱凸轮机构+摇杆，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动，并且稳定性较强。所以我们采用圆柱凸轮机构+摇杆作为我们的转向机构。

2.调级

此次命题的难点就是小车过的桩距要可调节的，并且要从按每50mm 跳档在700～1300mm 范围内产生一个“S”型赛道障碍物间距值。

我们转向机构采用的是圆柱凸轮机构+摇杆，所以要求凸轮转一圈，小车就要通过一个s周期的路程。我们通过改变大齿轮的齿数，实现凸轮轴上和驱动轮上的齿轮传动比的改变从而实现变距，但是要实现这么多的变距，这就要求小车要携带多对齿轮。但为了减少摩擦力对能量的消耗，所以小车的负重又不能太重。这就考虑小车能不能便携式更换大齿轮，所以我们采用以下机构实现以上要求。

小齿轮组固定在驱动轴上，大齿轮可以根据要求便携式拆卸，从而组装出符合要求的传动比！

3.左右轮差速

小车转弯时左右两轮的的速度是不一样的，如果装普通的深沟球轴承，是没办法实现差速拐弯的！要解决这个问题可以有如下两种办法：

1.使用差速器。但是差速器结构复杂，加工困难 2.使用单向轴承。简单方便，而且价格合理！

所以我们采用左右两轮各装一个单向轴承！

3.微调机构

用螺丝可以实现前轮摆角的微小变化 机构如图所示

装配图

机构运动简图

大齿轮小齿轮转向杆1后轮驱动转向杆2圆柱凸轮S型三等奖

第三篇：无碳小车设计说明书

第三届全国大学生工程训练综

合能力竞赛 无碳小车设计说明书

院系：信息工程学院 班级：机械卓越班 队伍名称：启航队

参赛者：刘腾飞 耿玉块 指导老师：刘胜荣 时间：2012年12月30日葛小乐1

无碳小车设计方案

设计思路：作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。采用了PROE、CAD等软件辅助设计。

方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、五个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮传动、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动。

我们先进行原理分析，接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。

目录

方案设计..............................................1.1车架..........................................3 1.2原动机构......................................4

1.3传动机构......................................5 1.4转向机构......................................6 1.5行走机构......................................6

2、零部件设计....................错误！未定义书签。

3、整体设计......................................11

4、设计参数-------14

1.1车架

车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架用木材加工制作成三角底板式。具体设计如下

1.2原动机构

原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同 的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。

1.3传动机构

传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构驱动必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。

1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。

2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。

3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。

1.4转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。

曲柄连杆+摇杆

优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。

我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。

1.5行走机构

行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。

有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为

MN

对于相同的材料为一定值。

而滚动摩擦阻力

fMRN所以轮子越大小车受到R，的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。后轮为驱动轮，前轮为转向轮，为减轻重量，可以挖空轮子中间的材料。

2、小车的零部件设计 小车底板的俯视图和左视图：

转向轮的连接控制机构：

车后轮的三视图：

齿轮的三视图：

3、小车的整体设计：

4、设计参数

1）基本尺寸参数：

车长：200mm

车宽：180mm

车后轮D：110mm

车前轮d：22mm

齿轮：模数

1、齿数20/60/80（小车的其他参数以

三维图为准）

2）轨迹参数

根据小车行走路线近似的模拟为正弦曲线，由于实际的尺寸可算得振幅为0.35mm，波长为2m，所以可以近似求出轨迹方程为：

Y=0.35sinx； 求导得在每个位置上的转角的正切的大小：

Y’=0.35； 我们可以得到前轮的最大转角为36’。

而小车轨迹的弧长L=1.636m，当振幅为0.35m时，从峰顶到谷底时的弦长Lab=L*0.35*2=1.1453m，而驱动轮直径d=182m，周长C=PI*d，由转向的需要可以得转动比为i=1/4

第四篇：无碳小车设计说明书.

第三届全国大学生工程训练综合能力

竞赛

无碳小车设计说明书

参赛者：陈文 李志文 黄素昕

指导老师 ：廖志良

2013.4.1

摘要

第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了PROE等软件辅助设计。

我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。

方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、调节部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、调节机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、调节机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。

技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。

小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。因为小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。

目录

一、设计要求 1.1参赛要求

二、方案设计 2.1车架 2.2原动原理 2.3传动原理 2.4转向原理 2.5行走原理 2.6调节原理

三、技术设计

3.1动力参数设计 3.2轨道参数设计 3.3传动参数设计 3.4行走参数设计 3.5调节参数设计 3.6小车各部件参数

四、小车的调试

五、评价分析

一、设计要求

1.本届竞赛主题：

本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。

要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理4项报告。

2.竞赛命题：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车

设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为4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400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。

图1： 无碳小车示意图

要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。

要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。

要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。3.竞赛项目I：

竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。见图2。

图2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图

二、方案设计 2.1车架

车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用有机塑料加工制作成三角底板式。

2.2原动机构

原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。

2.3传动机构

传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。

1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。

2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。

3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。

2.4转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。

而综合考虑后，我们决定用凸轮机构+摇杆

优点：在理论情况下能比较精确实现给定的运动轨迹且结构设计比较简单，而且能实现连续不同障碍物间距的调节，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便。

缺点： 需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。

2.5行走机构

行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。

有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为

MN

对于相同的材料为一定值。

而滚动摩擦阻力

fMRNR，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。

由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。

双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。

双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时

便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。

单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。

综上所述比结合实际情况采用单轮驱动。

2.6调节机构

调节机构是小车的重要部分，命题要求改变杆与杆之间的距离。而要达到这个要求，我们是通过改变小车的拐角，在小车行走相同的路程的情况下，改变小车转向轮的偏转弧度范围，从而改变小车行走的水平距离。也就是通过增加小车行走路线的振幅来减少路线的波长。因此就可以实现绕过不同距离杆的目的。

要达到改变小车导向轮的拐角，我们采用的是以连杆的一端为圆心，以连杆为半径在曲柄上多开几个圆孔。改变连杆与曲柄连接的位置，也就是改变曲柄圆心到连杆连接端的距离来改变小车导向轮转动的角度。从而实现绕过不同距离杆的目的。再通过改变连杆距底板中心的距离实现连续微调。

三、技术设计 3.1动力参数技术

我们采用的是物快通过定滑轮带动梯形原动轮，而原动轮带动同轴上的大齿轮，大齿轮再传递到与车轮相连的小齿轮，从而使小车向前行走。轴的原动轮的设计 3.1.1 结构图

.图3.1 梯形原动轮

3.1.2 分析

1）.在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。

2）.起动后，原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。

3）.当物块距小车很近时，原动轮的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车。

3.1.3 梯形圆柱原动轮的作用

1，刚开始牵动绳为小车提供动力的部分是梯形圆柱的粗端，这样能为小车提供较为快捷的动力。

2，下落物体不可避免的会和小车发生碰撞，这样当物体快要和小车碰撞的时候牵动绳已绕到了梯形圆柱的细端，这样能减少物体的下落速度，减少物体和小车碰撞的能量损失。

3.梯形原动轮的设计实现小车的起动和物块的从低速到减速下落。减小因碰撞而损失的能量。

4.利用公式M=F*R,当力一定是R越大矩就越大，转动的就越快车启动的就快；当M已达到一定的大少保持不变R变小，F就会增大，从而使物快减速。

3.1.4参数设计

原动轮主轴半径R=7mm 物快下降高度H=400mm 原动轮的侧截面周长C=2πR=2×7×3.14=43.96mm 圈数N=H÷C=400÷43.96≈9圈

9圈且定齿轮总传动比为1也就是大概可以绕过18个杆。

3.2轨道参数设计

32cm98cm

无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图

假设抽选的杆距为1000mm，根据小车的行走路线近似的模拟为正弦曲线，所以齿轮选择三角函数运动规律。有实际的尺寸大小可得振幅为0.32m，波长为2m，轨迹方程近似为：

Y=0.35sinπx ；

轨道长度S=4∫（0→π/2）[1+（Y′）²]½dx 最后算得S≈2433mm 过两个杆后小车又回到同一个位置，及完成一个周期的行走过程。而一个周期的行走位移为2000mm，路线长度S约为2433mm。

3.3传动参数设计

3.3.1齿轮

传动部分采用的是齿数比45：15的齿轮。

小齿轮：模数=1，齿数=15，外径=17mm，内孔=3mm，厚度：6.5mm 大齿轮：模数=1，齿数=45，外径=47mm，内径=10mm，厚度：10mm

3.3.2传动行程

传动比（传动系数）：齿轮比乘以后轮直径，即为传动比。以C代表大齿轮，F代表小齿轮，G代表齿数比，D代表传动比，M代表转动行程，B代表后轮直径，它们之间关系用公式表示，即：

D=C÷F×B=GB

由此可见，齿轮比确定之后，传动比是与后轮直径成正比的。

传动行程：

M=D×π=C÷F×B×π

3.3.3齿轮力的计算

题目给定重力势能4J，重块1kg；设总的重量为M，则 M=m（重块）+m（载荷）+m（车)=1kg+400g+50g=1.45kg 经网上查得,橡皮轮胎与干地面之间的动摩擦因素为0.71,设驱向轮所获得的摩擦阻力为F，则

F=Mµ=1.45kg*0.71=1.0295N≈1N

3.4行走参数设计

3.4.1后轮直径

由于轨道的长度S是确定的，而齿轮也是固定的，根据传动行程我们可以算出小车后轮的直径B

S=M=D×π=C÷F×B×π=45÷15×B×3.14=2433mm ∴后轮直径B≈258mm 3.4.2其他参数

小车导向轮直径d定为58mm，宽为8mm，后轮直径D为258mm，宽6mm。

3.5调节参数设计

调节参数设计是本次比赛的重点部分，也是设计中的难点，尤其是参数化这一块，要定好调节装置中各零件的尺寸大小，还需要大量的反复的研讨与实验，而在设计的初级阶段，我们只能够去进行各零件的估算，没有太多的科学性。连杆L=116mm 圆柄的直径D=50mm.而小车导向轮摆正位置是连杆接口过圆柄圆心垂直于地面位置。曲柄为逆时针旋转，当曲柄旋转到圆心，接口与连杆端点三点成一线时，则小车导向轮摆动的幅度最大。当接口在圆心的左边时小车向右拐，当接口在圆心的右边时，小车向左拐。而圆柄逆时针转的一周，小车的导向轮就又回到了初始状态，小车就行走一个周期，也就是小车绕过两个杆。

3.6小车各部件参数

车身长L=300mm，车身宽140mm，厚8mm。

后轮直径D=258mm,宽6mm，导向轮直径58mm，宽6mm。梯形原动轮直径14mm，长30mm。

小齿轮：模数=1，齿数=15，外径=17mm，内孔=3mm，厚度：6.5mm 过度齿轮：

大齿轮：模数=1，齿数=45，外径=47mm，内径=10mm，厚度：10mm

圆柄直径50mm，厚度8mm，连杆长150mm，直径5mm。定滑轮直径28mm，厚12mm，支杆长500mm，直径5mm。

四、小车的调试

小车的调试是个很重要的过程，有了大量的理论依据支撑，还必须用大量的实践去验证。小车的调试涉及到很多的内容，如车速的快慢，绕过障碍物，小车整体的协调性，小车前进的距离等。

（1）小车的速度的调试：通过小车在指定的赛道上行走，测量通过指定点的时间，得到多组数据，从而得出小车行驶的速度，通过试验，发现小车后半程速度较快，整体协调性能不是太好，于是车小了绕绳驱动轴，减小过大的驱动力同时也增大了小车前进的距离。

（2）小车避障的调试：虽然本组小车各个机构相对来说较简单，损耗能量较少，但是避障不是很好，但与此同时，小车由于设计时采用了多组微调机构，通过观察小车在指定赛道上行走时避障的特点，微调螺母，慢慢小车避障性能改善，并做好标记。

五 评价分析

5.1小车优缺点

优点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少，（2）多处采用可调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物，（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，（4）采用梯形原动轮，小车稳定性提高，不致使车速过快，缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，避障稳定行差，时而偏左，时而偏右。

5.2自动行走比赛时的前行距离估计

通过理论与实践结合，小车行走距离（包括绕开障碍物）约20米。

5.3改进方向

小车最大的缺点是精度要求非常高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。

第五篇：无碳小车设计说明书

沈阳航空航天大学

无碳小车设计说明书

参赛者：

2010040601213 杨艳超 2010040601208 肖庆敏

2012-9-1

摘要

第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。

我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。

方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合

技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。

小车大多是零件都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。因为小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。

关键字：无碳小车 参数化设计 软件辅助设计 微调机构

灵敏度分析

一、竞赛基本内容

1.本届竞赛命题主题

本届竞赛命题主题为“无碳小车”。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。

2.小车功能设计要求

给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动走成“8”字路线，综合距离最远者获胜，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。

要求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。

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。

3.小车的设计方法

小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。作品的设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。

小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法。采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程（如图一）

图一

二 方案设计

1、基本构思

通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、形成固定路线。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。

基本设计图：

图二

2原动机构

原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。

基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构。如下图三

如上图我们可以通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力。

图三

3传动机构

传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。

1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。

2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。

3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。

4转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现走固定“8”字路线的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。

通过棘形轮的间歇性运动，使得小车在描红部分时，棘轮的带齿部分未与齿轮啮合，前轮的转动角度不变，当小车到达黑线轨迹部分时，棘轮的带齿部分与齿轮啮合，小车前轮转向发生变化，进入下一个圆中运动，一次类推，小车不断地重复“8”字，进行运动。

基本成型构想：

三

技术设计

技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。

1、重要技术

如何两轨迹中心间的距离可以在300mm~500mm之间发生变化？

要想达到这一目的，需要同时调节两部分，以由大轨迹变到小轨迹为例来说明

（1）通过减小摩擦轮与摩擦盘中心之间的距离，来降低后轮与摩擦盘之间传动比，使得小车走过一个圆轨迹时的圈数变少。

（2）增大小车前轮（即转向轮）的转动角度，来达到减小轨迹半径的目的。为达到这一目的，可以在圆盘上设置一可沿一条半径连续变化的滑块，通过增大滑块与圆盘中心的距离，来达到这一目的。如下：

设计图纸：

2、小车调试方法

小车的调试是个很重要的过程，有了大量的理论依据支撑，还必须用大量的实践去验证。小车的调试涉及到很多的内容，如车速的快慢，绕过障碍物，小车整体的协调性，小车行走的距离等。

（1）小车的速度的调试：通过小车在指定的赛道上行走，测量通过指定点的时间，得到多组数据，从而得出小车行驶的速度，通过试验，发现小车后半程速度较快，整体协调性能不是太好，于是车小了绕绳驱动轴，减小过大的驱动力同时也增大了小车前进的距离。

（2）小车避障的调试：虽然本组小车各个机构相对来说较简单，损耗能量较少，但是避障不是很好，但与此同时，小车由于设计时采用了多组微调机构，通过观察小车在指定赛道上行走时避障的特点，微调螺母，慢慢小车避障性能改善，并做好标记。

3、小车改进方法

由于本组小车采用胶水黏贴各处，虽然少了许多的加工成本费用，也避免了能量的过多损耗，但小车会有时出现脱胶的现象，导致无法前进，于是想法改进，使小车能量损失减少，同时故障出现的次数减少，稳定性能较好，总路线最远，降低成本。

四 评价分析

1、小车优缺点

优点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少，（2）多处采用微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物，（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，（4）采用磁阻尼，小车稳定性提高，不致使车速过快，缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，避障稳定行差，时而偏左，时而偏右。

2、改进方向

小车最大的缺点是精度要求非常高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。同时可以降低成本，节约资源。