无碳小车说明书

第一篇：无碳小车说明书

目录

1.摘要..............................................................1 2.引言..............................................................1 3目的..............................................................1 4工作原理和设计理论推导............................................1 4.1总体结构.....................................................1 4.2设计方案介绍与计算分析.......................................2 4.2.1无碳小车模块机构介绍...................................3 5.设计总结.........................................................8 6.附件

1.摘要

本作品是依据工程训练综合能力竞赛命题主题“无碳小车”，提出一种“无碳”方法，带动小车运行，即给定一定重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。该小车通过微调装置，能够实现自动走“S“字直线绕障。此模型最大的特点是通过两个不完全齿轮驱动前轮摆动，进行可调整的周期性摆动，使前轮的摆动节拍具有可调性。本文将对无碳小车的设计过程，功能结构特点等进行详细介绍，并介绍创新点。

2.引言

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。节能、环保、方便、经济，是现代社会所提倡的。现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领域，像交通，家具等，这也是我国当今所要求以及努力的方向。针对目前这一现状，我们设计了无碳小车模型，用重力势能转化为机械能提供了一种全新的思路，以便更好的解决以上问题。

3目的

本作品设计的目的是围绕命题主题“无碳小车”，即不利用有碳资源，根据能量转化原理，利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。这种模型比较轻巧，结构相对的简单，能够成功的将重力势能转化为小车的动能，从而完成小车前行过程中的所有动作。

4工作原理和设计理论推导

4.1总体结构

图 1 无碳小车总体结构

无碳小车模型的主要机构有驱动机构、转向机构、行走机构及微调机构。主要部件如下图2所示为小车整体模型。

图 2 无碳小车模型

4.2设计方案介绍与计算分析 4.2.1无碳小车模块机构介绍

1.驱动机构

本方案采用绳轮作为驱动力转换机构。我们采用了梯形轮使能量转化过程中有更合适的转矩使驱动力适中，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。同时做到了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，提高了能量利用率。绳轮机构简单，传动效率高，且在针对不同场地导致的所需动力不同的情况，可通过调节绕绳位置来改变转矩，使动力改变，增强适应性。

2.转向机构 如图，本方案采用了摇杆加两个完全相同的不完全齿轮，实现可变周期性转向。考虑到摩擦、制造、安装误差的敏感性等因素，我们最终选用了摇杆加不完全齿轮的方案。考虑到适应场地的需求，我们将原来的一个不完全齿轮改为两个，实现了不完全齿角度差的可调性。

图 3 转向机构

3.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

对于相同的材料 为一定值。

而滚动摩擦阻力：

MN

fMR3

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。

双轮差速和单轮驱动在“S”字直线绕障和“8”字绕障中都是可行的，但是相比之下，双轮差速适合于“S“字直线绕障，而单轮驱动更加适合于8字绕障。因此我们选用双轮差速。

综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，采用单轮驱动。如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案。

4.微调机构

微调部分所要实现的功能分为两个部分：一是实现前轮最大转角αm的变化，二是实现转动周期的变化。根据所要实现的功能不同，微调机构也位于两个部分。

(1)摇杆微调机构

通过改变摇杆的长度，使被约束杆的摆动幅度增大，进而使前轮的最大转角αm发生改变。为了使αm的改变具有连续性，使小车可以适应更复杂的环境，此处采用微调滑块（配有螺母紧固滑块）式机构。其调节具有连续性，且调节精 度较高。

图 4 摇杆微调机构

(2)不完全齿轮微调机构 上文也指出，本方案采用了两个完全相同的不完全齿轮作为主动轮，两不完全齿轮之间有夹角β，此夹角的变化会造成两不完全齿轮对从动轮的作用时间间隔发生改变，即：从动轮做时停时转的间歇运动，而停、转的时间长度发生改。

通过这一点可以调节行走路线中，长度路径和转弯路径的长度。通过两个微

图 5 不完全齿轮机构

调机构的合理配合，基本可以实际行走任意路径。4.2.2无碳小车设计的理论指导

1.运动原理

如上图所示，重物下降时带动绳轮的转动，绳轮的转动带动轮的转动，通过线传动驱动转盘的转动，再通过连杆将转盘周期性的转动转化为前轮的摆动。由后轮的直线运动与前轮的摆动运动结合一起，从而实现了近似正弦曲线的运动轨迹，完成任务。

2.尺寸分析

通过调节微调装置，即：两不完全齿轮角度配合，及微调滑块的位置，可以完成走“S”字直线绕障路线，如下图：

图 6 “S"字直线绕障路线

由于采用了直线与曲线配合的行走路线，可尽量减少周期路程。（1）

v后轮后轮r后轮Bgreenvgreengreenrgreenwithandvgreenvpurplevpurplepurplerpurplepurplebluevrblueblueblue

vBBrBBgreenvgreengreenrgreenwithandvgreenvblue

vbluebluerblueblueyellowvyellowyellowryellow假设r已知，8个未知数7个方程，即只有一个自由变量：

v后轮Kr后轮rpurplergreenrbluer后轮rpurplevbluergreenrblue

记于是：，则

v后轮Kvblue，虽然不一定匀速，但可以对t积分，S后轮Ksblue

K的物理意义在于，r后轮与rpurple的地位是等同的，其大小只会影响最后的精度，而不会影响比例（虽然看上去调整后轮的半径似乎更能影响轨迹，实质上并非如此，但是的确会影响转的圈数，详见下）（2）设0,，轨迹半径为R，则直线段长：弧长为

tanR:Rtan:30.8260.453:0.5473时，比例为12/3当  6 设蓝色上有两组锯齿，每走半个“S”字，蓝色齿轮转了1圈。

另设走直线时记为P1，走弧线时记为P2，半个字中，直线段总长S1，弧线总

s1S1S2s,ss1S112是关于蓝22长，即有,由(1)的公式，可得，其中色齿轮的弧长。转1圈，可知

s1s22rblues1r2blues22(1)sblue，故rblue

可确定其比例，即位置角，同时也可得出

rblue的值无本质影响（在K不变的后轮K2r后轮K2rbluerblue）情况下）。又（其中，若增加blue的值，同时成比例增加r后轮的值，使K不变，则

K2不变，所以外轮还是转这么多圈，相当于成比例放大了。（半个周期里外轮转多少圈在这里无关紧要，在其它分析里可能有用，反正也可以表出。）

由前轮传导等等可以得出蓝色齿轮周长尺寸路程，sblue，而对应的走半个S字的S后轮由需要走的实际路程确定（后轮，B=Back），而

sblue与S后轮之间满足q前述约束关系，这个K就可以调整了。（3）关于前轮倾斜角与轨迹半径

若设前轮所处点与某一后轮所处点的距离为L，则轨迹半RL2sin2，可以实验测得。经过分析与测定，在实物测定之前，我们暂

前后轮轴距L：

150mm

后轮轴长D：

100mm 后轮半径R：

80mm 最大齿轮半径rred：

45mm 不完全齿轮半径rgray： 40mm 定数据如下：

最小齿轮半径ryellow：

8mm 其次小齿轮半径rorange：10mm 其中各齿轮的模数为2，压力角为20°。根据以上分析计算确定小车主要结构的尺寸，如各个齿轮的分度圆半径前后轮轴距，再根据主要结构框架完成各个零件的设计，具体设计见CAD装配图和零件图。

5.设计总结

经过无碳小车整体方案的设计、零件加工、无碳小车的装配以及后期的调试到完成参加比赛。在整个竞赛参与过程中通过亲手制作和对设计方案的思考让我们团队成员学习到了很多，总结无碳小车设计方案和参赛感想如下：

1.无碳小车采用双轮差速，机构简单，转弯更为容易实现。

2.使用T型绳轮，使能量转化过程中有更合适的转矩使驱动力适中。3.采用多处微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物。

4.使用不完全齿轮实现路径改变，相同的重力势能使小车的行程更远。5.采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。6.方案设计过程还存在许多不足之处，例如小车制造加工精度要求相对较高，使加工零件成本高，且实际的现场加工条件很难达到实际需要的加工要求；微调各机构都很费时，且调节到适当配合需要一定技巧性等。

第二篇：无碳小车说明书

无碳小车说明书

（本小组选择的竞赛项目是竞赛项目二）

一、小车整体说明

小车整体结构上面，我们根据小车功能要求和机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分），把小车分为驱动部分、转向部分两个模块进行分析和设计。

在此基础上，小车采用三轮机构，后轮驱动，前轮转向，重物下落的过程中通过齿轮传动机构，将重物的重力势能转化为小车运动的动能，在后轮驱动下，再通过转向机构中的凸轮传动，将后轮的行走转化为前轮的转向，以便达到预期的要求。

考虑到竞赛项目二要求的桩距是（400±100）mm，小车车身在允许范围内应尽可能小，并且行走的轨迹也要尽可能的短，这样才能够避免小车车身碰到障碍物或者小车驶出乒乓球桌。

二、驱动部分

原理分析：根据小车功能要求，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。该自行小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。以小车绕行的圈数、以及碰倒或避开障碍的多少来综合评定成绩。在设计要求中，驱动部分是将物块重力势能转化为小车的动能，并在有限的动能下，使小车能够移动尽可能多的距离，让成绩达到尽可能好。

机构分析：为达到既定要求，首先，在驱动机构上，我们通过一个绳轮驱动机构将重物的重力势能转化为小车后轮的驱动动能，具体就是将绳子绕过高40cm的定滑轮，一端连在重物上，另一端固定的绕在驱动轴上，通过重物下落带动驱动轴转动，进而实现后轮的驱动。然后，为了使小车运动的距离达到尽可能长，我们使用了一个齿轮传动机构，通过齿轮的运转和传递，使得在绳长确定即能量一定的情况下，小车后轮转动的圈数越多，进而尽可能的增加绕行的圈数，但在这个过正中，不能因为摩擦力的情况而发生自锁现象，在这些情况下，我们抉择出最佳的传动比和传力绳。驱动结构简图如下

三、传动转向部分

要实现尽可能多的使小车重复完成绕八字运动，传动及转向结构是关键，此处我们来分析一下转向机构。

基本原理：

1、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。要使小车绕的圈数更多及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需达到传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等要求。在这些要求上我们想过以下几种方法来解决：

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、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。

凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，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。优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）

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。缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，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，不仅发生自锁的可能性增加，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。在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，利用 MATLAB 进行参数化设计并不困难，加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。曲柄摇杆 结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低。其急回特性导致难以设计出较好的机构。差速转弯 差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。（由于加工和装配的误差是不可避免的）综合上面分析我们选择曲柄连杆摇杆作为小车转向机构的方案。

机构分析：首先，要实现绕八字运动，可以采用圆柱凸轮+摇杆。设计适当的沟槽，圆柱凸轮做定轴转动时，通过高副接触可以使从动件获得连续不断的任意往复运动，通过分析走八字时转向轮的运动规律可以获得摇杆的运动规律，以此规律为依据可以分析出圆柱凸轮沟槽的轨迹。其次，要使八字尽可能多，这就要求我们必须减少能量损失，提高能量利用率。考虑到齿轮具有效率高，工作可靠，传动比稳定的特点，我们采用齿轮传动，通过一对啮合的直齿轮机构将驱动住的转动传递给圆柱凸轮。另外为尽量减小摩擦带来的能量损失，可通过使用润滑油润滑的方式来减小摩擦。小车传动及转向结构简图如下

四、理论分析

（1）小车轨迹形状及长度

我们是根据伯努利双扭线来设计小车的8字轨迹，它的直角方程是（x²+y²）²=a²（x²-y²），轨迹的周长C=5.244a，双纽线

考虑到小车运动的实际情况，上图中m,n两点代表两木桩，在autoCAD中画出mn=300mm,400mm,500mm的图像，求出周长。然后用EXCEL的函数功能求出不同桩距的相关数据

autoCAD绘制的双纽线

Excel表格。

（2）圆柱凸轮沟槽的确定

1/21/2通过伯努利双扭线，解出y=（-x2+（8a2x2+a4）/2-a2/2），yy，=-x+4ax/(8x2+a2)1/2，求出y，这样可以求出轮子的转角为α，因为转动杆的长度和前轮与转动副的距离一定，分别可设b，a，c，利用三角函数求得杆的转角为β=arcsin（csinα/b）(β取钝角)，这样沟槽的函数h=a*sin（α+β），利用h的变化设计沟槽，使轮子按照预定的轨迹转动。

（3）小车后轮直径齿轮传动比

设小车运动轨迹长度为S，驱动轴齿轮对与凸轮同轴齿轮的传动比为i，后轮直径为D。根据设计要求，小车完成一次八字，圆柱凸轮旋转一周，后轮旋转i 周，即

i×πD=S

D=S/πi

第三篇：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

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

第五篇：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。