s型无碳小车的研究

第一篇：s型无碳小车的研究

s型无碳小车的研究

摘 要：“无碳小车”是根据能量转换原理，将给定的重力势能转换为机械能驱动小车行走并能够在前行时自动避开赛道上设置的障碍物的装置。该小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮周期性转向从而自动避开障碍物。

关键词：无碳小车；参数化设计；三维软件设计；ProE软件设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.184

0 引言

?S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。无碳小车的设计思路

1.1 能量转化方面

所给定的能量是以物块下降将重力势能转化为机械能的方式来得到，我们采用的是直接转化，通过重物下落来带动齿轮轴上的绕线轮的转动通过齿轮传动驱动后轴转动，以此来达到重力势能转为机械能驱动小车行走、转向。考虑到小车路线的准确性，要求重物下落应较缓慢，而且小车是由静止出发，且开始的启动力矩较大，绕线轮采用塔型，来调节扭矩，以确保小车平稳启动，并且缓慢匀速运动。

1.2 驱动方面

由上面的能量转化部分得到了小车后轴的驱动源，再通过齿轮传递动力来改变传动比，调节驱动轮行程距离和转向角度和时间，使两者协调，达到完成要求的路径。根据各种数据以及要求，为了使重物落下相同距离时，小车在水平面上的前进的路程能够尽量的长，同时考虑传动效率的其他因素，我们确定两齿轮的传动比为四，小齿轮装在后轮轴上，大齿轮装在齿轮轴上。

1.3 转向方面

由上面得到的齿轮轴的转动，连接前轮的转向轴上的横销，两者之间的连接用连个关节轴承，在整个车的行进过程中将实现后轮转2 圈前轮支架轴的来回扭转实现一个周期的运动从而使小车能够符合运动轨迹要求。无碳小车模型设计

2.1 小车总体设计步骤

2.2 小车爆炸图

2.3 小车装配图结语

无碳小车的功能运用proe进行了仿真分析，结果可以达到要求，尽管现在小车的功能拓展还有待研究，但是提供给我们一个今后节能减排的方向，经过实际测试，1kg重物从40cm出下落，小车可以走接近20m，符合预期的结果。但是在这个过程中依然存在问题，proe软件的使用不太方便，仿真分析的结果不够精确，总体来说，这个项目可以在保证娱乐性的同时，让读者们学到很多知识。小车依然有进步的空间，我们有理由相信小车可以有很大的进步。

参考文献：

[1]李靖华.模块化的多学科方法论思考[J].科研管理，2007.[2]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.[3]王伯平.互换性与测量技术基础[N].3版：机械工业出版社，2008.[4]胡越铭，高德文，张瑞，张 欣，高 轩.北方工业大学学报[J].2014.

第二篇：S型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

目录

一 绪论 1.1本届竞赛命题主题 1.2小车功能设计要求 1.3小车整体设计要求 二 方案设计

2.1 路径的选择

2.2 差速问题解决

2.3 重物与后轮的连接问题 2.4 转向装置 三 参数的设计

3.1 路径参数的确定

3.2 其他参数 四 小车的工程图 4.1小车各装配图 4.2小车CAD工程图 五 功能分析

六 选材与加工分析

一 绪论

1.1本届竞赛命题主题

本届竞赛命题主题为“无碳小车”。要求经过一定的前期准备后，在集中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项成绩考核作业。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。

1.2小车功能设计要求

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），比赛时统一用质量为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

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

1.3小车整体设计要求

无碳小车体现了大学生的创新能力，制作加工能力，解决问题的能力。并在设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小车具有下列要求：

1.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。

2.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。

3.要求小车为三轮结构

4.小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒（擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过）；重复上述动作，直至小车停止。

二 方案设计

小车走S形方案

通过对小车的功能分析，小车需要完成自动避开障碍物，驱动自身行走，重力势能的转换功能。所以我们将小车的设计分为以下部分，路径的选择，自动转向装置，能量转换装置和车架部分。

2.1路径的选择

因为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。为了在通过障碍物时，行进的距离更短，设计了如图3的路径。即以摆线的方法通过障碍物，然后以相切的直线到达下一障碍物，我们的路径是圆弧和直线的结合。

图3：无碳小车路径（此轨迹为后轮的轨迹）后面的计算均以后轮为准

2.2 差速问题

考虑到后轮转向时，两轮有速度差，并且一般的差速器比较复杂，损耗较高，故我们采

取单轮差速驱动，只要能保证后轮的一轮驱动，并且同时控制转向，那么另一个后轮也会自动跟着行驶，因此解决了差速问题

2.3 重物与后轮的连接问题

重物与通过轴与后轮相连，开始驱动时，滚动摩擦力一定较大，故所需的力矩也需要适当的增加，当车子能平稳运行时，力矩又应该适当减少，未解决这个问题，我们采取了锥形导绳轮装置，通过锥形导绳轮与绳子相连。既起到了平稳运行的效果，又能有储能飞轮的功能

2.4 转向装置：几何封闭型凸轮+滑块机构

考虑到凸轮能够获得前轮所需的任意转角，从而完全确定小车的轨迹因而我 们采用封闭形凸轮加滑块机构转向

三 计算及参数的确定 3.1路径参数的确定

在上面的讨论中，我们的路径是摆线和直线的组合，为了能让小车更顺利的转弯，转弯角度不能太小，为了能让小车行进的更远，必须使小车转向的半径不能太大。所以，确定了曲线的半径为R300mm，小车前后轮距离d=180mm

因为当为圆弧时，前轮与车身的转角为一个定值，通过简化成单车模型计算，我们得出其实在小车运动的一个周期内前轮与车身的转角总共只有四个值一个为+34.5度 0度-34.5度 0度。在一个周期内

当为切线1时：转角0度，行程0.8m，凸轮转角124度 当为圆弧A时：转角34.5度，行程0.3611m，凸轮转角56度 当为切线2时：转角0度，行程0.8m，凸轮转角124度

当为圆弧B时：转角—34.5度，行程0.3611m，凸轮转角56度

基于上述数据我们得到如图的凸轮

经过修正后的凸轮

3.2其他参数

考虑到后轮传递到凸轮需要齿轮来连接，所以我们在后轮轴与凸轮间加一对齿轮，设定大轮半径R=1.8m，得到大轮周长为1.1304m，一个运动周期的长度为2.4268 因此得出齿轮的传动比约等于2，另外为保证误差较小，我们设定两轮宽为0.16m 其余数据在小车的CAD装配图中可看出

四 设计图纸 4.1小车总装配图

（小车总体效果图，重物支撑柱设在三轮所构成的三角形的重心处，有利于保持小车平稳）

（车架部分降低有利于缓解因为大轮过高引起的车子重心升高）

（小车后部锥形导绳轮及齿轮传动部分，第二个齿轮与凸轮盘同轴）

上图

（几何封闭形凸轮，传递到转向盘）

下图（固定板与车架相连，起到固定凸轮连杆，使之只能在一方向上运动）

（滑槽机构，控制前轮转向）

4.2小车CAD工程图

五 功能分析

5.1小车优缺点 优点与创新点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，再加一个几何封闭凸轮。

（2）凸轮连杆处采用微调机构，可调节连杆的长度便于纠正轨迹。

（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。

（4）凸轮轮廓设计简单，轮廓只是几个简单的不同半径的圆叠加，只要适当修正即可

（5）锥形导绳轮装置，通过锥形导绳轮与绳子相连。既起到了平稳运行的效果，又能有储能飞轮的功能

缺点： 小车精度要求高

六 选材与加工分析

选材：轴 车轮 车架 齿轮 凸轮 连杆 采用铝板毛坯制造 连杆采用铝柱毛坯

其余零件采用标准件即可

加工：1 齿轮机构 齿轮机构是小车中要完成传递的主要零部件，本小车中齿轮机构用在了两个部分，由于加工设备的有限本小车中所有的齿轮都是用线切割完成的

2.凸轮机构是本小车中要完成转向系统的主要零部件 由于该零件要求精度高外形比较复杂 因此采用数控洗方法实现，首先通过UG制图软件凿出凸轮的三维立体结构 再通过加工软件masterCAM进行编程加工

第三篇：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

第四篇：总结(无碳小车)

四川省第三届无碳小车参赛总结

经过无碳小车的设计与制作，让我学到了很多很多，可谓是受益匪浅。从竞赛开始到小车制作完成，再到小车顺利运行，期间经历了汗水、忙碌与挑战，我们不仅赢得了成功，而且我们收获了失败后走向成功的经验。在小车的比赛中，更让我们这些处在“大山”中的目光与眼界得以开阔，得以丰富。让我们看到自身的不足，让我们明白人外有人，天外有天，更让我们学到我们所学不到的东西。

在这学期开学后的第三个星期，老师就为我们公布了无碳小车的设计制作大赛的要求，同时要求我们进行自由组合，自行设计。我们的三人组合选择了相对简单的S型小车，我们的设计理念为“简单、高效、灵活”。我们一开始借助了pore三维建模软件和机械设计、机械制图对小车进行了最初设计，根据计算和设定了数据，然后再pore进行分析，最后我们将图纸与方案整理了出来。在于指导老师的交流中，我们才明白，我们的很多设计仅限于理论上，在实际的加工中是不能进行的，是加工不了的。在工艺和结构上，要有可行性，对于不能加工的方案就是不合格的方案，无论怎么优秀也只是徒劳。

加工时一个漫长的过程，而就是这个漫长的过程，却是我们不断成长，不断进步，不断走向成熟的收获之路。在制作一开始，我们就要使用车床，钳工，虽然之前我们也有过金工实习的课程，但是，却并没有这次的详细，同时对工件的精度要求也没有这次的高。在车床的使用中，我们不仅对车床有了新的了解，更对车床的使用更加的熟练，对刀、进刀、走刀、退刀以及刀具、工件的装夹等等都让我们得到进一步巩固。在钳工车间里，虽然都是纯手工工艺，很是辛苦，但正因如此，我们是专业知识成长到了另一个高度，同时即锻炼了我们的团队合作能力，也锻炼了我们的动手操作能力。通过车间的加工，以及老师的指导，让我们明白，从一定程度上，加工精度，直接影响到小车的性能好坏，同时也让我明白了动手加工能力对我们专业的重要性。

经过近两个月的加工，我们的小车也顺利完工了，感觉工作已经完成，而实际上，更大的困难才刚刚开始。我们接下来的工作就进入小车的调试阶段。最开始，我们加上重物后，小车却一脸泰然的原地站立，这无疑给了我们巨大的打击，之后我们开始寻找各个方面的原因，最终在齿轮啮合上找到了原因，而我们为了小车的方便考虑，将小车的齿轮中心距改成可调式，轻松的解决了它。虽然调试过程中的问题看似简单，但是却是我们最致命的，如果它不能按照预定方案行走，那我们之前的一切努力都将付诸东流。这也让我明白了，无论做什么事情，我们从头到尾都要保持严谨的心态对待，因为最细微的疏忽有可能成为我们走向成功的致命一击。

通过这一段时间的努力，我们顺利的通过了学校的比赛，26号参加了四川省第三届无碳小车比赛，在报道的第一天，我们就看到了各个对的不同样式，不同机构，不同原理的作品。第二天开始了正式的比赛，我们的比赛分为几个项目，三为建模与三D打印、车床使用、小车的拆装调试与小车走桩三个项目，由于我们每组只有两个人参加比赛，而参赛的项目安排却让时间相冲。我们原计划是一个人做小车的拆装调试，一个人做三D打印和车床，而突如其来的比赛时间安排却让我们措手不及，为了能够顺利完成比赛，我们采用了临时更改计划的方案。由培训过三D打印的同伴临时培训我们没有学过的人，在网上搜索打印软件的界面进行培训。虽然是第一次接触这个东西，我们进入场地后都感觉压力很大，因为在进打印室之前，听到过很多参赛队都说，他们在学校都有练习，而我们却是第一次接触，而且还是临阵磨枪。进入打印室后，我感觉手都有些发抖，但看到了界面后，心里好似有点安慰。顺着头天晚上的临时培训，一步步的进行着，顺利的完成了打印项目。因此我深有感悟，不管有多么难的事情，只要我们用心，认真对待，只要我们肯学，敢于面对困难，就没有解决不了的事，重点在于你敢不敢去同它正面对战。

我的第二个项目是小车的拆装调试，在这个时候，我的队友也完成了它的项目，同我一起进行最后一个项目，在拆装室里，我们看到了很多的小车，有采用锥齿机构的，有凸轮机构的，也有四杆机构的，各式各样，但在我看到的小车中，却没有一个采用差齿结构，而且他们的车子无论哪一辆都有着很多的结构，和我们的车比起来他们的结构可以用复杂来形容。但是，也有很大的一个特点，他们的车可以看出来，都是采用了线切割、铣床等加工出来的，比如说轴吧，我们的轴是采用C6140加工的，导致了轴出现很大的误差，而其他学校的轴采用了铣床加工，可以达到一个很高的精度，在支架安装上，我们采用的是尺块划线，打孔，固定，安装，而采用铣床却可以一次性加工成型，保证了孔的同轴度，为小车运行减小了误差。同时这样加工也让小车外观变得华丽。

还有最值得学习的一点就是，我们采用的传动比的差别。我们学校所选用的传动比均为1:6，而其他学校的传动比却基本维持在3~4之间，有的甚至更小1:1.5，我们巨大的传动比，为我们稳定速度造成了很多的麻烦，首先就是启动时需要极大的转矩，当运行起来时，速度不能有效的控制。而且我们的齿轮模数都很小，为0.75，而其他学校的模数基本在1以上，因为大的模数可以减小齿轮啮合时造成的误差。我想这些都是我们所应该学习和借鉴的东西。

经过这一段时间辛苦劳作，比赛终于结束了，虽然在S型的比赛中我们只得了第二名，但是在这个过程中，却让我们受益匪浅，感受颇多，学到了很多的知识与技能，为我的大学生活增添了别具特色的音符，让我们的专业水平的到很大程度的提高。同时也增强了我们的自信心。最后，特别感谢指导老师以及金工实习的老师们对我们的指导与帮助，没有他们的指导与帮助，就没有我们今天的成就，真心的感谢他们，同时也要感谢学校给我们的这次学习的机会，我想它会让我们在今后的学习生活中，激励着我们不断前行。

无 碳 小 车 参 赛 总 结

姓名：曹 定 刚 学号：201211302038 班级：2012级机制2班车号：S211

第五篇：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。