机械设计大赛 无碳小车 设计说明书

第一篇：机械设计大赛 无碳小车 设计说明书

目录

前言

第1章、绪论…………………………………………………………...4

1.1 参赛主题………………………………………………...4

1.2 功能分析………………………………………………...4

1.3 设计方法………………………………………………...4

第2章、轨迹和行走机构选型与计算………………………………6

2.1

轨迹和行走机构选型………………………………….6

2.2

轨迹参数计算………………………………………….7

第3章、控制机构选型与计算………………………….………….10

3.1

控制机构选型………………………………………...10

3.2

放大机构的设计…………………...…………………12

3.3

凸轮的设计………………………………………...…13

第4章、传动机构选型与计算……………………………………16

4.1

传动机构选型………………..……………………….16

4.2

齿轮系的设计…………………….…………………..16

4.2

尺寸参数校核………………………..……………….17 第5章、动力机构选型与计算………………………………………19

5.1

绕绳轮安装位臵分析……………………………..….19

5.2

力分析…………………………………………..…….20

5.3

前轮转向阻力矩的计算………………………...……23

5.4

弹簧劲度系数的计算……………………………….23

5.5

尺寸参数的获取…………………………...………23

5.6

质量属性参数的确定………………..…………….26

5.7

参数的计算…………………………………….…..27

5.8

绕绳轮最大半径的确定……………….…………..29

第6章、微调机构简介………………………………….……….….30

第7章、误差分析及效率计算………………………….…………..31

7.1 误差分析

………………………………...……….31

7.1.1 设计误差……………………………..……………31

7.1.2 参数误差…………………………………………31

7.1.3 加工与装配误差……………………...………….31

7.2 传动效率的计算…………………………….…………32

7.2.1 动力机构效率的计算……………...…………….32

7.2.2 传动机构效率的计算…………………………..33

7.2.3 控制机构效率的计算……………………….….34 第8章、仿真分析………………….………………………..………35

第9章、综合评价及改进方案……………………..………………37

9.1 综合评价………………………….…..…………..37

9.2 改进方案………………………………...………..39

第10章、参考文献…………………………………………..…….40

第11章、附录……………………………………………..…………..40

11.1 机构运动简图及装配图………………...…………………40

11.2 小车三维装配图及爆炸图……………………….………..42

第1章、绪论

1.1 参赛主题

第三届全国大学生工程训练大赛的竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。这次竞赛包含两个竞赛项目。第一个项目与往届竞赛相同，为小车走“S”形线路绕杆。竞赛项目二为小车走“8”字形线路绕杆。通过商量，我们选择的竞赛项目为项目二。

1.2 功能分析

根据本次竞赛规定，竞赛项目二是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。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距一定距离放臵在半张标准乒乓球台的中线上。

小车是在重物下落所带来的重力势能的作用下实现运动和转向。因此，小车需具备能量转换装臵、转向控制装臵、驱动机构等。

1.3 设计方法

在小车的设计过程中，应该充分综合考虑到材料、加工制造、生产成本等个方面因素，以保证小车的设计更加符合实际，削减理论 与实际之间的差距。

小车实现绕“8”字功能，应有相应的轨迹，因此，在进行小车的机构设计时可采用从小车的理论轨迹入手，逆向进行机构设计的方法。在进行机构设计时，应采用发散思维，注意机构的选型与组合，应充分考虑到各机构间的相互关系以及整体效应，注意及时对机构进行调整。

小车的设计方法是保证小车技术含量的关键，在设计方法上，我们在关键部分采用参数化组合设计，以保证设计精度和方案的可行性。再设计流程上，我们循序渐进步步为营，同时兼顾全局。下面是我们的设计流程图。

图1-1 第2章、轨迹和行走机构选型及其

计算

2.1 轨迹和行走机构的选型

为了获得最优的理论轨迹，我们采用列举法，进行逐一筛选。经过商议，列举了以下几种轨迹：

1、双纽线

2、互补正弦曲线

3、相切圆

4、形“8”字折线

5、其他形似“8”的曲线等 双纽线：

其直角坐标以及极坐标方程为：(x2 + y2)2 = 2a2(x2 − y2)，ρ^2=a^2*cos2θ，由此可知极坐标下曲线上任何一点的曲率半径为R2a3cos2。

通过分析，双纽线是所有曲线中经过相同距离的俩个桩的路程是最短的，同时双纽线曲率又大变小再变大在变小，再回到出发点，运动过程没有曲率突变，所有路程都光滑过渡。但是，由于双纽线本身的复杂性，导致控制机构的设计的难度相当大，通过绘图计算，发现四杆机构不能同时满足转向及时间上的控制，而用凸轮机构则导致 凸轮的轮廓曲线太过复杂。互补正弦曲线，相切圆，折线

正弦曲线可以用四杆机构实现，但是由于在端点处存在去两次曲率突变。相切圆、“8”字折线可以很简答的实现，但是也存在曲率突变的问题，这些问题都会严重影响小车的稳定性，因此不采用这些轨迹作为理论曲线。轨迹敲定：

为了保证小车能够稳定实现八字运动，我们最终确定小车的理论轨迹为俩段圆弧通过俩段公切线连接。这样既保证了小车运动过程的平稳性，又同时使得轨迹规律性强，易于控制。

针对这个想法，我们设定了俩种轨迹分别如图（2-1）、（2-2）所示。

图2-1

图2-2 考虑到小车的行走机构，我们拟定了三种小车行走机构的方案，如下：

方案

一、后轮单轮驱动，其他俩轮从动 方案

二、后轮定时驱动，前轮从动 方案

三、后轮同时驱动，前轮从动

针对方案一，左轮与主动轴通过键连接，后轮通过轴承与主动轴相连，即可实现转弯时的差速，简单有效。

针对方案二，采用齿轮系分别驱动左右后轮，其中用互补的的不完全齿轮定时驱动左轮右轮。针对方案三，通过在后轮主动轴上安装差速器来实现差速。通过分析，方案一不能实现轨迹图（2-1），方案二不能实现轨迹图（2-2），方案三则能实现俩种轨迹。由于方案二和方案三需要增加许多齿轮，大大的增加了成本和机构复杂度。况且，方案二的定时控制难度较大，而根据经验方案三可靠度不高，因此，考虑到经济效益以及可靠度，放弃了这两种方案。最终选定的轨迹如图（2-2）所示，实现的方式为方案一。

2.2 轨迹参数计算

理论轨迹的计算及参数确定：

假设：小车尺寸参数：小车宽为2c，轮距为b，前轮最大转角为

轨迹参数：中心距为2p,圆弧半径为R，直线斜率为k，设定不可行区域为直径为200mm的圆。

小车运动场地尺寸：长1525mm，宽1370mm。根据以上参数，建立直角坐标系，理论轨迹下，可列出以下方程：

2p+2R+2c1500 ……..………………………………..(2-1)

2(R+2c)1350…………………………………………..(2-2)

R100+c ………………………………………….……..(2-3)

又小车转弯时左轮曲率半径满足关系：=

bc…………(2-4)tan

转弯时，小车曲率半径满足R

根据以上式子，线性规划取合理的值，所得结果如下：

=250mm，2p=600mm，R=250，=38.66

2c=150mm，b=200mm.根据以上参数，可作出小车左右轮的轨迹图（2-1）如图所示： 10

图2-1

由于左轮驱动，右轮从动，故需计算左轮有关参数，如图粉色曲线所示。测量计算得：主动轮一个周期走过的路程为 S=3219.23mm，其中直线路程为：S1=331.66*2=663.32mm，弧线路程为：S21278.00*2=2556 第3章、控制机构选型及计算

3.1

控制机构选型

根据小车运动的轨迹，可知小车前轮转向为间歇运动，因此可用不完全齿轮机构，槽轮机构，凸轮机构等做小车前轮转向的控制机构。

在假定小车速率恒定运动的情况下，设小车驱动轮的速率恒定为v，周期为T。忽略过渡阶段，设小车走直线的时间为t1，走弧线的时间为t2。根据小车一个周期内的轨迹可绘制出小车运动循环图

表3-1 小车运动循环分析 0~ t1 t1~ t1+ t2

t1+ t2~2 t1+ t2

2t1+t2~2(t1+ t2)小车启动，走直由直线过渡到轨迹由弧线过轨迹由直线再转线，前轮转角为曲线，并走直渡到直线，前轮回到弧线，前轮左0度。线，前轮右转度。

回转度。

转度。历时t2后回到起始点。

根据上表分析，由于t1t2,故排不采用槽轮机构。不完全齿轮以及凸轮机构均可实现.令：T=60s，后轮半径R1=70mm,前轮R2=20mm,左轮周长C=2R1 则：左轮一周期内所转过的圈数为：r1= 半个周期内，走直线所需圈数：r2=

S1 CSC 12 走曲线所需圈数：r=

3S2 C代入数据即可求得: r1=7.3194r r2=0.7541r r3=2.9262r 根据以上计算，可知，如果用不完全齿轮，在保证一定精度的情况下，导致齿轮过大，且须附加锁止机构，因此成本科及复杂度较高。而小车实现理论轨迹所需控制简单，只需在必要的时候驱动前轮转向即可，而不需考虑转向这个过程。如果用凸轮摇块机构，只需凸轮有四段圆弧即可，所以，凸轮轮廓曲线简单，加工难度大大降低，加工精度也可相应提高。

因此，可初步设计出凸轮摇块机构如图所示：

凸轮推程与推杆到摇块的距离满足关系：=dtan

由于=38.66，考虑到安装，d10mm,则：=8.00mm。

图3-1

3．2

放大机构的设计

由2.1可知，=8.00mm，推程过大，导致凸轮过渡区域过大，严重影响控制精度。为此，设计一个放大机构来保证控制精度。故须增加放大机构。

图3-2 为了后续设计的方便，我们对整个控制机构做了逐步分析计算以确定其大体尺寸参数。如图所示;

图3-3 14 设四杆长度依次为：a,b,c,d，各杆的方向向量为：a，b，c，d。根据几何关系有：

a+b=c+d……………………………………………………….(3-1)acos11bcos21dcos41ccos31…………………………..(3-2)

acos13bcos23dcos43ccos33…………………………..(3-3)1113=…………………………………………………………...(3-4)b2(ac)2d2……………………………………………………….(3-5)1DEtan31………………………………………………………..(3-6)2DEtan33………………………………………………………..(3-7)根据小车尺寸，考虑到安装问题，选定合适参数，令a=20mm,DE20mm,又=38.66，可求得控制机构各尺寸参数如下： b=30mm,c=84mm,1=3.76mm,2=4.08mm。

3.3 凸轮的设计：

凸轮推程为1=3.76mm，回程2=4.08mm，凸轮基圆半径为0，偏距e=0。T=60s,小车走直线所对应凸轮的转角为1=

S1180=36.88，走S2弧线所对应的凸轮的转角为2=1801=143.12。则推杆的运动规律如下表所示：

表3-2 凸轮运动循环分析

序号 1

凸轮运动转角 0~36.88

推杆运动规律 如图位臵2所示，前轮转角位0，推杆处于推程为2的位臵。

36.88~180

推杆由2上升到

1+2，之后保持远休 180~216.88 回程，通过圆弧过渡，回到2位臵，并保持休止 216.88~360 推杆继续回程，推程变为0后保持休止状态

根据推杆的运动规律，为了提高精确度，减少过渡时间，并且保证过渡平滑减少冲击，同时考虑到整体尺寸，设定凸轮基圆半径033.92mm,滚子半径为7mm,则大圆弧半径为138mm，小圆弧半径为230.20mm，可设计图轮轮廓曲线如下图（3-4）所示：

图3-4 根据以上设计，可绘制控制机构总体部署如图（3-5）所示：图3-5

第4章、传动机构及计算

4.1 传动机构的选型

重物下落产生的动力需要经过一定的传动机构调速后传动到凸轮以驱动前轮转向机构使前轮转向。凸轮做整周定速运转，这就要求传动机构末端构件能做整周圆周运动，而传动机构前端也是整周运转构件，所以，可以考虑使用带轮、齿轮、链轮为传动主机构。由于小车整体尺寸比较小，传动距离较短，所以带轮以及链轮机构不能表现其优势，而且这俩种机构传动效率低，精度不够高。再考虑到结构方面，齿轮机构是最好的选择。

4.2 齿轮系的设计

左轮转速：n1S7.3606rpm C凸轮转速：n21rpm 总传动比为：i127.3606

5059 2020因此，传动机构由两级直齿圆柱齿轮传动。

考虑到小车整体尺寸以及加工精度和难度问题，取齿轮的模数为m=1.5。标准齿轮ha1,c0.25,各齿轮参数如下表：

表4-1 齿轮参数

序号 M Z

Alpha(压d/毫da/毫df/毫db/毫b（齿力角)/度 米

米

米

米

宽）/毫米 2 3 4 1.5 1.5 1.5 1.5 20 50 20 59 20 20 20

30.00 33.00 26.25 28.19 20 75.00 78.00 71.25 70.48 10 30.00 33.00 26.25 28.19 20 88.50 91.50 84.75 83.16 10

4.3齿轮尺寸校核：

各齿轮模数等参数都一致，且Zmin=,17，如果齿数最大的齿轮满足齿厚条件，则其他各齿轮也将满足条件。m=1.5,z=59,alpha=20,ha1,c0.25 则，分度圆齿厚：s=齿顶圆半径 ra基圆半径rbdb 2m 2da 2b齿顶圆压力角：aarccos

rrainvatanaa

invtan

则齿顶厚度：sasra2rainvainv r 19 求得：a24.65，inv0.0149,inva0.0287 代入式：得sa1.173mm满足齿厚条件条件。

所以，所有齿轮都不会有齿廓变尖的情况。整理设计后的齿轮系传动机构如下图所示：

图4-1 第5章、动力机构选型及计算

动力机构是驱动小车运动以及驱动前轮转向的原动力机构，其输入能量为铁块下落所提供的重力势能，输出为驱动轴的转动动能。就机构的实现形式而言，用绕绳轮直接连接驱动轴作为动力输出机构最为简便，能量损耗最低。因此，动力机构的关键在于绕绳轮的设计。

小车的运动过程分为启动—稳定运转—停止三个阶段，在启动阶段，小车需要较大的驱动力矩来推动小车前进，稳定运转阶段要求小车的加速度很小，即驱动轮的转速基本稳定不变，停车阶段主要是能量消耗完毕，动能逐渐减少的零，是自动的过程。因此，需要初步计算出小车的启动驱动力矩以及稳定运驱动转力矩。

5.1 绕绳轮安装位臵的确定

理论上，绕绳轮安装在任何一根轴上都能实现小车的驱动和转向，但是，考虑到传动效率以及车体稳定性问题，把绕绳轮安装在驱动轮轴上最合适。

理由如下：如图（4-1）定轴齿轮系

设：后轮驱动阻力矩为：Mr1，前轮转向阻力矩为：Mr2

1、假设绕绳轮桩在齿轮2的轮轴上，重物下落通过绕绳轮产生的驱动力矩为Me，则传递到齿轮1所在轮轴上的力矩变为:MMeR1，因R2此齿轮副转动存在扭矩改变的问题，而Mr2 Mr1，若果绕绳轮不安 装在驱动轮轮轴上的话，会导致齿轮系传力负荷过大，一方面会降低传动效率，另一方面会加速齿轮磨损，而且对齿轮的各方面性能 要求更高。因此，把绕绳轮安装在驱动轮轮轴最合适。

5.2

控制过程力分析

根据小车的轨迹，前轮转向机构一个周期共分为四个阶段，只有在过渡阶段存在力的改变，转向力矩的计算;

前轮转向阻力矩为：Mr2。

摩擦系数：各构件材料均采用5A05铝合金，滑动摩擦系数为：f10.14，与木板的滚动摩阻系数：10.36/mm，摩擦圆半径为，各构件长为：li，转动副销钉半径为R，弹簧的劲度系数为k，推杆最大推程p,暂态推程为x。对转向控制机构做力分想，析：

阶段4：

图5-1 过渡阶段4，各构件的状态如图（5-1）所示，对构件分别做力分析 受力分析图（5-3）如下

图5-2-1 23

图5-2-2

图5-2-3

图5-2-4

图5-2-5 对构件1有：

FR21l1cos1Mr2………………………………（5-1)对构件2有：

FR12FR32………………………………………………..(5-2)对构建3有：

2FR23…………………………...(5-3)（l3cos）FR43l3对构件4有：

FR34cos2FnFf54sin3FN54…………………………..(5-4)对构件5有：

Me5FR45d………………………………………………(5-5)联立上述5式，求得：

1Mr2l3cos2cos2Fn2l3l1cos1d………………………(5-6)cos3fsin3

Me5忽略摩擦的情况下：

同样对各构件分别做力分析可求得：

1Mr2l3cos2cos2Fn2l3l1cos1d…………………………(5-7)cos3

Me5其中：

2fR………………………………………….………..….…(5-8)代入数值得：=0.66mm…………………….................................(5-9)

Fnkx……………………………………………………….(5-10)

5.3

前轮转向阻力矩的计算：

前轮在车体重力的作用下发生变形，由于力很小，前轮变形极小，故可假设前轮与地面接触面为一半径为R深为h的圆柱。则，前轮转动的阻力矩为：

积分得：

Mr2(0RFC2r2f)dr……………………(5-11)2R

Mr2

其中：R2FCR………………………………………(5-12)3FC…………………………………………(5-13)

5.4 弹簧劲度系数的计算：

为了保证第二过渡阶段弹簧能驱动前轮转向，其劲度系数与阻力矩满足以下关系：

Mr2kx2………………………………………………...…..(5-14)Mr2kxl321………………...………………………………………..(5-15)l312 5.5 参数的获取：

在过渡阶段，前轮的转角处于渐变阶段，为了获取合适的参数，我们采用作图法来获取特殊点参数，以求得最大的驱动力矩。由于实际加工与装配过程中会有较大的误差，因此，这些理论计算的出的数据只能作为一个参考，实际绕绳轮的大小可能还需经过一定的调整。如下图(5-4)所示：

通过作一系列的辅助线，量取相应的尺寸即可。凸轮转动中心到对应位臵滚子的转动中心的距离即连心线长为h0，到滚子与凸轮接触处切线的法线的距离为d，连心线与法线的夹角为3。

图5-3 测得阶段四与阶段二的参数如下表：

表5-1 阶段四数据

h d 13.01 10.06

3

 2 1 2

8.60 39.64

19.84 14.70

1.48 2.46

11.90 6.35

24.30 14.98

1.47 4.65

表5-2 阶段二数据

h d 13.41 9.93

3

 2 1 2

42.95 43.98

18.12 13.05

1.69 2.72

2.98 2.76

15.74 26.17

4.85 7.82 5.6

质量相关参数的确定：

通过三维造型，设计好零件并组装成装配图之后，定义了各个零件的质量属性，通过proe分析测量，获得了小车的质量，重心（如图（5-5）线圈内的坐标系）等数据，记录如下：

图5-4 体积 = 5.7502203e+05 毫米^3 曲面面积 = 3.0700972e+05 毫米^2平均密度 = 4.0046427e-09 公吨 / 毫米^3 质量 = 2.3027578e-03 公吨

根据 PRT_CSYS_DEF 坐标边框确定重心: X

Y

Z 4.9962801e+01 1.5108786e+02 7.8382376e+01 毫米

5.7 参数的确定

根据以上参数，可以计算出，在加上铁块后，各个轮子所受正压力：设，前轮为C，后轮左轮为A，右轮为B。如图（5-6）所示：

图5-5 参照坐标系在m处，测得小车重心坐标系在n处。对小车整体受力分析有：

FAFBFCG……………………………………………………..(5-16)GyGFCyc………………………………………………………..(5-17)GxGFBxB………………………………………………………(5-18)xB150,yC200,xG79,yG50,G22.57N

代入数值，求得：

FC5.64N

FB11.87N

FA5.06N

代入式

:Mr20.0003 Nm(R=0.089mm)……………………(5-19)38.66,第四过渡阶段14.08mm，第二过渡阶段23.74mm，k=24.32 N/m 左轮的滚动摩阻：Mr11(FAFBFC),代入数值：得Mr18.13Nmm 第四阶段：Me558.20Nmm

55.75Nmm 第二阶段：x4.08

Fn0.14N0

0.165N

Me5=72.06Nmm 68.56Nmm 因此，加在绕绳轮上的最大阻力矩为：MR80.19Nmm…………(5-20)5.8 绕绳轮最大半径的确定：

如图所示：绕绳轮的半径为R1 铁块重力为G=9.8N

平衡状态下绕绳轮的受力关系满足下式：

GR1MR

代入数据，解得：

R1=8.18mm

图5-6 至此，所车体有构件尺寸均已确定。

第6章

微调机构简介

由于存在加工误差和转配误差，并且，小车转向存在过渡阶段，因此，小车实际运动轨迹将会与理论轨迹有一定的偏差，为了是小车尽可地能实现尽量多的完整8字绕行，必要的微调机构是比不可少的。

小车转弯的曲率半径由车体尺寸以及前轮转角决定，但是，车子一旦加工完成，车体尺寸无法改动，因此，可以通过改变前轮转角来调整小车的形势轨迹。如图所示：

图6-1 控制前轮转向的摇杆通过螺钉固定连接，但是螺钉相对于摇杆的位臵式可调的，通过改变其相对位臵来改变摇杆的长度，从而调节前轮的转角。

第7章、误差分析及效率计算

7.1 误差分析

7.1.1 设计误差

在进行小车的设计时，添加了一些理想化设计，如在假定小车做匀速运动的情况下完成整个轨迹，据此选定和似的参数，设计出了前轮转向控制机构。实际中，小车不可能做完全的匀速运动，必定会有速度的波动，此外，由于小车在转弯时，不可能突变，过渡阶段很关键地影响着小车的运动轨迹，虽然，我们通过放大机构来提高精度，但是，任然存在一定的误差，因此，在控制机构的设计上存在误差。

7.1.2 参数误差

在第5章所进行的力分析时，采用了参数化设计，涉及到许多的参数，如铝合金与木板的滑动摩擦因素以及滚动摩阻系数等，在计算前轮的变形时，使用的尼龙许用应力也与现实存在一定的差距。因此，在绕绳轮的设计上存在一定的误差，但是这个误差可以通过更换绕绳轮来的待解决。

7.1.3 加工误差及装配误差

加工误差和装配误差的存在，必定会导致小车运动的偏差，然而

这个误差是可以调节的。在进行结构设计时，我们考虑到加工的问题，使设计出的零件尽可能地易于加工，减少成本，因而大大的减少了加工误差。然而，对装配的误差考虑较少，造成整体结构不够紧凑，装配误差比较大。因此，在后续的过程程中，应当对整体结构做相应的调整优化。

7.2 效率的计算

小车主体由动力机构、传动机构和转向控制机构串联而成。令各机构的机械效率为

1、2、3，则小车整体的机械效率为：

总123

7.2.1动力机构的机械效率

如图

所示，绕绳轮与后轮转轴直接固定连接，绳子与定滑轮以及绕绳轮只存在滚动摩擦（或者存在极少量的滑动摩擦，故可忽略不计），因此能量的损耗只在于滑轮与滑轮轴之间的摩擦损耗。滑轮和滑轮轴的材料都是采用5A05铝合金，其滑动摩擦因数为f=0.14，滑轮半径R1=22mm，滑轮与滑轮轴组成的转动副的摩擦圆曲率半径为0.66mm。

对滑轮受力分析如下图(7-1)所示：

图7-1 对转动中心由平衡条件可得：

TR1FrGR1………………………………………….(7-1)

FrGT……………………………………………………..(7-2)联立可求得：

T=GR1……………………………………………...(7-3)R1忽略摩擦的情况下，同理可求得：

TG……………………………………………….……(7-4)又，1T……………………………………………………….(7-5)T联立

代入数据，求得：195.9%..............................................(7-6)

7.2.2

传动机构效率的计算

查阅资料可知，8级精度的直齿圆柱齿轮在有席油润滑的情况下

的传动效率为97%。由于，传动机构为两级齿轮副传动，因此，可计算出传动机构的总机械效率为：

297%97%=94.1%............................................................(7-7)

7.2.3转向控制机构传动效率的计算

过渡阶段，前轮转向控制机构的传动效率可有式

计算可得。联立式 有：

3Me5………………………………………………………(7-8)Me5取最大传动力矩位臵的参数做计算，求得：

3=93.6%..................................................................................(7-9)综合式(7-6)、(7-7)、(7-9)可得：

总84.5%..................................................................................(7-10)

第8章、仿真分析

通过对小车进行机构连接，我们对小车做了运动仿真分析。输出了仿真动画，以及小车前轮的转速，角加速度和角位移图象，如下图所示：

图8-1

通过测量，发现前轮最大转角分别为：34.96度、38.46度。与理论设计的角度38.66存在一定的误差。在时间上，通过测量，过渡阶段主要分配在小车走弧线的阶段，过渡阶段的时间为3.5秒，走直线的时间为6.02秒，走弧线的时间为20.37秒。

小车前轮角速度和角加速度图象如图（8-2）所示，通过测量，小车前轮的最大加速度如图第一个波峰所示，为16.05度/秒。变速阶段与小车前轮角位移改变阶段相对应。

图8-2

小车前轮角加速度图象如左图（8-3）所示，显然，在个别位臵加速度较大，大体变化不大，因此，小车在转向时不会出现急转弯导致小车失衡的情形。

图8-3

第9章、综合评价及方案改进

通过对小车的设计以及运动仿真分析，我们对小车做了整体的综合评价，并提出了改进方案。

9.1 综合评价

9.1.1

不足处

1、小车主要由凸轮四杆机构，齿轮传动机构，以及绕绳轮动力机构组成，机构组成较复杂，零件装配定位难度大。

2、小车整体机构分布不够紧凑，零件分布不够均匀。

3、小车各机构采用串联方式连接，传动效率不够高。

9.1.2

优点

1、小车整体设计采用优化参数设计，控制精度高。

2、在进行机构或零件设计时充分考虑到加工与制造，因此零件相对简单，加工难度低，加工精度高，成本低。

3、小车运动过渡阶段平稳缓和，运行稳定性高。

9.2 方案改进

针对以上分析，我们提出了一下改进方案:

1、保证加工精度和一定加工成本的前提下，优化结构设计，使小车整体结构尽可能的紧凑。

2、在保证实现预定功能的前提下，优化机构设计，尽可能地提高整体机械效率，减少摩擦损耗。

3、优化机构布局，使小车重心尽可能地靠里，增强小车抵抗外界 干扰的能力。

第10章、参考文献

【1】濮良贵，纪名刚.机械设计.8版.北京 ： 高等教育出版社，2006.【2】孙恒，陈作模.，葛文杰.机械原理.7版.北京：高等教育出版社，2006.【3】黄靖远，高志，陈祝林.机械设计学.3版.北京：机械工业出版社，2006.【4】周增文，汤酚则，张亮峰.机械加工工艺基础.长沙:中南大学出版社.2003.【5】徐绍军，云忠.工程制图.2版.长沙：中南大学出版社.2010.41

第11章、附录

附录

1、机构运动简图及装配图

11.1.1 机构运动简图

图11-1

11.1.2 装配图

图11-2

1、摇杆1

2、连杆

3、摇杆2

4、推杆

5、推杆座

6、弹簧

7、凸轮

8、轴承座1

9、齿轮3

10、齿轮2

11、轴承座2

12、齿轮2

13、后轮轴

14、后轮

15、齿轮1

16、轴1

17、轴2

18、车板

11.2三维装配图及爆炸图

图11-3

图11-4 44

图11-5 45

第二篇：机械设计无碳小车课程设计说明书

目录

一、设计任务书

„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

二、总体结构设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„1

三、总传动比的设计与分配 „„„„„„„„„„„„„„2

四、转向轮轴运动参数的计算 „„„„„„„„„„„„„3

五、对轴进行结构设计与校核 „„„„„„„„„„„„„3

六、轴承的选择与寿命计算 „„„„„„„„„„„„„„3

七、润滑剂的选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„3

八、工艺设计方案 „„„„„„„„„„„„„„„„„„4

九、成本分析方案 „„„„„„„„„„„„„„„„„„5(1)生产成本概述 „„„„„„„„„„„„„„„„„5(2)单件小批量生产类型的成本分析 „„„„„„„„„5

十、工程管理方案 „„„„„„„„„„„„„„„„„„8(1)概述 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8(2)生产过程组织 „„„„„„„„„„„„„„„„„8

十一、徽标设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

十二、参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

十三、心得体会 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

十四、附件 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15

一、设计任务书

命题：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车 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）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。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。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400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。

二、总体结构设计

根据本届大赛命题要求，我们首先确定如下设计思路： 1．驱动机构

根据能量守恒定律，要尽可能多的利用重物的重力势能，就必须简化结构，因此该系统不设储能装置，直接由重物通过细绳拉动后轴驱动。

2．转向机构

控制转向是该小车的核心问题之一，普通凸轮只能控制转向轮规则摆动，在不需要转向的时候小车仍会转向，因此我们在此处将凸轮机构进行了进一步的优化，通过引入“太空豆”控制转向信号，使得前轮在我们需要的时候转向,并以此实现小车的预编程功能。

3．驱动过程

在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。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。在重块行程末端，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。

三、总传动比的设计与分配

后轮半径：r= 68.5mm;绕线轮半径：r1=3 mm;前轮半径：r2=15.1mm 后轮与绕线轮传动比：i=137:6 前轮与后轮传动比：i’=137:30.2

四、转向轮轴运动参数的计算 前轮最大摆角21.15°

五、对轴进行结构设计与校核 1．示意图

六、轴承的选择与寿命计算 1．轴承型号：角接触球轴承,内径Φ4 2．示意图：

3．计算轴承径向力

小车总重量M（小车自重800g、重物1kg、徽标400g、）;M=2.2kg;轴承数量n=3;轴承径向力Ｆ=7.19Ｎ;

七、润滑剂的选择

选用机油进行润滑（SH0386-1992）

八、工艺设计方案 1.确定生产纲领

根据大赛命题要求，转向轮部分实行单件小批量生产。2.对零件进行工艺分析

由于转向轮和轮轴均为圆柱件，故采用车削加工方式 轮轴：车削加工、钳工、车削加工。转向轮：车削加工、快速成型、钳工。3.选择毛坯

根据大赛对前轮的要求D>30mm，故选择外径Φ30.7的尼龙棒、根据设计要求前轮轴选Φ12的45钢毛坯。4.拟订工艺路线

轮轴：下料---车Φ4的轴---在Φ4的轴上攻丝---车削多余部分 转向轮：下料---钻Φ4孔---加工外径Φ30的转向轮---去除边上的毛刺

5.确定各工序加工余量

前轮的外轮廓要大于Φ30以满足题目要求。6.确定各工序所使用的设备、刀具和量具 车床、快速成型机、游标卡尺、各种车床刀具 7.确定各加工工序的技术要求及检验方法

1.车圆弧面要求比较光滑，目测。2．轮与轮轴使用过盈配合。

九、成本分析方案(1)生产成本概述

在制造企业中，产品的总成本通常包括生产成本、管理成本、财务成本和销售成本等。在本次竞赛中，由于只涉及零件的加工过程，为了简化分析，在进行成本分析方案设计时，只考虑零件的生产成本。

生产成本，又称制造成本，它包括围绕生产过程以及为此所提供的劳务所发生的各项直接费用、分摊的各项间接费用，其组成如下所示：

直接材料费：生产过程中直接消耗于产品生产的各种物资 直接人工费：生产过程中直接从事产品生产的人员工资 制造费用

：发生在生产单位的制造费用

产品的生产类型不同，其工艺差别很大，成本分析方法也不同。下面以单件小批量生产类型对小车转向轮及其轮轴进行说明。(2)单件小批量生产类型的成本分析

单件小批量生产的成本分析应根据该类型生产的工艺及管理特征来进行。单件小批量生产的组织形式一般采用通用机床，并按机群式布置；毛坯可考虑采用型材，在市场上直接购得。其零件的加工过程一般采用工序集中原则，工艺过程相对较短。成本分析从直接材料费、直接人工费和制造费用考虑。

1、直接材料费用F零件

根据零件材料的种类，可通过市场询价确定材料的市场价格，再计算零件毛坯体积，利用式（3-1）计算零件的直接材料费用F零件。

F零件=p*m=p*(V*§)元（3-1）

其中，p为材料单价、m为零件毛坯重量、V为毛坯体积，§为材料比重。

所以，F轮轴=0.0042元/克*89.3克=0.37506元 所以，F轮

=0.025元/克*74克=1.85元

2、直接人工费S 对于单件小批量生产，直接操作机床的人工工资可按计件工资发放，可以根据不同设备操作工人的市场价格，利用式（3-2），得到单件小批量生产的直接人工费。

n S=∑Pi*Si（3-2）

I=1

其中，Pi为第i种设备的操作工人数；Si为第i种设备的操作工人工资。

所以，S轮轴= P车*S车+ P钳*S钳

=20元/小时*0.5小时+20元/小时*0.1小时 =12元

S轮

= P快速成型*S快速成型+ P钳*S钳

=20元/小时*0.5小时+20元/小时*0.2小时 =14元

3、制造费用M

制造费用是设备与厂房折旧费用、间接管理人员工资、能源、水等消耗所产生的费用，以及其它间接费用以分摊形式计入产品中。在单件小批量生产条件下，上述成本项目无法按成本发生法计算，通常简化为机床的小时费率来计算制造费用。因此，可根据零件工艺过程各工序的时间定额和所用机床的小时费率来计算。零件的制造费用M可用式（3-3）计算。

M=T1*Q1+T2*Q2+„+Tn*Qn

（3-3）

其中，T1、T2„Tn为设备1，设备2.，„，设备n的加工时间，Q1，Q2，„Qn为设备1，设备2，„设备n的机床小时费率。所以，M车=T车*Q车=0.5小时*10元/小时=5元

M快速成型=T快速成型*Q快速成型=0.5小时*20元/小时=10元

4、生产成本C 单件小批量生产成本即为以上三者相加，即： C=F+S+M

所以，C= F轮轴+ F轮+S轮轴+S轮+M车+M快速成型

=0.37506元+1.85元+12元+14元+5元+10元

元

=43.2

3十、工程管理方案 1.概述

为实现安全、文明生产，包装按期供货，降低总成本，提高经济效益，需进行工程管理的设计。工程管理设计放啊的主要内容包括：生产过程组织形式、人力资源配置、进度计划与控制、质量管理、现场管理、成本管理等几个方面。成本费用以在前一部分计算，在此不再累述。2.生产过程组织

生产过程空间组织设计：该设计主要是按专业化分工原则把工作组织起来，使产品生产过程能有效运行。专业化分工包括三种形式：工艺专业化，产品对象专业化，成组生产。空间组织设计的重点是设施布置，与专业化分工湘对应，由于我们的作品属于单件小批量生产，因此我们将按工艺原则来布置生产，当需要用到某种机床，即选择相应机床进行加工。

生产过程时间组织设计：该设计方式可采用顺序移动方式、平行移动方式、平行顺序移动方式，移动方式的选取主要由生产空间组织形式来决定。由于我们的作品生产周期短，不连续加工，所以我们将选用平行移动方式。3.人力资源配置

当接到通知后，我们马上查阅资料进行构思，寻找出一个符合命题要求的制做方案。当我们的方案通过学校审核后，我们便开始组建团队，在团队组建过程中我们充分考虑人员特长组合以及课余时间 4.生产进度计划与控制

生产周期：按照产品结构、工艺特点，主要考虑产品零件中的主要件和关键件在工艺上的逻辑关系，我们将生产周期设定为3小时。5.质量管理

质量管理一般以全面质量管理思想为核心，以ISO9000系列标准为依据，强调全员全过程质量管理；确保质量管理中的管理职责、质量体系和过程控制；在此基础上形成质量体系文件。

按照工序控制设置原则：要注意先车削外圆和攻丝，最后再切断轴端，这样不会夹伤工件。要保证前轮的表面粗糙度小于等于R3.2 车削加工轮轴时，另外，要保证轴中的粗糙度小于等于R1.6，使得前轮与轴尽量减小摩擦。6.现场管理

现场管理是对现场中的生产要素和管理目标要素进行设计综合治理，主要包括：“5S”管理、目视管理、看板管理、定置管理。

“5S”管理：以整理、整顿、清扫、清洁和素养为内容的活动。通过规范现场、现物，营造一目了然的工作环境，培养员工良好的工作习惯，是一种独特的管理方法，其最终目的是提升人的品质。

目视管理：利用形象直观而又色彩适宜的各种视觉感知信息来组织现场生产活动，达到提高劳动生产率的一种管理手段，也是一种利用视觉来进行管理的科学方法。所以目视管理是一种以公开化和视觉显示为特征的管理方式。

看板管理：准时生产方式的看板旨在传达信息：“何物，何时，生产多少数量，以何方式生产、搬运”。看板的信息包括：零件号码、品名、制造编号、容器形式、容器容量、发出看板编号、移往地点、零件外观等。及时生产方式的看板在生产线上分为两类：领取看板和生产看板。

定置管理：是其他各项专业管理在生产现场的综合运用和补充企业在生产活动中，研究人、物、场所三者关系的一门科学。它是通过整理，把生产过程中不需要的东西清除掉，不断改善生产现场条件，科学地利用场所，向空间要效益；通过整顿，促进人与物的有效结合，使生产中需要的东西随手可得，向时间要效益，从而实现生产现场管理规范化与科学化。

十一、徽标设计

★时代背景：随着世界经济的飞速发展和人们物质需求的日益增长，环境污染也日益严重，许多国家都出台了相关政策促进节能减排。“无碳环保”成了当今世界不变的主题。

★创意：该徽标造型既是对本次大赛主题的直观反映，亦是我们团队对祖国未来的美好愿景：120度的箭头是象形的“C”，也就是化学元素中的碳。徽标外形既是循环使用标志的变形也有降低碳含量的意义。然而能量是守恒的，如果要减少含碳能源的使用，我们就必须依靠一双勤劳的双手。就像本次大赛的重物的能量需要我们用手举高来获取一样，我们倡导大家伸出双手来支持环保，让伟大祖国真正走上可持续发展的道路！★材料：45钢

★制作说明：先采用雕刻机雕刻成型，再使用钳工加工修饰。

+

十二、参考文献

=

朱

理主编

《机械原理》 张建中、何晓玲主编

《机械设计课程设计》 徐锦康主编

《机械设计》

陈轶鸣主编

《新编机械设计课程设计图册》 王昆、何小柏、汪信远主编《机械设计课程设计》 机械设计手册编委会编写的《机械设计手册》 朱

理主编

《车工工艺学》 王忠宗主编 《成本分析与费用控制技巧》 希尔顿主编 《成本管理》 刘建长、程坚、施卓晨主编 《成本会计》 王文胜主编 《高效成本管理》 周鑫、张磊光主编 《机械加工技术》 贺月光、高成发 主编

《工程测量技术》 刘钟莹 主编的《工程估价》 马楠 主编的《工程估价》 左用泰司 主编的的《工程管理》

十三、心得体会

经过了一个多月的努力，我们的小车终于完成了她的处女航。从最初的零件设计和小车定位计算到绘制零件图，点点滴滴虽然包含心酸和汗水，但是当我们体会到学以致用的乐趣时，这些都不算什么了。通过这一阶段的自主学习，我们明白了动手实践的重要性。理论和实践有时候很有很大差距的，比如小车的转向问题，我们在理论上计算了小车的轨迹，但事实上小车的运行路线远不像我们想象的那样简单，还有很多无法避免的影响因素；包括加工工艺、小车的起始角度、方向，这些因素都是无法达到我们要求的那样精确。

通过对“无碳小车”的自主设计加工，以及对各零部件的加工工艺分析，让我们知道加工工艺的好坏直接影响工件的成型和后续加工的连贯。

制定一个良好的加工工艺是保证零件达到要求性能的前提，也需要我们真正的开动脑筋。例如：我们使用的普通车床，所有的操作都是人为的控制，要想做出比较满意的零件，首先要有一个科学合理的工序安排。我们拿到一个需要加工零件的零件图时，不要急于下料加工，分析工序很重要，我们必须先制定好合理的加工工序，使待加工零件达到相应的设计标准和性能指标。同时还可以提升自己的逻辑思维能力，提高生产效率。

工程管理方案的撰写过程让我们还体会到了查找资料的乐趣，学会了怎样找到自己需要的参考书籍以及参考示例。团队成员的密切配合使得我们的工作效率得到了极大的提高。当然，在整个项目进程中，大家也避免不了分歧，大家都有自己的想法，也提出了自己认为可行的方案。经历了数十次失败后我们最终寻找到一套符合需要的方案。使得项目组成员在综合分析能力、实践动手能力、以及创新思维和创新能力的培养方面取得了长足的进步。

实践是检验真理的唯一标准，在今后的日子里，我们会更加注意把理论与实践相结合，努力学习好科学文化知识，为工程实际的应用夯实基础。

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。