浅论无碳小车的设计制作与创新实践论文（汇编）

第一篇：浅论无碳小车的设计制作与创新实践论文

0引言

无碳小车是一种通过滑轮机构将重物下落的重力势能转化为小车前进的动能以实现小车行走，并采用合理的机构，来实现行走过程中正确转向并绕过障碍的装置。小车设计注重能量利用的有效性，车体结构的合理性，行走的稳定性、匀速性，调试的可靠性等。应用了诸多数学理论进行验证，最终采用了万向节连杆机构作为转向机构，使小车控制转弯更省力、对小车躲避障碍物的周期控制更容易实现，亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦损耗小，效率高，较容易安装制造。另外，通过对小车的设计、制作和调试，提高了提出问题、分析问题、解决问题的能力，并总结了从中获得的经验和教训。

1无碳小车的制作原理

1.1命题简介

该竞赛其中的一个命题为，要求设计一种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(50×65mm，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。在比赛中，小车出发后，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(障碍物初始间距为1m，后期在1m±100mm范围内产生一个新的障碍物间距，需调整小车以适应新距离)，最终绕过障碍物多者获胜。

1.2无碳小车设计原理

由命题得知，关键在于利用重力势能获得相当长距离的具有稳定正弦特征的轨迹。由此，来设计小车以使其满足要求。重力势能大多通过挂在绳子上的重物拖动小车的轴进而驱使小车前进，这便对绳子提出较高的要求，一般选取弹性较小，耐磨的绳子为佳。

在传动方面，根据往届赛事经验，有齿轮传动，皮带传动等。由于小车在前行较长距离(一般为20m以上)，同时需要保证精确的行走轨迹，因此，皮带由于打滑等原因不如齿轮传动。同时，齿轮由于金属材质，大大加大了车的重量，因而我们采用快速成型制造齿轮，保证了传动的精确性与质量较轻的优点。接下来，便是使用两级变速还是一级变速的问题，两级变速能够在有效的空间内实现较大的传动比，同时具有较大的惯性，能够克服赛道上的不平整路面(事实证明，这在比赛上时是相当重要的)，但由于齿轮加工精度的局限，可能会造成较大摩擦力，造成能量的浪费。而一级传动则较为轻便，结构简单，便于加工装配。

小车每绕过两个障碍物，即在前进方向上走了2m，完成一个循环，此时，绕在轴上的绳子转过一圈。因此，小车前进的理论长度即由绕线轴的直径和下落高度决定。轴的最小直径由轮子和地面的摩擦力产生的启动转矩确定。小车的轨迹越接近于直线，摩擦力做功越少，便越节省能量。

我们发现，小车所走轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞，小车调整起来也越容易，同时，前面已经提到，也就越浪费能量。而对于不同的周期来讲，周期越小(障碍物间隔越小)，小车轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞。

为了实现上述轨迹，转向机构是重要的一环，由于“S”形避障运动是周期性的运动，恰好可以通过齿轮上的偏心，将其运动传递到前轮上。传递运动大致可以分为两类，一类通过万向节，与前轮转向机构构成四连杆机构，进而实现周期往复运动。这样的好处是刚性较好，一旦调节完毕能够形成固定的轨迹且便于加工。但是不容易调节，调节部件较多，过程繁琐。另一类通过直线轴承和滑块传递运动，当然，这样便于调节，仅需对偏心进行调节即可实现轨迹的周期变化。但是对加工精度要求较高。不过，随着学生动手能力的提高和赛事水平的不断提升，直线轴承和滑块机构会逐渐提高稳定性，创造更好的成绩。

2小车设计方案

2.1材料的选择

小车的制作，首先我们要先考虑它的材料，材料极为重要，材料密度大了，小车就重，导致摩擦力就大;材料如果较小，小车太轻，小车在绕杆的同时会发飘，导致小车的轨迹会发生变化，导致小车达不到最好的状态。所以选取适当的材料是至关重要的。由于铝-钢的摩擦系数大约为0.02，而铝的密度小，小车的质量一般大约为2.5kg，所以摩擦力较小，并且横向摩擦力足以满足小车不侧滑;有机玻璃材质轻阻力小，但是寿命短，易磨损，精度不够高，力学性能差，主要是脆性大，抗冲击性能差，受到第二次意外打击时，有机玻璃易破碎。而尼龙的摩擦系数较大，吸水性较大，影响尺寸稳定和电性能，但车体的重量太小，需要加配重，防止侧滑或侧翻，所以考虑各种原因还有计算，最终选取折中的方案，也是最佳方案，就是铝，铝做车身骨架是最好的选择。而尼龙具有机械强度高、软化点高、耐热、摩擦系数低、耐磨损、自润滑性好、吸震性和消音性好、耐油、耐弱酸碱、无毒无臭、耐候性好、比重小、高抗冲、高载重、耐撞击，所以特别适合齿轮的加工，用快速成型做出的齿轮既具备以上的优点，还容易安装，容易定位，所以齿轮的材料最好是采用尼龙。

2.2设计思路和方案

(1)动力源。将重物固定于绳子上，绳子系在大齿轮轴上，重物下落拉动大齿轮轴转动，通过齿轮啮合驱动小齿轮轴转动，进而使小车前进;

(2)差速部分。当重锤下落时，通过滑轮轴连接线驱动大齿轮转动，带动驱动轴回转，并通过传动齿轮带动后轴回转。由于小车在前进时要走S形路线，在转弯时内侧的车轮与外侧的车轮转速不一样，后面两个轮子走过的距离不同，因此两个后轮上采用了不同的连接方式，其中一个后轮采用过盈配合随轴转动，而另一个后轮采用轴承配合在轴上空转，从而实现差动。

(3)前轮转向部分。大齿轮上开一个13mm长的槽，其偏心距为11mm—24mm，将螺钉穿过槽用双螺母紧固在大齿轮上，万向节则也通过双螺母紧固在螺钉的另一头。变向连杆由使用双头螺杆连接在一起的两个万向节组成，螺杆一头为反丝，便于调节。前叉则通过另一个螺杆与万向节相连，从而形成了转向部分。由于万向节连杆与齿轮配合点存在偏心距，因而连杆可以实现周期性往复运动;前叉通过螺杆与连杆一端的万向节相连，随着杆的往复运动进而实现周期性转向;因连接杆两端的万向节，与两侧杆件的连接形成球面副，可以向多个方向转动，避免了死点位置。偏心距的合理设计实现了前轮的正确转向;两个万向节中间的螺杆则能够有效实现扭矩传递;基于此设计，小车以正弦曲线的方式向前运动，实现避障功能;

(4)调整部分。在大齿轮上开槽，通过调节偏心距实现前轮偏转角的的调节。转向角最大为30°，此时越障距离最短为0.8m，转向角最小为15°，此时越障距离最长为1.15m;万向节中间的双头螺杆也是微调机构，可以调节小车的整体轨迹。因而在调整距离时，只需调节齿轮上偏心距的大小和万向节连杆的长度即可，调节简单方便。发车角度确定采用激光笔远距离定位，精确找到合适发车角度，用时短，精度高。

(5)转向部分的计算。有e=a×α。取a=45mm，当α=15°时，e=11mm;当α=30°时，e=24mm，其中e为大齿轮开槽处的偏心距。

(6)小车其它尺寸计算。小车各个部分的关系为Δl=dsinφ、θ=arcsinΔl/l其中r1、r2，ω1、ω2为前后齿轮的半径和速，d为前齿轮旋钮的位置，主要零件的设计尺寸:前轴9mm，后轴10mm;前轮40mm，宽度8mm，后轮200mm;大小齿轮齿数比为4.13∶1，大齿轮齿数为Z1=62，小齿轮为Z2=15，模数m=1。

3小车调试与行走

在小车的实际调试和行走过程中，实践操作的经验非常重要。例如，当障碍物间隔为1m时，要求小车的行走周期为2m，而正弦曲线的周期是通过调节大齿轮偏心距来实现的，虽然通过计算很容易得出理论值，但是由于螺母与螺杆并非理论中的质点，因而在实际操作中很难实现一次性调试成功。因而在不断的实践中才能总结出规律，并熟练掌握。

在小车调试的初期，通过在小车后粘贴荧光笔来跟踪轨迹，但发现这种方法会增加小车行走的阻力影响轨迹的精度而且跟踪的曲线不具备完整性，后来改用了在车底板上放一个以一定的速度滴水的小容器，实现轨迹的跟踪。实践证明，这种轨迹跟踪方式，更加准确，并且容易清理。通过量取轨迹的周期则可以判断小车的行走周期。当轨迹的周期大于比赛要求周期时，则通过增大偏心距来减短实际轨迹的周期:相反，则减小轨迹的周期。这样便实现了小车行走周期的正确调节。

调节好周期后，小车大齿轮的偏心距便被固定住了。接下来便不再着眼于小车轨迹的1个周期了，而是着眼于小车行走轨迹的总的趋势。因为当万向节连杆过长时会使小车的轨迹成为一个整体往左偏的大弧，而万向节连杆过短又会使小车的轨迹成为一个整体往右偏的大弧。万向节连杆两端的螺纹旋向相反，在调节时，往里旋转为调短向外旋转为调长，调节方式简单，另外两端万向节与连杆通过双螺母固定在一起增加了稳定性。

在轨迹的调直过程中，通过在发车线前45cm(以行走周期为1m为例)处贴一张中心线与障碍物所在直线重合的16K的纸来定发车角。具体方法:在纸的左上角标出前轮位置，保持前轮位置不变，通过改变后轮位置改变发车角度，并随时在纸上标记后车轮位置。当小车左轮擦杆时，减小发车角，当右轮擦杆时，增大发车角，从而出直线。在实际调车过程中，很多时候不论如何改变发车角度都不能使得小车实现总体的直线绕杆，这时便要通过调节万向节连杆来微调前轮的转向角，而调节连杆长度时，微小的变化则会引起转向角较大的变化，连杆每旋转一圈长度便会改变1mm，而1mm会使转向角改变2.5度。因此螺杆要旋转的角度要视轨迹的偏离情况而定。

通过在地面上贴纸的方式，调车的精度能到20根杆，若直线距离再远，则在纸上画线便会过密，肉眼很难再进行定位。为了克服这一困难采用了一种更加精确的定发车角度的方式，即激光笔。在用纸粗定发车角之后，在距发车线20m远处放上带刻度的板子，并使板子与地面垂直，0刻度线位于障碍物所在的直线上;把激光笔固定在小车前叉的平台上，通过改变激光点所在的刻度来改变发射角度。由于贴纸法调节范围广，调节速度快，但调节精度低，所以用于角度的粗调;而激光笔调节法，调节精度高，但调节范围小，所以适合粗调完成后的精调。两种方式各有利弊，综合利用取长补短，使得小车的调节得到完善。

小车的行走过程是一个不断磨合的过程。在不断的行走练习过程中，小车的各种零件才能实现更好的配合。

4结语

在无碳小车的设计、制造和调试过程中要有严谨的科研精神，科学是容不得半点马虎的，小车设计是一个用科学来指导实践，把科学运用到实践中去的过程。既然是指导实践，就应该做到事无巨细，考虑周全，在设计的过程中，不应放过每一个细节。小车的制造，是要经过方案设计，三维设计，优化及修改，Cad出图，图纸审核等过程来完成的，在此过程中有大量的工作要做，考验了团队的合作和分工能力以及团队精神。而小车的调试是一个漫长而充满困难的过程，考验着调试人员的耐心和毅力，以及在实践中应用理论知识、不断总结经验、创新思维的能力。

第二篇：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

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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

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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

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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

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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。

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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。

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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。

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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

第三篇：无碳小车制作方案（范文）

第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛

无碳小车制作方案

参赛者：陈振威 肖啸川 邹镇澎

指导老师：江帆

摘要

第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的命名主题是“无碳小车”。设计过程特别注重设计方法，对制作过程的材料选择，加工难度和成本也有更高要求。我们综合运用参数化设计，数控加工等先进设计加工方法，采用SOLIDWORKS，CREO等软件配合制作。

我们把小车的制作分为材料选择，制作加工和装配三个过程。将每个过程独立分析又联合考虑，通过学习提升加工人员综合素质、充分利用已有资源，层层把关，降低加工难度，加工误差，缩短时间和减少制作成本，一步步向最优的制作方案靠近。

根据制作方法，我们将零件分为标准件和非标准件两种。为了制作过程更加容易完成，设计过程尽量使用标准件，然后购买。非标准件将由参赛者加工完成。

关键字：参数化设计 数控加工 标准件 非标准件

一、材料选择

1.1 小车零件

标准件：M4×12盘头螺钉和配套螺母、M8螺母、H8×M5*36+10隔离螺柱6个、1M-20齿齿轮1个、1M-80齿齿轮1个、M8立式KP08轴承座5个、卧式轴承座1个、导向轮、顶滑轮

非标准件：底板、后轮2个、后轮轴1个、大齿轮轴1个、转片1个、转片轴、连架杆2个、微调螺杆1个、前摇杆1个、车顶1个、载重物板、撑杆3个、连杆1个

1.2现有设备

立式升降台铣床、立式数控加工中心、数控车床、数控铣钻床、万能外圆磨床、数控铣床、台虎钳、锯、刻度尺

1.3非标准件材料选择

市场上常用的机械材料有铸铝合金、铝合金、碳钢、铸铁、有机玻璃、合金钢等等。从材料的成本和加工程度考虑，就数铝合金和亚克力板（有机玻璃）最好。

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，具有优良的导电性，导热性和抗腐蚀性。亚克力板具有较好的透明性，化学稳定性，力学性能和耐候性，易加工，外观优美，价格低廉等特点。通过上述分析，理应选择亚克力板，但是机电实验中心现有设备限制，在事件加工过程中，亚克力板的加工容易裂，无法满足要求。综上所述，非标准件的材料统一采用铝合金。

二、加工制作

2.1底板、后轮、转片、车顶、前摇杆和载物板的加工

材料：铝合金

软件：SOLIDWORKS、CREO 设备：立式数控加工中心、万能外圆磨床

过程：将零件文件从SOLIDWORKS转换格式在CREO打开 → 转换成计算机编程语言 → 导进加工中心计算机 → 替换合适刀具 → 选择刀具进给路径，速度，方式 → 开始加工

注意的是，数控机床的控制还包括机床的启动、关闭；主轴的启停，旋转方向和转速的变换，冷却液的起、关闭等。后轮在数控加工完后，应该使用万能外圆磨床磨平轮的外圆面，操作步骤遵循磨床的操作流程。

2.2后轮轴、大齿轮轴、转片轴、连架杆、微调螺杆、连杆和撑杆的加工： 材料：M8实心铝棒，M8空心铝棒

设备：台虎钳，锯，板牙，丝锥，刻度尺，车床

过程：从原材料测量零件所需长度 → 台虎钳夹持原材料 → 钢锯锯出所需长度 → 攻丝 → 套丝 → 车外圆

分析：由于轴对强度要求高，所以使用实心铝棒，其他对强度要求不高的一律使用空心铝棒，可以减轻小车整体重量

注意：锯所需长度时应该稍稍预留长点，防止车床车外圆完成后，不够尺寸要求。

三、装配

3.1定义

机械装配就是按照设计的技术要求实现机械零件或部件的连接，把机械零件或部件组合成机器。机械装配是机器制造和修理的重要环节，特别是对机械修理来说，由于提供装配的零件有利于机械制造时的情况，更使得装配工作具有特殊性。

3.2装配工艺

装配工艺有清洗，平衡，刮削，螺纹连接，过盈配合联接，胶接，校正、焊接等。装配中充分运用锉、磨和刮削等工艺改变个别零件的尺寸、形状和位置，使配合达到规定的精度，先装配好每个装配单元体，再将每个单元体组装起来，得到完整的小车。3.3装配过程

为了保证有效的进行装配工作，将小车分为车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构和微调机构6个装配单元体。

四、误差分析

4.1误差来源和解决方案：

4.1.1标准件误差

这个误差属于小车可以接受的范围之内，而且非标准件的尺寸是以标准件为基准，只要改变非标准件即可

4.1.2加工误差

无论是数控加工还是参赛者手工加工，误差都无法避免。只有在装配中充分运用锉、磨和刮削等工艺改变个别零件的尺寸、形状和位置，使配合达到规定的精度。

4.1.3装配误差

装配误差是指零部件的安装位置与装配规格设计规定以及工艺所需要的理想位置的差异。这也是没法避免的。在具体操作中要选择合理的装配基准，避免装配基准的多次传递（减少累计误差）、掌握误差的变化规律（消除系统误差）

五、五、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，如果速度过快，可能是绕绳驱动轴半径过小，可以改变驱动轴半径进行调试。

（2）小车避障的调试：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。

第四篇：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

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