无碳小车设计说明书(一等奖作品)
第二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：龚雪飞赵鹏飞刘述亮
指导老师：朱政强戴莉莉
2011-1-16
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。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、微调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。
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
目录
摘要 (1)
一绪论 (4)
1.1本届竞赛命题主题 (4)
1.2小车功能设计要求 (4)
1.3小车整体设计要求 (5)
1.4小车的设计方法 (5)
二方案设计 (6)
2.1车架 (9)
2.2原动机构 (9)
2.3传动机构 (10)
2.4转向机构 (10)
2.5行走机构 (12)
2.6微调机构 (13)
三技术设计 (14)
3.1建立数学模型及参数确定 (14)
3.1.1能耗规律模型 (14)
3.1.2运动学分析模型 (16)
3.1.3动力学分析模型 (20)
3.1.4灵敏度分析模型 (23)
3.1.5参数确定 (24)
3.2零部件设计 (25)
3.3整体设计 (27)
3.3.1整体装配图 (27)
3.3.2小车运动仿真分析 (28)
四小车制作调试及改进 (28)
4.1小车制作流程 (28)
详见工艺分析方案报告 (28)
4.2小车调试方法 (28)
4.3小车改进方法 (29)
五评价分析 (29)
5.1小车优缺点 (29)
5.2自动行走比赛时的前行距离估计 (30)
5.3改进方向 (30)
六参考文献 (30)
七附录 (31)
7.1装配图 (31)
7.2耗能分析程序 (35)
7.3运动学分析程序 (36)
7.4动力学分析程序 (38)
7.5灵敏度分析程序 (40)
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”。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。
1.2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（φ50×65 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φ60×20 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φ30mm。
1.3小车整体设计要求
小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。
1.4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
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、自动避开障碍物。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。下面为我们设计图框（图二）
图二
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。
图三
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，车架采用木材加工制作成三角底板式。可以通过回收废木材获得，已加工。
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。
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。如下图四
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。
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。
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）因此不采用曲柄连杆+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。
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
δ?=N M
对于相同的材料δ为一定值。
而滚动摩擦阻力
R N R
M f δ
?=
=
，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。
综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案，如果规则允许可以采用单轮驱动。
2.6微调机构
一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用曲柄连杆+摇杆方案，由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹。
微调机构可以采用下面两种方式微调螺母式、滑块式如图五
图五
由于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。因此我们设计了一种机构简单的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过试验比较得到最优的小车。
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。
3.1建立数学模型及参数确定
通过对小车建立数学模型，可以实现小车的参数化设计和优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。
3.1.1能耗规律模型
为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为
ξ-1，即小车能量的传递效率为ξ。小车轮与地面的摩阻系数为δ，理想情况
下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有
???????==∑∑==3
1
3
1*i i i i R N g m N mgh s i i 总ξδ
i N 为第i 个轮子对地面的压力。 i R 为第i 个轮子的半径。
S为第i个轮子行走的距离
i
m为小车总质量
总
为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.小车能量转换效率。四方面考虑。
通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。下图为当车轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.....mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图（图六）
有上图六可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。
同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。
图七为当摩阻系数为0.5mm，车轮半径依次增加10mm时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图
图六
图七
由图可知当小车的半径每增加1cm小车便可多前进1m到2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。
3.1.2运动学分析模型
符号说明：
驱动轮半径
齿轮传动比
驱动轮A与转向轮横向偏距
驱动轮B与转向轮横向偏距
驱动轴（轴2）与转向轮中心距离
曲柄轴（轴1）与转向轮中心距离
曲柄的旋转半径
摇杆长
连杆长
轴的绳轮半径2r
a 、驱动：
当重物下降dh 时，
2）转过的角度为2θd ，则有
22r dh d =
θ
则曲柄轴（轴1）转过的角度
i
d d 2
1θθ=
小车移动的距离为（以A 轮为参考）
2θd R ds ?=
b 、转向：
当转向杆与驱动轴间的夹角α为时，曲柄转过的角度为1θ 则α与1θ满足以下关：
()()1
22
12
112
22cos sin sin cos 1θθαα?+?-?++-?=r r c b c l
解上述方程可得1θ与α的函数关系式
()1θαf =
c 、小车行走轨迹
只有A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度α时，如图： 则小车转弯的曲率半径为
1
tan a b +=αρ
小车行走ds 过程中，小车整体转过的角度
ρ
βds
d =
当小车转过的角度为β时，有
??
??=?-=β
βcos sin ds dy ds dx
d 、小车其他轮的轨迹
以轮A 为参考，则在小车的运动坐标系中，B 的坐标()()0,21a a B +- C 的坐标()d a C ,- 在地面坐标系中，有
??
??+-=?+-=β
βsin )(cos )(2121a a y y a a x x A B A B
??
?-?+=-?-=ββββsin cos sin cos 11a d y y d a x x A C A C
整理上述表达式有：
???
???
??
???
?
??
???
????
?
???
?+?-=-?-=?+-=?+-=?=?-==+=+?-?++-===ββββββββρβαρθθααθθθcos sin sin cos sin )(cos )(cos sin tan cos )sin sin ()cos 1(1121211122
1211222212
2d a y y d a x x a a y y a a x x ds dy ds dx ds d a b r r c b c l i d d r
dh d A C A C A B A B 为求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参数的到了小车运动轨迹如（图六）
图六
3.1.3动力学分析模型 a 、驱动
无碳小车设计说明书一等奖作品
无碳小车设计说明书一等奖作品
第二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：龚雪飞赵鹏飞刘述亮 指导老师：朱政强戴莉莉 -1-16
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，力求经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创造理论方法；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。经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，经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、微调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、能够购买，同时除部分要求加 工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都能够经过手工加工 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 经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 目录 摘要 (3) 一绪论 (7) 1.1本届竞赛命题主题 (7) 1.2小车功能设计要求 (7) 1.3小车整体设计要求 (8)
无碳小车实验报告
?朕井令孑科技衣浄 GUILIN UNIVER3ITT OF ELECTRONIC TECHNOLOGY 机械原理课程设计报告书 设计题目：竞赛题目无碳小车的设计 课程名称：《机械原理课程设计》 学生姓名： 学生学号： 所在学院：海洋信息工程学院 学习专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：宫文峰 2015年12月11日
目录 (2) 第一章概述 (3) 1.1 课程设计任务与目的 (3) 1.1.2 课程设计任务 (3) 1.2 无碳小车设计的目的与任务 (3) 第二章选题介绍 (4) 2.1 选题背景、意义 (4) 第三章总体设计 (4) 3.1 方案设计 (4) 3.1.3 传动机构 (5) 3.1.4 转向机构 (6) 3.1.5 行走机构 (7) 3.1.6 微调机构 (8) 第四章运动分析 (9) 4.1 用解析法进行机构的运动综合与分析 (9) 4.2 齿轮参数的分析 (12) 第五章设计小结 (12) 参考文献： (13)
第一章概述 机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等 有着十分重要意义。 本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进 行创新设计。设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经 验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依 靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案。 1.1课程设计目的与任务 1.1.1课程设计目的 1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入和归纳； 2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神； 3）加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、综合和工艺制作等实际工作能力； 4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力； 5）为将来从事技术工作打基础。 1.1.2课程设计任务 结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生根据使用要求和功能分析，开拓思路，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过 程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进 行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。 1.2无碳小车设计的目的与任务 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而
无碳小车说明书完
无碳小车 设计说明书 2011-5-20
目录 一：摘要;：……………………………………………… 二：引言：……………………………………………… 三：任务和要求……………………………………………… 3.1设计思路……………………………………………… 3.2基本原理……………………………………………… 四：方案设计及论证……………………………………………… 4.1机械方案设计……………………………………………… 4.1.1传动系统……………………………………………… 4.1.2转向系统......................................................4.2工艺方案设计 (7) 4.3小车整体及外观设计 (8) 4.4最终方案 (8) 五：材料及成本分析 5.1小车整体材料种类 (9) 5.2小车各部位材料选择 (9) 5.3小车经济成本分析 (9) 六：参考文献……………………………………………… 七：无碳小车徽标………………………………………………
摘要 是依据竞赛命题主题“无碳小车”，提出一种“无碳”方法，带动小车的运行，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计了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，放置一个直径为20mm，高为200mm的弹性障碍圆棒）。此模型最大的特点是将重力势能转化为齿轮的转动，进而根据大小齿轮的粘合带动驱动轮和转向轮，从而按照规定的路线完成任务。本文将对无碳小车模型的设计过程，结构功能特点等进行详细的介绍。 关键词：无碳小车齿轮粘合驱动轮转向轮安全高效方便灵活创新理念。
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。
无碳小车设计方案
大学机械设计制造及其自动化特色专业 实践报告 设计项目：工业产品力学分析实践、工业产品材料分析与设计实践 班级： 实践小组名称： 报告撰写人： 提交日期：2012/6/17 大学机电工程系
目录 1 设计任务 (4) 1.1无碳小车整体动力学分析报告 (4) 1.2无碳小车各构件材料力学性能分析报告 (4) 1.3无碳小车典型零件材料组织分析 (4) 2 设计过程 (4) 2.1 机构设计 (4) 2.2 机构简图分析 (5) 2.2.1主要机构组成 (5) 2.2.2原理 (5) 2.2.3自由度分析 (5) 2.3 机构立体图分析 (6) 2.3.1车架 (8) 2.3.2原动机构 (8) 2.3.3转向机构 (8) 2.3.4行走机构 (9) 2.4 参数分析模型 (9) 2.4.1 动力学分析模型 (9) 2.4.2运动学分析模型 (10) 2.4.3急回运动特性、传动角、死点分析 (11) 2.4.4灵敏度分析模型 (12) 2.4.5参数确定 (13) 2.5零部件设计 (13)
3设计结果与总结 (14) 4参考文献 (14) 附：Matlab编程源代码 (15)
1 设计任务 1.1无碳小车整体动力学分析报告 含无碳小车各机构运动学分析（运动轨迹计算、机构各构件长度尺寸确定等） 无碳小车动力学分析，各运动副摩擦分析、各构件受力分析。 要求Matlab编程计算（附源代码） 1.2无碳小车各构件材料力学性能分析报告 含各构件强度分析、刚度分析 基于结构安全的无碳小车各构件结构优化方案。 要求Matlab编程计算（附源代码） 1.3无碳小车典型零件材料组织分析 取无碳小车中典型金属材料进行材料组织分析，给出3种以上材料试样制作方法、组织 照片等。 2 设计过程 2.1 机构设计 行进动作分解 小车主要由四个机构组成：发条动力机构、齿轮传动机构、曲柄连杆机构、连杆前轮转向机构。
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无碳小车说明书
目录 1 引言 (1) 1.1 小车功能设计要求 (1) 1.2 小车设计思路 (1) 2 设计方案 (2) 2.1 底板 (3) 2.2 原动机构 (4) 2.3 传动机构 (4) 2.4 转向机构 (5) 2.5 行走机构 (6) 2.6 调节机构 (6) 3 技术设计 (7) 3.1 功能关系及驱动力矩分析 (7) 3.2 小车轨迹计算 (8) 3.3无急回特性曲柄摇杆机构分析 (9) 3.4相关参数确定 (10) 4 小车调试及性能评估 (11) 5 小车改进方法及评价分析 (12) 5.1 小车的改进方法 (13) 5.2 小车优点 (13)
5.3 小车缺点 (12) 6 部分装配图 (13) 7 结论 (15) 致谢语 (15) 参考文献 (16) 附图
1 引言 1.1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4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的重块铅垂下降来获得，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，不可使用任何其它的能量形式。 1.2小车的设计思路 小车的设计一定要做到目标明确，经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创造理论方法。采用了Inventor、UG、CAD等软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程（如图1）
无碳小车—结构设计方案
根据本届竞赛题目对无碳小车（以下简称：小车）功能设计、徽标设计的要求，我们首先确定如下的设计思路： 1、根据能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转 化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以小 车前进能量来源直接由重物下落过程中减少的 重力势能提供为宜。 2、根据小车功能设计要求（小车在前行时能够自动 避开赛道上设置的障碍物），小车前进的路线具 有一定的周期性；考虑到小车转向时速度有损 失，小车前进的线路是命题设计要求的最优解。 3、结构的设计与成本分析、加工工艺设计统筹考 虑，力求产品的最优化设计。 4、徽标反映本届竞赛主题：无碳小车
以下是具体的设计方案介绍： 一、徽标设计（图1） 图1 （1）设计说明： 整个徽标是一个椭圆形的圈，包围着一个车轮，车轮下面写着“No Carbon”的字样。其中，车轮代表着我们所做的无碳小车。其后面是由众多抽象的“S”形条纹组成，代表着我们的无碳小车由所要求的“S”形跑到飞驰而出。其下的“No Carbon”字样简单明了地说明了这届大赛的主题，并且外面的椭圆圈，代表着能量的意识，说明了势能与动能相互转换的过程。最后，以整体上看，整个图形像一只眼睛。看着远方，对未来全球实现无碳充满希望。 （2）材料：45钢 （3）制作：激光打标机喷漆 外圈红色R：255 G：0 B：0 内圈红色R：170 G：0 B：0 “No”R：85 G：85 :B：:85 “Carbon”R：170 G：0 B：0
车轮R ：255 G ：85 B ：85 “S ”R ：255 G ：85~170 B ：0~85 二、小车动力、动力—转向、转向系统 1、小车的动力系统（图2） （1）方案： 根据竞赛命题要求（小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均重物下落减少重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量形式）及能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以以绳拉力为动力为宜。拉力作用于锥型原动轮（以下简称：原动轮）上，形成力矩，力矩对该原动轮产生转动效应，通过一系列齿轮的传动，将动力输出，使后轮转动，小车前进。 （2）以上方案作用： ①由于设计该小车的前进过程是 静止—加速—匀速—减速 的过程，所以开始时拉力的作用点处在原动轮半径较大处，并且随 着小车的前进，拉力作用点距离原动轮的轴线的距离呈递减的线
无碳小车设计说明书
无碳小车设计说明书 为响应“低碳生活”的号召，我们应该节能减排，以优化环境。作为学生，我们更应践行。我们通过学习和实践，以及运用机械制造的原理，物理学等等方面的知识，设计了s型的无碳小车。我们对它进行了严密的构思与计算，并结合实际进行了材料与运动的分析。 设计思路 1.根据能量守恒定律，物体下落的重力势能直接转化为小车前进的动力，此时能量损 失少，所以小车前进的能量来源于重物下落过程中减少的重力势能。 2.根据小车功能设计的要求，即小车在前行时能够自动绕开赛场上的障碍物，小车运 动的路线需有一定的周期性。考虑到小车在转向时会受到摩擦等阻力的影响，让小 车行走最远路程是设计要求的最优解。 3.需要进行结构的设计与成本的分析，同时也需考虑加工工艺的繁琐程度，力求产品 的最优设计。 小车的原理分析及构架设计 1.小车的质量要适中，以此来保证车的稳定性。质量若太大，则会增加阻力。 2.应采取齿轮传动和连杆机构，同步带的精度不高，也可避免传动效率的低下。 3.传动的力与力矩要适中，保证加速度的适中。 4.相对运动的精度要保证，以减少摩擦，保证力量的充分利用。 5.S型的路线转弯半径要适中，保证其行程。 6.选择大小适中的轮子，轮子太大，稳步性降低。 7.采用轴承，螺纹连接，用三根圆柱支撑，以此挂系重物，转向时则采用连杆机构。 小车的转向机构 转向轮及转向机构如图所示。转向采用连杆机构传动，转向轮固定在支架上。当齿轮转动时，带动连杆运动，根据惯性，使转动轮运动方向发生改变。
小车的驱动原理 重物的牵引带动栓线轴的转动，以此带动齿轮的转动，通过齿轮的啮合带动驱动轴与齿轮的转动，使驱动轮转动，带动着小车的前进；同时也带动着摇杆的转动，使推杆左右动的同时，前后运动。在推杆与摇杆之间，有套筒相连，保证其作圆周运动。杆偏转，使转动轮偏转，根据驱动轮与转动轮的合运动，小车就可以走S型。 栓线处为梯形原动轮。起始时，原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。 其次，起动后，原动轮的半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后作匀速运动。原动轮的半径变小，使总转速比提高。小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车。 加工工艺的设计 1.小车底板部分挖空，减轻了整体的质量。 2.重物支撑架用三根圆柱杆支撑，有助于其稳定性。 3.后轮的大小适中，直径为182mm。 4.载物放置靠近轴处，稳定重心。 小车加工的尺寸 关于齿轮： 小齿轮A：M=1，Z=15，最大直径=15，尺宽b=6.5; 齿轮B: M=1,Z=45,最大直径=45,b=10; B与A传动比i=1/3； 齿轮C：M=1，Z=60，最大直径=60,b=10; C与A传动比i=1/4； 车轮厚度均为4mm，总高度H=515mm,总宽d=164mm. 小车计算的公式及推理 1.大轮半径为R，重物下降dh，转轴①半径为r1 ，转过角度dθ 1 ;同时转轴②半径 r2,转过角度dθ2，转轴③转过角度dθ3. 齿轮啮合组⑴的传动比为i1,齿轮啮合组⑵的传动比为i2 ; 公式：dh=r1dθ1 dθ2=dθ1/i1 dθ3=dθ 2 ＊i2=dθ1＊i1＊i2
无碳小车设计说明书
第三届福建省大学生工程训练 综合能力竞赛 无碳小车设计说明书 参赛者：邓磊林源兴趣詹发星 指导老师：张宁 学校：福建工程学院 地点：福建福州 时间：2015年1月1-2日
摘要 第三届福建省大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车越障竞赛”，并为接下来的第四届国赛做好准备。我们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、CATIA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。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、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用双轮驱动、微调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。
无碳小车设计说明书(一等奖作品)
第二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：龚雪飞鹏飞述亮 指导老师：朱政强戴莉莉 2011-1-16 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。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、微调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。 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 目录 摘要 (2) 一绪论 (5) 1.1本届竞赛命题主题 (5) 1.2小车功能设计要求 (5) 1.3小车整体设计要求 (6)
无碳小车 设计说明
作品设计说明书
摘要 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、原动机构采用了带轮轴、传动机构采用带轮、转向机构采用凸轮机构、行走机构采用双轮驱动。 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分别进行了能运动学分析和动力学分析，进而得出了小车的具体参数，和运动规律y 以及确定凸轮的轮廓曲线；接着应用Solidworks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。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
目录
小车改进方向 (21)
一绪论 命题主题 根据第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。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。 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（间隔范围在700-1300mm，放置一个直径20mm、长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，普通碳钢制作）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。
无碳小车产品设计说明书模板
无碳小车产品设计 说明书 无碳小车产品设计说明书 产品名称: 飞轮驱动式无碳小车 设计团队: 小组成员: 李进、肖衡、谢中成指导老师: 韩传军、任海涛 设计思想: 看到此次竞赛主题, 我团队认为; 能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心, 我们展开了一系列的理论分析与验证, 经过重复比较, 最终确定了我们的设计思路: 飞轮驱动与仿自行车式转向。 驱动方面, 最开始, 我们想到了发条, 认为将重物下落的重力势能
储存在发条中, 在逐渐释放, 能够很好地利用能量。与此同时, 经过研究玩具小车的驱动机构, 我们认为, 能够想办法将发条与弹簧结合起来使用, 经过二者驱动的时间差来达到将重物能量利用最大化的目的。可是, 发条在储能和释放能量时都会消耗能量, 因而能量利用率不高; 而且, 如何让弹簧与发条分时驱动也是一个我们始终无法解决的问题; 而且, 发条在释放能量后还会有阻碍驱动轮转动的问题, 要解决这个问题会将小车结构弄得很复杂, 因而, 我们最终放弃了这种想法。而后, 经过联系农村稻麦收割机的启动实例, 我们想到了利用飞轮驱动, 飞轮驱动结构简单, 而且能够很好地解决发条能量释放后阻止驱动轮转动的问题; 于此同时, 我们也想到了将飞轮与弹簧联合驱动的方案, 这种方案能够将能量尽可能地利用, 而且只要经过传动比让弹簧驱动给后轮的速度大于飞轮能量释放后后轮的速度, 就能让小车平稳前进。可是这个方案依然存在结构复杂并造成能量消耗打的问题，经过综合考虑权衡，我们最终确定飞轮单独驱动小车的方案。 转向方面，我们主要是仿照自行车转向的方案，利用等宽凸轮控制小车自动转向。 工作原理： 主要构件如下图所示，包括储能飞轮、驱动后轮、传动齿轮、”曲柄”圆轮、连杆、转向”摇杆”和转向前轮。
无碳小车设计说明书(一等奖作品)
第二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：龚雪飞赵鹏飞刘述亮 指导老师：朱政强戴莉莉 2011-1-16
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。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、微调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。 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
“S”型无碳小车设计说明书
“S”型无碳小车设计说明书 目录 一、绪论 1.1竞赛命题主题 1.2小车功能设计要求 二、方案设计 2.1路径选择 2.2转向装置 2.2.1前轮转向装置设计 2.2.2后轮转向装置设计 2.3能量转换装置设计 2.4微调机构设计 三、参数设计 3.1路径参数设计 3.2其他参数设计 四、选材加工 五、附录
一、绪论 1.1竞赛命题主题 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，在比赛现场完成一台本命题要求的可运行的机械装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品需要提交相关的设计方案。 竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。 1.2小车功能设计要求 1、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。图1为小车示意图。 2换而得，不可以使用任何其他来源的能量。 3、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。 4、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。 二、方案设计 2.1路径选择 我们选择了“S ”型方案，路径如图2所示，图中所示“S ”是后轮轴中点轨迹。在设计计算中我们近似认为这是一条余弦曲线，通过分析道路要求给出曲线方程各项参数，从而得到后续理论设计的基础数据。
2.2转向装置 2.2.1前轮转向装置设计 考虑到小车在行进过程中要实现自行转向，我们选择通过改变前轮摆角来控制整个小车的转向，有两种备选方案：1、凸轮+连杆+摇杆；2、曲柄连杆+摇杆。第一种方案中，凸轮的设计加工难度较大且成本较高，一般而言实用性不强，想要实现对小车路径的精准控制不易，而相较之下方案二中曲柄机构更容易设计计算，路径特殊点所对应曲柄的位置更容易找到，还可以通过改变曲柄偏心距实现间距微调，而且加工成本较低，拆装稳定性好，原理简单易懂，可以帮助中学生或大学生快速理解机械传动和加工原理，因此我们选用方案二，如图3所示。 2.2.2后轮转向装置设计 后轮通过差速设计实现转向，主动轮给全车提供驱动力，从动轮自由转动，在转弯的时候由速度差实现转向。 2.3能量转换装置设计 小车的动力来源于重锤的重力势能，通过重锤下落，实现重力势能与动能的转换，从而实现小车的驱动。将重锤通过滑轮用细绳缠绕在主动轮轴上，绕轴端接死，重锤的重力通过细绳作用在主动轮轴上，从而对轴产生一个力矩，使轴旋 转即实现主动轮的转动。
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第2章工作原理和设计理论推导 1.总体结构 无碳小车模型主要由一个转向轮和两个驱动轮以及几个大小齿轮组成，其中小车中的转向轮，驱动轮，齿轮，支撑块，横杆，木板等如下图所示。 2.整体结构的初步设定尺寸如下 驱动轮直径D=120mm 采用橡胶材料 转向轮直径d=30mm 采用橡胶材料 底板厚度e=5mm 采用木材 3.驱动轴及转向轴上轮子的定位介绍 驱动轮采用橡胶结构，轴嵌入轮中，采用过度配合，由于橡胶的弹性性能好，可以使轴得到纵向及横向的约束。 第3章.无碳小车设计的理路指导
3.1 小车的运动原理以及如何实现正余弦曲线 1.小车的运动原理 重物的牵引带动原动轮轮的转动，原动轮的转动带动齿轮轮，再根据两齿轮之间的齿轮粘合带动驱动轮和齿轮的转动，带动齿轮盘的转动，从而使方向杆左右运动的同时，前后运动，杆的偏转，使得转向轮偏转，根据驱动轮轮和转向轮的合运动，小车就可以按照要求一边行走一边转弯。 梯形原动轮 2.梯形原动轮的原理 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。 初步启动时转矩大约是360N.mm，滚动摩擦力大约为F=320N.mm，小车可以正常起步。 3.2 小车各个尺寸设计的推导：
无碳小车二维示意图 根据题目中赛道宽度2m ，以及每间隔1m ，放置一个直径20mm 、高200mm 的弹性障碍圆棒，以及赛道的大致行走路线（如图四），我组拟定一些实际尺寸的大小以及推导 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 考虑到要使小车的运动轨迹尽可能沿直线运动,绕过的障碍物越多,但又得考虑要使小车不碰到障碍物,经过我组在各方面的考虑,小车的宽度定为24cm, 底板M 的厚度为5mm ，小车的长度200mm ，而转向轮的直径为30mm,经网上查得,橡皮轮胎与干地面之间的动摩擦因素为0.71。 根据运动轨迹路线，它须偏离直线方向35cm 以及两圆柱障碍物的实际距离为98cm ，我们采用Matlab 软件模拟得E 齿轮半径为10mm ，齿轮盘半径为64mm ，底板厚度为5mm ，轴1和轴2直径为6mm ，方向杆的长度为160mm ，方向杆与齿轮盘的连接点的半径55mm ， B 齿轮的厚度为20mm ，D 齿轮的厚度为17mm ，转向支撑块中孔的宽高大小为3-6mm ，转向轮和驱动轮的宽度为1cm 。 驱向轮所获得的摩擦阻力大约为6N,假定两驱向轮的直径为120mm,则其转矩 cm 35cm 98
无碳小车产品设计简要说明
无碳小车产品设计说明书 产品名称：飞轮驱动式无碳小车 设计团队：小组成员：李进、肖衡、谢中成指导老师：韩传军、任海涛设计思想：看到此次竞赛主题，我团队认为；能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心，我们展开了一系列的理论分析与验证，经过反复比较，最终确定了我们的设计思路：飞轮驱动与仿自行车式转向。 驱动方面，最开始，我们想到了发条，认为将重物下落的重力势能储存在发条中，在逐渐释放，能够很好地利用能量。与此同时，经过研究玩具小车的驱动机构，我们认为，可以想办法将发条与弹簧结合起来使用，通过二者驱动的时间差来达到将重物能量利用最大化的目的。但是，发条在储能和释放能量时都会消耗能量，因而能量利用率不高；并且，如何让弹簧与发条分时驱动也是一个我们始终无法解决的问题；而且，发条在释放能量后还会有阻碍驱动轮转动的问题，要解决这个问题会将小车结构弄得很复杂，因而，我们最终放弃了这种想法。而后，通过联系农村稻麦收割机的启动实例，我们想到了利用飞轮驱动，飞轮驱动结构简单，并且能够很好地解决发条能量释放后阻止驱动轮转动的问题；于此同时，我们也想到了将飞轮与弹簧联合驱动的方案，这种方案能够将能量尽可能地利用，并且只要通过传动比让弹簧驱动给后轮的速度大于飞轮能量释放后后轮的速度，就能让小车平稳前进。但是这个方案仍然存在结构复杂并造成能量消耗打的问题，经过综合考虑权衡，我们最终确定飞轮单独驱动小车的方案。 转向方面，我们主要是仿照自行车转向的方案，利用等宽凸轮控制小车自动转向。 工作原理： 主要构件如下图所示，包括储能飞轮、驱动后轮、传动齿轮、“曲柄”圆轮、连杆、转向“摇杆”和转向前轮。
S型无碳小车设计说明书知识交流
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 绪论一． 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。 小车功能设计要求1.2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，，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运2mm±400普通碳钢）铅垂下降来获得，落差 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。
无碳小车传动方案课程设计.
目录 一任务书 (1) 二方案设计分析 (2) 2.1车架 (3) 2.2原动机构 (4) 2.3传动机构 (4) 2.4转向机构 (4) 2.5行走机构 (6) 2.6微调机构 (7) 三运动参数及构件尺寸计算 (7) 3.1建立数学模型及参数确定 (7) 3.1.1能耗规律模型 (8) 3.1.2运动学分析模型 (9) 3.1.3动力学分析模型 (13) 3.1.4参数确定 (14) 四设计总结 (15) 五参考资料目录 (15)
二设计方案分析 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、自动避开障碍物。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。下面为我们设计图框（图一） 图一
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。 图二 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，车架采用木材加工制作成三角底板式。可以通过回收废木材获得，已加工。
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。 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。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 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
无碳小车设计说明书
第四届全国大学生工程训练综合能力 竞赛说明书 参赛学生：李文峰王叶飞罗永华 指导老师：于兆勤 广工现代机械团队出品
目录 无碳小车设计说明书 (2) 1 竞赛项目 (2) 2 基本原理 (2) 2.1装配视图 .............................................. 错误！未定义书签。 2.2 自动转向机构 (2) 2.3微调机构 (3) 2.4绕绳轴 (3) 2.5整体传动机构 (4) 3 主要参数的确定 (5) 3.1 行车轨迹方程 (5) 3.1.1计算小车摆角 (5) 3.2 maltab模拟小车轨迹 (7) 3.3 挑战赛 (10) 4 小车最远行走距离计算 (10) 5 制作材料 (11)
无碳小车设计说明书 1 竞赛项目 本作品是针对“8”型赛道设计的，根据第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的命题，“8”型赛道无碳小车必须能完成300～500mm间距内的绕桩运动。于是我们设计了一部周期和幅值可调的小车，并且证明可完成比赛任务。 2 基本原理 2.1 自动转向机构 为了实现小车的“8”型前进路线，我们采用凸轮滚子机构和摆动导杆机构来控制小车的转向，如图1所示。通过凸轮的旋转运动使摇杆来回摆动，从而通过滑槽改变前轮的摆动角度 图1 转向机构示意图 转向机构的机构简图如图2所示。由图可知，ABC ?各边长度可以测量得到，故可通过余玄定理求得BCA ∠的值，再利用余 ∠的值，从而可得DCE 玄定理就可求得小车前轮摆角即DEC ∠。所以摆动导杆机构不仅能使小车前轮周期性的摆动，而且有计算简单的优点。
图2 转向机构简图 2.3微调机构 在小车的行走过程中，由于加工精度和环境等因素的影响，小车的轨迹往往变化的，这时就必须有微调机构来修正误差。为了使小车准确的走出“8” 字我们设计了两组微调螺丝，如图3所示。其中螺纹组1调节总路程的大小，也就是调节“8”字的形状，螺纹组2调节“8”字的整体平移和旋转现象。 而在实际调节中往往会出现非常复杂的情况这时就需要两组螺纹共同调节。 图3 2.4绕绳轴 绕绳轴是小车的动力来源，它的好坏决定着小车的行车速度和启动力矩。结合小车启动和停止时的特性我们采用阶梯轴形状设计绕线轴，如图4所示。当小车启动时绳绕在大直径端，直径大的地方可以提供大的扭矩，有利于小车启动。当重物靠近小车时，饶绳轴直径缓慢变小，有助于重物平稳降落到小车上，减少振动和能量损失。由于本次大赛需要实现多周期行走，所以饶绳轴的直径也是会变化的，如表1所示