第一篇：無碳小車說明書

目錄

1.摘要..............................................................1 2.引言..............................................................1 3目的..............................................................1 4工作原理和設計理論推導............................................1 4.1總體結構.....................................................1 4.2設計方案介紹與計算分析.......................................2 4.2.1無碳小車模塊機構介紹...................................3 5.設計總結.........................................................8 6.附件

1.摘要

本作品是依據工程訓練綜合能力競賽命題主題“無碳小車”，提出一種“無碳”方法，帶動小車運行，即給定一定重力勢能，根據能量轉換原理，設計一種可將該重力勢能轉化為機械能并用來驅動小車行走的裝置。該小車通過微調裝置，能夠實現自動走“S“字直線繞障。此模型最大的特點是通過兩個不完全齒輪驅動前輪擺動，進行可調整的周期性擺動，使前輪的擺動節拍具有可調性。本文將對無碳小車的設計過程，功能結構特點等進行詳細介紹，并介紹創新點。

2.引言

隨著社會科技的發展，人們的生活水平的提高，無碳對于人們來說，顯得越來越重要，建設無碳社會，使得生活更加的環保，沒有任何的污染。節能、環保、方便、經濟，是現代社會所提倡的。現在許多發達國家都把無碳技術運用到各個領域，像交通，家具等，這也是我國當今所要求以及努力的方向。針對目前這一現狀，我們設計了無碳小車模型，用重力勢能轉化為機械能提供了一種全新的思路，以便更好的解決以上問題。

3目的

本作品設計的目的是圍繞命題主題“無碳小車”，即不利用有碳資源，根據能量轉化原理，利用重力勢能驅動帶動具有方向控制功能的小車模型。這種模型比較輕巧，結構相對的簡單，能夠成功的將重力勢能轉化為小車的動能，從而完成小車前行過程中的所有動作。

4工作原理和設計理論推導

4.1總體結構

圖 1 無碳小車總體結構

無碳小車模型的主要機構有驅動機構、轉向機構、行走機構及微調機構。主要部件如下圖2所示為小車整體模型。

圖 2 無碳小車模型

4.2設計方案介紹與計算分析 4.2.1無碳小車模塊機構介紹

1.驅動機構

本方案采用繩輪作為驅動力轉換機構。我們采用了梯形輪使能量轉化過程中有更合適的轉矩使驅動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。同時做到了到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊，提高了能量利用率。繩輪機構簡單，傳動效率高，且在針對不同場地導致的所需動力不同的情況，可通過調節繞繩位置來改變轉矩，使動力改變，增強適應性。

2.轉向機構 如圖，本方案采用了搖桿加兩個完全相同的不完全齒輪，實現可變周期性轉向。考慮到摩擦、制造、安裝誤差的敏感性等因素，我們最終選用了搖桿加不完全齒輪的方案。考慮到適應場地的需求，我們將原來的一個不完全齒輪改為兩個，實現了不完全齒角度差的可調性。

圖 3 轉向機構

3.行走機構

行走機構即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。

有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關系為

對于相同的材料 為一定值。

而滾動摩擦阻力：

M?N??

f?MR?3

N??R 所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。

由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅動，雙輪差速驅動，單輪驅動。

雙輪同步驅動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。

雙輪差速驅動可以避免雙輪同步驅動出現的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠實現滿足要運動。單向軸承實現差速的原理是但其中一個輪子速度較大時便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側隙，在主動輪從動輪切換過程中出現誤差導致運動不準確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。

單輪驅動即只利用一個輪子作為驅動輪，一個為導向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩定，傳動精度比利用單向軸承高。

雙輪差速和單輪驅動在“S”字直線繞障和“8”字繞障中都是可行的，但是相比之下，雙輪差速適合于“S“字直線繞障，而單輪驅動更加適合于8字繞障。因此我們選用雙輪差速。

綜上所述行走機構的輪子應有恰當的尺寸，采用單輪驅動。如果有條件可以通過實驗來確定實現差速的機構方案。

4.微調機構

微調部分所要實現的功能分為兩個部分：一是實現前輪最大轉角αm的變化，二是實現轉動周期的變化。根據所要實現的功能不同，微調機構也位于兩個部分。

(1)搖桿微調機構

通過改變搖桿的長度，使被約束桿的擺動幅度增大，進而使前輪的最大轉角αm發生改變。為了使αm的改變具有連續性，使小車可以適應更復雜的環境，此處采用微調滑塊（配有螺母緊固滑塊）式機構。其調節具有連續性，且調節精 度較高。

圖 4 搖桿微調機構

(2)不完全齒輪微調機構 上文也指出，本方案采用了兩個完全相同的不完全齒輪作為主動輪，兩不完全齒輪之間有夾角β，此夾角的變化會造成兩不完全齒輪對從動輪的作用時間間隔發生改變，即：從動輪做時停時轉的間歇運動，而停、轉的時間長度發生改。

通過這一點可以調節行走路線中，長度路徑和轉彎路徑的長度。通過兩個微

圖 5 不完全齒輪機構

調機構的合理配合，基本可以實際行走任意路徑。4.2.2無碳小車設計的理論指導

1.運動原理

如上圖所示，重物下降時帶動繩輪的轉動，繩輪的轉動帶動輪的轉動，通過線傳動驅動轉盤的轉動，再通過連桿將轉盤周期性的轉動轉化為前輪的擺動。由后輪的直線運動與前輪的擺動運動結合一起，從而實現了近似正弦曲線的運動軌跡，完成任務。

2.尺寸分析

通過調節微調裝置，即：兩不完全齒輪角度配合，及微調滑塊的位置，可以完成走“S”字直線繞障路線，如下圖：

圖 6 “S"字直線繞障路線

由于采用了直線與曲線配合的行走路線，可盡量減少周期路程。（1）

?v后輪??后輪r后輪??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?假設r已知，8個未知數7個方程，即只有一個自由變量：

v后輪K?r后輪rpurple?rgreenrbluer后輪rpurple???vbluergreenrblue

記于是：，則

v后輪?K?vblue，雖然不一定勻速，但可以對t積分，S后輪?K?sblue

K的物理意義在于，r后輪與rpurple的地位是等同的，其大小只會影響最后的精度，而不會影響比例（雖然看上去調整后輪的半徑似乎更能影響軌跡，實質上并非如此，但是的確會影響轉的圈數，詳見下）（2）設???0,??，軌跡半徑為R，則直線段長：弧長為

tan?R:?????R?tan?:??????3??0.826?0.453:0.547??3時，比例為1??2?/3當 ? 6 設藍色上有兩組鋸齒，每走半個“S”字，藍色齒輪轉了1圈。

另設走直線時記為P1，走弧線時記為P2，半個?字中，直線段總長S1，弧線總

s1?S1???S2s,ss1??S1??12是關于藍22長，即有,由(1)的公式，可得，其中色齒輪的弧長。轉1圈，可知

s1?s2?2?rblue?s1?r?2???blue??s2?2?(1??)?sblue，故??rblue

可確定其比例，即位置角，同時也可得出

rblue的值無本質影響（在K不變的?后輪K2?r后輪?K2?rbluer?blue）情況下）。又（其中，若增加blue的值，同時成比例增加r后輪的值，使K不變，則

K2不變，所以外輪還是轉這么多圈，相當于成比例放大了。（半個周期里外輪轉多少圈在這里無關緊要，在其它分析里可能有用，反正也可以表出。）

由前輪傳導等等可以得出藍色齒輪周長尺寸路程，sblue，而對應的走半個S字的S后輪由需要走的實際路程確定（后輪，B=Back），而

sblue與S后輪之間滿足q前述約束關系，這個K就可以調整了。（3）關于前輪傾斜角與軌跡半徑

若設前輪所處點與某一后輪所處點的距離為L，則軌跡半R?L2sin?2，可以實驗測得。經過分析與測定，在實物測定之前，我們暫

前后輪軸距L：

150mm

后輪軸長D：

100mm 后輪半徑R：

80mm 最大齒輪半徑rred：

45mm 不完全齒輪半徑rgray： 40mm 定數據如下：

最小齒輪半徑ryellow：

8mm 其次小齒輪半徑rorange：10mm 其中各齒輪的模數為2，壓力角為20°。根據以上分析計算確定小車主要結構的尺寸，如各個齒輪的分度圓半徑前后輪軸距，再根據主要結構框架完成各個零件的設計，具體設計見CAD裝配圖和零件圖。

5.設計總結

經過無碳小車整體方案的設計、零件加工、無碳小車的裝配以及后期的調試到完成參加比賽。在整個競賽參與過程中通過親手制作和對設計方案的思考讓我們團隊成員學習到了很多，總結無碳小車設計方案和參賽感想如下：

1.無碳小車采用雙輪差速，機構簡單，轉彎更為容易實現。

2.使用T型繩輪，使能量轉化過程中有更合適的轉矩使驅動力適中。3.采用多處微調機構，便于糾正軌跡，避開障礙物。

4.使用不完全齒輪實現路徑改變，相同的重力勢能使小車的行程更遠。5.采用大的驅動輪，滾阻系數小，行走距離遠。6.方案設計過程還存在許多不足之處，例如小車制造加工精度要求相對較高，使加工零件成本高，且實際的現場加工條件很難達到實際需要的加工要求；微調各機構都很費時，且調節到適當配合需要一定技巧性等。

第二篇：無碳小車說明書

無碳小車說明書

（本小組選擇的競賽項目是競賽項目二）

一、小車整體說明

小車整體結構上面，我們根據小車功能要求和機器的構成（原動機構、傳動機構、執行機構、控制部分），把小車分為驅動部分、轉向部分兩個模塊進行分析和設計。

在此基礎上，小車采用三輪機構，后輪驅動，前輪轉向，重物下落的過程中通過齒輪傳動機構，將重物的重力勢能轉化為小車運動的動能，在后輪驅動下，再通過轉向機構中的凸輪傳動，將后輪的行走轉化為前輪的轉向，以便達到預期的要求。

考慮到競賽項目二要求的樁距是（400±100）mm，小車車身在允許范圍內應盡可能小，并且行走的軌跡也要盡可能的短，這樣才能夠避免小車車身碰到障礙物或者小車駛出乒乓球桌。

二、驅動部分

原理分析：根據小車功能要求，給定一重力勢能，根據能量轉換原理，設計一種可將該重力勢能轉換為機械能并可用來驅動小車行走的裝置。該自行小車在半張標準乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上，繞相距一定距離的兩個障礙沿8字形軌跡繞行，繞行時不可以撞倒障礙物，不可以掉下球臺。以小車繞行的圈數、以及碰倒或避開障礙的多少來綜合評定成績。在設計要求中，驅動部分是將物塊重力勢能轉化為小車的動能，并在有限的動能下，使小車能夠移動盡可能多的距離，讓成績達到盡可能好。

機構分析：為達到既定要求，首先，在驅動機構上，我們通過一個繩輪驅動機構將重物的重力勢能轉化為小車后輪的驅動動能，具體就是將繩子繞過高40cm的定滑輪，一端連在重物上，另一端固定的繞在驅動軸上，通過重物下落帶動驅動軸轉動，進而實現后輪的驅動。然后，為了使小車運動的距離達到盡可能長，我們使用了一個齒輪傳動機構，通過齒輪的運轉和傳遞，使得在繩長確定即能量一定的情況下，小車后輪轉動的圈數越多，進而盡可能的增加繞行的圈數，但在這個過正中，不能因為摩擦力的情況而發生自鎖現象，在這些情況下，我們抉擇出最佳的傳動比和傳力繩。驅動結構簡圖如下

三、傳動轉向部分

要實現盡可能多的使小車重復完成繞八字運動，傳動及轉向結構是關鍵，此處我們來分析一下轉向機構。

基本原理：

1、傳動機構：傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車繞的圈數更多及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需達到傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等要求。在這些要求上我們想過以下幾種方法來解決：

1、不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅動輪子和轉向機構，此種方式效率最高、結構最簡單。在不考慮其它條件時這是最優的方式。

2、.帶輪具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。

3.齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優先考慮使用齒輪傳動。

2、轉向機構：轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障的功能。

能實現該功能的機構有：凸輪機構搖桿、曲柄連桿搖桿、曲柄搖桿、差速轉彎等等。

凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，它運動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續或不連續的任意預期往復運動。優點：只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便；缺點：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設計中由于：凸輪輪廓加工比較困難、尺寸不能夠可逆的改變、精度也很難保證、重量較大、效率低能量損失大（滑動摩擦）

曲柄連桿搖桿 優點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點：一般情況下只能近似實現給定的運動規律或運動軌跡，且設計較為復雜；當給定的運動要求較多或較復雜時，需要的構件數和運動副數往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低，不僅發生自鎖的可能性增加，而且機構運動規律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構常用于速度較低的場合。在本小車設計中由于小車轉向頻率和傳遞的力不大故機構可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機構并不復雜，利用 MATLAB 進行參數化設計并不困難，加上個鏈接可以利用軸承大大減小摩擦損耗提高效率。對于安裝誤差的敏感性問題我們可以增加微調機構來解決。曲柄搖桿 結構較為簡單，但和凸輪一樣有一個滑動的摩擦副，其效率低。其急回特性導致難以設計出較好的機構。差速轉彎 差速拐是利用兩個偏心輪作為驅動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產生了差速。小車通過差速實現拐彎避障。差速轉彎，是理論上小車能走的最遠的設計方案。和凸輪同樣，對輪子的加工精度要求很高，加工出來后也無法根據需要來調整輪子的尺寸。（由于加工和裝配的誤差是不可避免的）綜合上面分析我們選擇曲柄連桿搖桿作為小車轉向機構的方案。

機構分析：首先，要實現繞八字運動，可以采用圓柱凸輪+搖桿。設計適當的溝槽，圓柱凸輪做定軸轉動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續不斷的任意往復運動，通過分析走八字時轉向輪的運動規律可以獲得搖桿的運動規律，以此規律為依據可以分析出圓柱凸輪溝槽的軌跡。其次，要使八字盡可能多，這就要求我們必須減少能量損失，提高能量利用率。考慮到齒輪具有效率高，工作可靠，傳動比穩定的特點，我們采用齒輪傳動，通過一對嚙合的直齒輪機構將驅動住的轉動傳遞給圓柱凸輪。另外為盡量減小摩擦帶來的能量損失，可通過使用潤滑油潤滑的方式來減小摩擦。小車傳動及轉向結構簡圖如下

四、理論分析

（1）小車軌跡形狀及長度

我們是根據伯努利雙扭線來設計小車的8字軌跡，它的直角方程是（x2+y2）2=a2（x2-y2），軌跡的周長C=5.244a，雙紐線

考慮到小車運動的實際情況，上圖中m,n兩點代表兩木樁，在autoCAD中畫出mn=300mm,400mm,500mm的圖像，求出周長。然后用EXCEL的函數功能求出不同樁距的相關數據

autoCAD繪制的雙紐線

Excel表格。

（2）圓柱凸輪溝槽的確定

1/21/2通過伯努利雙扭線，解出y=?（-x2+（8a2x2+a4）/2-a2/2），yy，=-x+4ax/(8x2+a2)1/2，求出y，這樣可以求出輪子的轉角為α，因為轉動桿的長度和前輪與轉動副的距離一定，分別可設b，a，c，利用三角函數求得桿的轉角為β=arcsin（csinα/b）(β取鈍角)，這樣溝槽的函數h=a*sin（α+β），利用h的變化設計溝槽，使輪子按照預定的軌跡轉動。

（3）小車后輪直徑齒輪傳動比

設小車運動軌跡長度為S，驅動軸齒輪對與凸輪同軸齒輪的傳動比為i，后輪直徑為D。根據設計要求，小車完成一次八字，圓柱凸輪旋轉一周，后輪旋轉i 周，即

i×πD=S

D=S/πi

第三篇：無碳小車設計說明書

無碳小車設計說明書

參賽者：

施朝雄

林秋妹

指導老師：羅敏峰2014-12-16

丁天熙

一、主題

設計一種小車（“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”），驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統一使用質量為1Kg的標準砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。實現小車可以按照樁距自動轉彎，樁距是按每50mm 跳檔在700～1300mm 范圍內產生一個“S”型賽道障礙物間距值。

二、分析

1、為使得小車能夠轉彎，并能夠繞開等距離的障礙物，需要設計一個能夠自動轉彎的機構。

2、根據這次的比賽要求我們需要考慮設計一個可調級方案.3、為了使得小車能夠順利轉彎，還要解決小車后輪的差速問題

4、為了能夠減少裝配的誤差使小車的擺角能夠消除這些誤差我們還需設計有課微調機構

三、方案確定

1.轉向機構

轉向機構是本小車設計的關鍵部分，關系到小車的整體性能.通過查閱大量資料以往常用的轉彎機構有凸輪和曲柄搖桿等機構.曲柄搖桿的機構雖然簡單輕便但是可能會打滑所以我們打算用圓柱凸輪的方案圓柱凸輪機構+搖桿，通過高副接觸可以使從動件獲得連續或不連續的任意預期往復運動，并且穩定性較強。所以我們采用圓柱凸輪機構+搖桿作為我們的轉向機構。

2.調級

此次命題的難點就是小車過的樁距要可調節的，并且要從按每50mm 跳檔在700～1300mm 范圍內產生一個“S”型賽道障礙物間距值。

我們轉向機構采用的是圓柱凸輪機構+搖桿，所以要求凸輪轉一圈，小車就要通過一個s周期的路程。我們通過改變大齒輪的齒數，實現凸輪軸上和驅動輪上的齒輪傳動比的改變從而實現變距，但是要實現這么多的變距，這就要求小車要攜帶多對齒輪。但為了減少摩擦力對能量的消耗，所以小車的負重又不能太重。這就考慮小車能不能便攜式更換大齒輪，所以我們采用以下機構實現以上要求。

小齒輪組固定在驅動軸上，大齒輪可以根據要求便攜式拆卸，從而組裝出符合要求的傳動比！

3.左右輪差速

小車轉彎時左右兩輪的的速度是不一樣的，如果裝普通的深溝球軸承，是沒辦法實現差速拐彎的！要解決這個問題可以有如下兩種辦法：

1.使用差速器。但是差速器結構復雜，加工困難 2.使用單向軸承。簡單方便，而且價格合理！

所以我們采用左右兩輪各裝一個單向軸承！

3.微調機構

用螺絲可以實現前輪擺角的微小變化 機構如圖所示

裝配圖

機構運動簡圖

大齒輪小齒輪轉向桿1后輪驅動轉向桿2圓柱凸輪S型三等獎

第四篇：無碳小車設計說明書

第三屆全國大學生工程訓練綜

合能力競賽 無碳小車設計說明書

院系：信息工程學院 班級：機械卓越班 隊伍名稱：啟航隊

參賽者：劉騰飛 耿玉塊 指導老師：劉勝榮 時間：2012年12月30日葛小樂1

無碳小車設計方案

設計思路：作品的設計做到有系統性規范性和創新性；設計過程中綜合考慮材料、加工、制造成本等給方面因素。采用了PROE、CAD等軟件輔助設計。

方案設計階段根據小車功能要求我們根據機器的構成（原動機構、傳動機構、執行機構、控制部分、輔助部分）把小車分為車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、五個模塊，進行模塊化設計。分別針對每一個模塊進行多方案設計，通過綜合對比選擇出最優的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動機構采用了錐形軸、傳動機構采用齒輪傳動、轉向機構采用曲柄連桿、行走機構采用單輪驅動。

我們先進行原理分析，接著應用PROE軟件進行了小車的實體建模和部分運動仿真。在實體建模的基礎上對每一個零件進行了詳細的設計，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等。小車大多是零件是標準件、可以購買，同時除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數都可以通過手工加工出來。

目錄

方案設計..............................................1.1車架..........................................3 1.2原動機構......................................4

1.3傳動機構......................................5 1.4轉向機構......................................6 1.5行走機構......................................6

2、零部件設計....................錯誤！未定義書簽。

3、整體設計......................................11

4、設計參數-------14

1.1車架

車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加工成本等，車架用木材加工制作成三角底板式。具體設計如下

1.2原動機構

原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。能實現這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優。小車對原動機構還有其它的具體要求。1.驅動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同 的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。4.機構簡單，效率高。

1.3傳動機構

傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構驅動必需傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等。

1.不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅動輪子和轉向機構，此種方式效率最高、結構最簡單。在不考慮其它條件時這是最優的方式。

2.帶輪具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。

3.齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優先考慮使用齒輪傳動。

1.4轉向機構

轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障的功能。

曲柄連桿+搖桿

優點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。

我們選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉向機構的方案。

1.5行走機構

行走機構即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。

有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關系為

M?N??

對于相同的材料?為一定值。

而滾動摩擦阻力

f?MR?N??所以輪子越大小車受到R，的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。后輪為驅動輪，前輪為轉向輪，為減輕重量，可以挖空輪子中間的材料。

2、小車的零部件設計 小車底板的俯視圖和左視圖：

轉向輪的連接控制機構：

車后輪的三視圖：

齒輪的三視圖：

3、小車的整體設計：

4、設計參數

1）基本尺寸參數：

車長：200mm

車寬：180mm

車后輪D：110mm

車前輪d：22mm

齒輪：模數

1、齒數20/60/80（小車的其他參數以

三維圖為準）

2）軌跡參數

根據小車行走路線近似的模擬為正弦曲線，由于實際的尺寸可算得振幅為0.35mm，波長為2m，所以可以近似求出軌跡方程為：

Y=0.35sinx； 求導得在每個位置上的轉角的正切的大小：

Y’=0.35； 我們可以得到前輪的最大轉角為36’。

而小車軌跡的弧長L=1.636m，當振幅為0.35m時，從峰頂到谷底時的弦長Lab=L*0.35*2=1.1453m，而驅動輪直徑d=182m，周長C=PI*d，由轉向的需要可以得轉動比為i=1/4

第五篇：無碳小車設計說明書.

第三屆全國大學生工程訓練綜合能力

競賽

無碳小車設計說明書

參賽者：陳文 李志文 黃素昕

指導老師 ：廖志良

2013.4.1

摘要

第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題主題為“無碳小車”。在設計小車過程中特別注重設計的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設計思路；作品的設計做到有系統性規范性和創新性；設計過程中綜合考慮材料、加工、制造成本等給方面因素。我們借鑒了參數化設計、優化設計、系統設計等現代設計發發明理論方法；采用了PROE等軟件輔助設計。

我們把小車的設計分為三個階段：方案設計、技術設計、制作調試。通過每一階段的深入分析、層層把關，是我們的設計盡可能向最優設計靠攏。

方案設計階段根據小車功能要求我們根據機器的構成（原動機構、傳動機構、執行機構、控制部分、調節部分）把小車分為車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、調節機構六個模塊，進行模塊化設計。分別針對每一個模塊進行多方案設計，通過綜合對比選擇出最優的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動機構采用了錐形軸、傳動機構采用齒輪或沒有該機構、轉向機構采用曲柄連桿、行走機構采用單輪驅動實現差速、調節機構采用微調螺母螺釘。其中轉向機構利用了調心軸承、關節軸承。

技術設計階段我們先對方案建立數學模型進行理論分析，借助MATLAB分別進行了能耗規律分析、運動學分析、動力學分析、靈敏度分析。進而得出了小車的具體參數，和運動規律。接著應用PROE軟件進行了小車的實體建模和部分運動仿真。在實體建模的基礎上對每一個零件進行了詳細的設計，綜合考慮零件材料性能、加工工藝、成本等。

小車大多是零件是標準件、可以購買，同時除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多數都可以通過手工加工出來。對于塑料會采用自制的‘電鋸’切割。因為小車受力都不大，因此大量采用膠接，簡化零件及零件裝配。調試過程會通過微調等方式改變小車的參數進行試驗，在試驗的基礎上驗證小車的運動規律同時確定小車最優的參數。

目錄

一、設計要求 1.1參賽要求

二、方案設計 2.1車架 2.2原動原理 2.3傳動原理 2.4轉向原理 2.5行走原理 2.6調節原理

三、技術設計

3.1動力參數設計 3.2軌道參數設計 3.3傳動參數設計 3.4行走參數設計 3.5調節參數設計 3.6小車各部件參數

四、小車的調試

五、評價分析

一、設計要求

1.本屆競賽主題：

本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。

要求經過一定的前期準備后，在比賽現場完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進行現場競爭性運行考核。每個參賽作品要提交相關的設計、工藝、成本分析和工程管理4項報告。

2.競賽命題：以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車

設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換來的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），競賽時統一用質量為1Kg的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。

圖1： 無碳小車示意圖

要求小車行走過程中完成所有動作所需的能量均由此重力勢能轉換獲得，不可使用任何其他的能量來源。

要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。

要求小車為三輪結構，具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。3.競賽項目I：

競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設置的障礙物。障礙物為直徑20mm、高200mm的多個圓棒，沿直線等距離擺放。以小車前行的距離和成功繞障數量來綜合評定成績。見圖2。

圖2： 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖

二、方案設計 2.1車架

車架不用承受很大的力，精度要求低。考慮到重量加工成本等，車架采用有機塑料加工制作成三角底板式。

2.2原動機構

原動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。能實現這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優。小車對原動機構還有其它的具體要求。1.驅動力適中，不至于小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走。2.到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，避免對小車過大的沖擊。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。3.由于不同的場地對輪子的摩擦摩擦可能不一樣，在不同的場地小車是需要的動力也不一樣。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。4.機構簡單，效率高。

2.3傳動機構

傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車行駛的更遠及按設計的軌道精確地行駛，傳動機構必需傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單重量輕等。

1.不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅動輪子和轉向機構，此種方式效率最高、結構最簡單。在不考慮其它條件時這是最優的方式。

2.帶輪具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設計。

3.齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定但價格較高。因此在第一種方式不能夠滿足要求的情況下優先考慮使用齒輪傳動。

2.4轉向機構

轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動，帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障的功能。能實現該功能的機構有：凸輪機構+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉彎等等。

而綜合考慮后，我們決定用凸輪機構+搖桿

優點：在理論情況下能比較精確實現給定的運動軌跡且結構設計比較簡單，而且能實現連續不同障礙物間距的調節，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便。

缺點： 需要的構件數和運動副數往往比較多，這樣就使機構結構復雜，工作效率降低，而且機構運動規律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構中做平面復雜運動和作往復運動的構件所長生的慣性力難以平衡，在高速時將引起較大的振動和動載荷，故連桿機構常用于速度較低的場合。

2.5行走機構

行走機構即為三個輪子，輪子又厚薄之分，大小之別，材料之不同需要綜合考慮。

有摩擦理論知道摩擦力矩與正壓力的關系為

M?N??

對于相同的材料?為一定值。

而滾動摩擦阻力

f?MR?N??R，所以輪子越大小車受到的阻力越小，因此能夠走的更遠。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進一步分析確定。

由于小車是沿著曲線前進的，后輪必定會產生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅動，雙輪差速驅動，單輪驅動。

雙輪同步驅動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進受到過多的約束，無法確定其軌跡，不能夠有效避免碰到障礙。

雙輪差速驅動可以避免雙輪同步驅動出現的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現差速。差速器涉及到最小能耗原理，能較好的減少摩擦損耗，同時能夠實現滿足要運動。單向軸承實現差速的原理是但其中一個輪子速度較大時

便成為從動輪，速度較慢的輪子成為主動輪，這樣交替變換著。但由于單向軸承存在側隙，在主動輪從動輪切換過程中出現誤差導致運動不準確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進一步分析。

單輪驅動即只利用一個輪子作為驅動輪，一個為導向輪，另一個為從動輪。就如一輛自行車外加一個車輪一樣。從動輪與驅動輪間的差速依靠與地面的運動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進速度不如差速器穩定，傳動精度比利用單向軸承高。

綜上所述比結合實際情況采用單輪驅動。

2.6調節機構

調節機構是小車的重要部分，命題要求改變桿與桿之間的距離。而要達到這個要求，我們是通過改變小車的拐角，在小車行走相同的路程的情況下，改變小車轉向輪的偏轉弧度范圍，從而改變小車行走的水平距離。也就是通過增加小車行走路線的振幅來減少路線的波長。因此就可以實現繞過不同距離桿的目的。

要達到改變小車導向輪的拐角，我們采用的是以連桿的一端為圓心，以連桿為半徑在曲柄上多開幾個圓孔。改變連桿與曲柄連接的位置，也就是改變曲柄圓心到連桿連接端的距離來改變小車導向輪轉動的角度。從而實現繞過不同距離桿的目的。再通過改變連桿距底板中心的距離實現連續微調。

三、技術設計 3.1動力參數技術

我們采用的是物快通過定滑輪帶動梯形原動輪，而原動輪帶動同軸上的大齒輪，大齒輪再傳遞到與車輪相連的小齒輪，從而使小車向前行走。軸的原動輪的設計 3.1.1 結構圖

.圖3.1 梯形原動輪

3.1.2 分析

1）.在起始時原動輪的轉動半徑較大，起動轉矩大，有利起動。

2）.起動后，原動輪半徑變小，轉速提高，轉矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。

3）.當物塊距小車很近時，原動輪的半徑再次變小，繩子的拉力不足以使原動輪勻速轉動，但是由于物塊的慣性，仍會減速下降，原動輪的半徑變小，總轉速比提高，小車緩慢減速，直到停止，物塊停止下落，正好接觸小車。

3.1.3 梯形圓柱原動輪的作用

1，剛開始牽動繩為小車提供動力的部分是梯形圓柱的粗端，這樣能為小車提供較為快捷的動力。

2，下落物體不可避免的會和小車發生碰撞，這樣當物體快要和小車碰撞的時候牽動繩已繞到了梯形圓柱的細端，這樣能減少物體的下落速度，減少物體和小車碰撞的能量損失。

3.梯形原動輪的設計實現小車的起動和物塊的從低速到減速下落。減小因碰撞而損失的能量。

4.利用公式M=F*R,當力一定是R越大矩就越大，轉動的就越快車啟動的就快；當M已達到一定的大少保持不變R變小，F就會增大，從而使物快減速。

3.1.4參數設計

原動輪主軸半徑R=7mm 物快下降高度H=400mm 原動輪的側截面周長C=2πR=2×7×3.14=43.96mm 圈數N=H÷C=400÷43.96≈9圈

9圈且定齒輪總傳動比為1也就是大概可以繞過18個桿。

3.2軌道參數設計

32cm98cm

無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖

假設抽選的桿距為1000mm，根據小車的行走路線近似的模擬為正弦曲線，所以齒輪選擇三角函數運動規律。有實際的尺寸大小可得振幅為0.32m，波長為2m，軌跡方程近似為：

Y=0.35sinπx ；

軌道長度S=4∫（0→π/2）[1+（Y′）2]?dx 最后算得S≈2433mm 過兩個桿后小車又回到同一個位置，及完成一個周期的行走過程。而一個周期的行走位移為2000mm，路線長度S約為2433mm。

3.3傳動參數設計

3.3.1齒輪

傳動部分采用的是齒數比45：15的齒輪。

小齒輪：模數=1，齒數=15，外徑=17mm，內孔=3mm，厚度：6.5mm 大齒輪：模數=1，齒數=45，外徑=47mm，內徑=10mm，厚度：10mm

3.3.2傳動行程

傳動比（傳動系數）：齒輪比乘以后輪直徑，即為傳動比。以C代表大齒輪，F代表小齒輪，G代表齒數比，D代表傳動比，M代表轉動行程，B代表后輪直徑，它們之間關系用公式表示，即：

D=C÷F×B=GB

由此可見，齒輪比確定之后，傳動比是與后輪直徑成正比的。

傳動行程：

M=D×π=C÷F×B×π

3.3.3齒輪力的計算

題目給定重力勢能4J，重塊1kg；設總的重量為M，則 M=m（重塊）+m（載荷）+m（車)=1kg+400g+50g=1.45kg 經網上查得,橡皮輪胎與干地面之間的動摩擦因素為0.71,設驅向輪所獲得的摩擦阻力為F，則

F=Mμ=1.45kg*0.71=1.0295N≈1N

3.4行走參數設計

3.4.1后輪直徑

由于軌道的長度S是確定的，而齒輪也是固定的，根據傳動行程我們可以算出小車后輪的直徑B

S=M=D×π=C÷F×B×π=45÷15×B×3.14=2433mm ∴后輪直徑B≈258mm 3.4.2其他參數

小車導向輪直徑d定為58mm，寬為8mm，后輪直徑D為258mm，寬6mm。

3.5調節參數設計

調節參數設計是本次比賽的重點部分，也是設計中的難點，尤其是參數化這一塊，要定好調節裝置中各零件的尺寸大小，還需要大量的反復的研討與實驗，而在設計的初級階段，我們只能夠去進行各零件的估算，沒有太多的科學性。連桿L=116mm 圓柄的直徑D=50mm.而小車導向輪擺正位置是連桿接口過圓柄圓心垂直于地面位置。曲柄為逆時針旋轉，當曲柄旋轉到圓心，接口與連桿端點三點成一線時，則小車導向輪擺動的幅度最大。當接口在圓心的左邊時小車向右拐，當接口在圓心的右邊時，小車向左拐。而圓柄逆時針轉的一周，小車的導向輪就又回到了初始狀態，小車就行走一個周期，也就是小車繞過兩個桿。

3.6小車各部件參數

車身長L=300mm，車身寬140mm，厚8mm。

后輪直徑D=258mm,寬6mm，導向輪直徑58mm，寬6mm。梯形原動輪直徑14mm，長30mm。

小齒輪：模數=1，齒數=15，外徑=17mm，內孔=3mm，厚度：6.5mm 過度齒輪：

大齒輪：模數=1，齒數=45，外徑=47mm，內徑=10mm，厚度：10mm

圓柄直徑50mm，厚度8mm，連桿長150mm，直徑5mm。定滑輪直徑28mm，厚12mm，支桿長500mm，直徑5mm。

四、小車的調試

小車的調試是個很重要的過程，有了大量的理論依據支撐，還必須用大量的實踐去驗證。小車的調試涉及到很多的內容，如車速的快慢，繞過障礙物，小車整體的協調性，小車前進的距離等。

（1）小車的速度的調試：通過小車在指定的賽道上行走，測量通過指定點的時間，得到多組數據，從而得出小車行駛的速度，通過試驗，發現小車后半程速度較快，整體協調性能不是太好，于是車小了繞繩驅動軸，減小過大的驅動力同時也增大了小車前進的距離。

（2）小車避障的調試：雖然本組小車各個機構相對來說較簡單，損耗能量較少，但是避障不是很好，但與此同時，小車由于設計時采用了多組微調機構，通過觀察小車在指定賽道上行走時避障的特點，微調螺母，慢慢小車避障性能改善，并做好標記。

五 評價分析

5.1小車優缺點

優點：（1）小車機構簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少，（2）多處采用可調機構，便于糾正軌跡，避開障礙物，（3）采用大的驅動輪，滾阻系數小，行走距離遠，（4）采用梯形原動輪，小車穩定性提高，不致使車速過快，缺點： 小車精度要求高，使得加工零件成本高，以及微調各個機構都很費時，避障穩定行差，時而偏左，時而偏右。

5.2自動行走比賽時的前行距離估計

通過理論與實踐結合，小車行走距離（包括繞開障礙物）約20米。

5.3改進方向

小車最大的缺點是精度要求非常高，改進小車的精度要求，使能調整簡單，小車便能達到很好的行走效果。