第一篇：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。

第二篇：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

第三篇：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

第四篇：無碳小車設計說明書

沈陽航空航天大學

無碳小車設計說明書

參賽者：

2010040601213 楊艷超 2010040601208 肖慶敏

2012-9-1

摘要

第二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MATLAB、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、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、微調機構六個模塊，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

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。

小車大多是零件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。

關鍵字：無碳小車 參數化設計 軟件輔助設計 微調機構

靈敏度分析

一、競賽基本內容

1.本屆競賽命題主題

本屆競賽命題主題為“無碳小車”。命題與高校工程訓練教學內容相銜接，體現綜合性工程能力。命題內容體現“創新設計能力、制造工藝能力、實際操作能力和工程管理能力”四個方面的要求。

2.小車功能設計要求

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。該自行小車在前行時能夠自動走成“8”字路線，綜合距離最遠者獲勝，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。

要求小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉換獲得，不可使用任何其他的能量形式。

小車要求采用三輪結構（1個轉向輪，2個驅動輪），具體結構造型以及材料選用均由參賽者自主設計完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為?60×20 mm的實心圓柱型鋼制質量塊作為載荷，其質量應不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉向輪最大外徑應不小于?30mm。

3.小車的設計方法

小車的設計一定要做到目標明確，通過對命題的分析我們得到了比較清晰開闊的設計思路。作品的設計需要有系統性規范性和創新性。設計過程中需要綜合考慮材料、加工、制造成本等給方面因素。

小車的設計是提高小車性能的關鍵。在設計方法上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MATLAB、PROE等軟件輔助設計。下面是我們設計小車的流程（如圖一）

圖一

二 方案設計

1、基本構思

通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉換、驅動自身行走、形成固定路線。為了方便設計這里根據小車所要完成的功能將小車劃分為五個部分進行模塊化設計（車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優。

基本設計圖：

圖二

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。

基于以上分析我們提出了輸出驅動力可調的繩輪式原動機構。如下圖三

如上圖我們可以通過改變繩子繞在繩輪上不同位置來改變其輸出的動力。

圖三

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。

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走固定“8”字路線的功能。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。

通過棘形輪的間歇性運動，使得小車在描紅部分時，棘輪的帶齒部分未與齒輪嚙合，前輪的轉動角度不變，當小車到達黑線軌跡部分時，棘輪的帶齒部分與齒輪嚙合，小車前輪轉向發生變化，進入下一個圓中運動，一次類推，小車不斷地重復“8”字，進行運動。

基本成型構想：

三

技術設計

技術設計階段的目標是完成詳細設計確定個零部件的的尺寸。設計的同時綜合考慮材料加工成本等各因素。

1、重要技術

如何兩軌跡中心間的距離可以在300mm~500mm之間發生變化？

要想達到這一目的，需要同時調節兩部分，以由大軌跡變到小軌跡為例來說明

（1）通過減小摩擦輪與摩擦盤中心之間的距離，來降低后輪與摩擦盤之間傳動比，使得小車走過一個圓軌跡時的圈數變少。

（2）增大小車前輪（即轉向輪）的轉動角度，來達到減小軌跡半徑的目的。為達到這一目的，可以在圓盤上設置一可沿一條半徑連續變化的滑塊，通過增大滑塊與圓盤中心的距離，來達到這一目的。如下：

設計圖紙：

2、小車調試方法

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，小車行走的距離等。

（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。

3、小車改進方法

由于本組小車采用膠水黏貼各處，雖然少了許多的加工成本費用，也避免了能量的過多損耗，但小車會有時出現脫膠的現象，導致無法前進，于是想法改進，使小車能量損失減少，同時故障出現的次數減少，穩定性能較好，總路線最遠，降低成本。

四 評價分析

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）多處采用微調機構，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）采用磁阻尼，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。

2、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。同時可以降低成本，節約資源。

第五篇：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