第一篇：機械設計大賽 無碳小車 設計說明書

目錄

前言

第1章、緒論…………………………………………………………...4

1.1 參賽主題………………………………………………...4

1.2 功能分析………………………………………………...4

1.3 設計方法………………………………………………...4

第2章、軌跡和行走機構選型與計算………………………………6

2.1

軌跡和行走機構選型………………………………….6

2.2

軌跡參數計算………………………………………….7

第3章、控制機構選型與計算………………………….………….10

3.1

控制機構選型………………………………………...10

3.2

放大機構的設計…………………...…………………12

3.3

凸輪的設計………………………………………...…13

第4章、傳動機構選型與計算……………………………………16

4.1

傳動機構選型………………..……………………….16

4.2

齒輪系的設計…………………….…………………..16

4.2

尺寸參數校核………………………..……………….17 第5章、動力機構選型與計算………………………………………19

5.1

繞繩輪安裝位臵分析……………………………..….19

5.2

力分析…………………………………………..…….20

5.3

前輪轉向阻力矩的計算………………………...……23

5.4

彈簧勁度系數的計算……………………………….23

5.5

尺寸參數的獲取…………………………...………23

5.6

質量屬性參數的確定………………..…………….26

5.7

參數的計算…………………………………….…..27

5.8

繞繩輪最大半徑的確定……………….…………..29

第6章、微調機構簡介………………………………….……….….30

第7章、誤差分析及效率計算………………………….…………..31

7.1 誤差分析

………………………………...……….31

7.1.1 設計誤差……………………………..……………31

7.1.2 參數誤差…………………………………………31

7.1.3 加工與裝配誤差……………………...………….31

7.2 傳動效率的計算…………………………….…………32

7.2.1 動力機構效率的計算……………...…………….32

7.2.2 傳動機構效率的計算…………………………..33

7.2.3 控制機構效率的計算……………………….….34 第8章、仿真分析………………….………………………..………35

第9章、綜合評價及改進方案……………………..………………37

9.1 綜合評價………………………….…..…………..37

9.2 改進方案………………………………...………..39

第10章、參考文獻…………………………………………..…….40

第11章、附錄……………………………………………..…………..40

11.1 機構運動簡圖及裝配圖………………...…………………40

11.2 小車三維裝配圖及爆炸圖……………………….………..42

第1章、緒論

1.1 參賽主題

第三屆全國大學生工程訓練大賽的競賽主題為“無碳小車越障競賽”。這次競賽包含兩個競賽項目。第一個項目與往屆競賽相同，為小車走“S”形線路繞桿。競賽項目二為小車走“8”字形線路繞桿。通過商量，我們選擇的競賽項目為項目二。

1.2 功能分析

根據本次競賽規定，競賽項目二是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。障礙物為直徑20mm、長200mm的2個圓棒，相距一定距離放臵在半張標準乒乓球臺的中線上。

小車是在重物下落所帶來的重力勢能的作用下實現運動和轉向。因此，小車需具備能量轉換裝臵、轉向控制裝臵、驅動機構等。

1.3 設計方法

在小車的設計過程中，應該充分綜合考慮到材料、加工制造、生產成本等個方面因素，以保證小車的設計更加符合實際，削減理論 與實際之間的差距。

小車實現繞“8”字功能，應有相應的軌跡，因此，在進行小車的機構設計時可采用從小車的理論軌跡入手，逆向進行機構設計的方法。在進行機構設計時，應采用發散思維，注意機構的選型與組合，應充分考慮到各機構間的相互關系以及整體效應，注意及時對機構進行調整。

小車的設計方法是保證小車技術含量的關鍵，在設計方法上，我們在關鍵部分采用參數化組合設計，以保證設計精度和方案的可行性。再設計流程上，我們循序漸進步步為營，同時兼顧全局。下面是我們的設計流程圖。

圖1-1 第2章、軌跡和行走機構選型及其

計算

2.1 軌跡和行走機構的選型

為了獲得最優的理論軌跡，我們采用列舉法，進行逐一篩選。經過商議，列舉了以下幾種軌跡：

1、雙紐線

2、互補正弦曲線

3、相切圓

4、形“8”字折線

5、其他形似“8”的曲線等 雙紐線：

其直角坐標以及極坐標方程為：(x2 + y2)2 = 2a2(x2 ? y2)，ρ^2=a^2*cos2θ，由此可知極坐標下曲線上任何一點的曲率半徑為R?2a3cos2?。

通過分析，雙紐線是所有曲線中經過相同距離的倆個樁的路程是最短的，同時雙紐線曲率又大變小再變大在變小，再回到出發點，運動過程沒有曲率突變，所有路程都光滑過渡。但是，由于雙紐線本身的復雜性，導致控制機構的設計的難度相當大，通過繪圖計算，發現四桿機構不能同時滿足轉向及時間上的控制，而用凸輪機構則導致 凸輪的輪廓曲線太過復雜。互補正弦曲線，相切圓，折線

正弦曲線可以用四桿機構實現，但是由于在端點處存在去兩次曲率突變。相切圓、“8”字折線可以很簡答的實現，但是也存在曲率突變的問題，這些問題都會嚴重影響小車的穩定性，因此不采用這些軌跡作為理論曲線。軌跡敲定：

為了保證小車能夠穩定實現八字運動，我們最終確定小車的理論軌跡為倆段圓弧通過倆段公切線連接。這樣既保證了小車運動過程的平穩性，又同時使得軌跡規律性強，易于控制。

針對這個想法，我們設定了倆種軌跡分別如圖（2-1）、（2-2）所示。

圖2-1

圖2-2 考慮到小車的行走機構，我們擬定了三種小車行走機構的方案，如下：

方案

一、后輪單輪驅動，其他倆輪從動 方案

二、后輪定時驅動，前輪從動 方案

三、后輪同時驅動，前輪從動

針對方案一，左輪與主動軸通過鍵連接，后輪通過軸承與主動軸相連，即可實現轉彎時的差速，簡單有效。

針對方案二，采用齒輪系分別驅動左右后輪，其中用互補的的不完全齒輪定時驅動左輪右輪。針對方案三，通過在后輪主動軸上安裝差速器來實現差速。通過分析，方案一不能實現軌跡圖（2-1），方案二不能實現軌跡圖（2-2），方案三則能實現倆種軌跡。由于方案二和方案三需要增加許多齒輪，大大的增加了成本和機構復雜度。況且，方案二的定時控制難度較大，而根據經驗方案三可靠度不高，因此，考慮到經濟效益以及可靠度，放棄了這兩種方案。最終選定的軌跡如圖（2-2）所示，實現的方式為方案一。

2.2 軌跡參數計算

理論軌跡的計算及參數確定：

假設：小車尺寸參數：小車寬為2c，輪距為b，前輪最大轉角為?

軌跡參數：中心距為2p,圓弧半徑為R，直線斜率為k，設定不可行區域為直徑為200mm的圓。

小車運動場地尺寸：長1525mm，寬1370mm。根據以上參數，建立直角坐標系，理論軌跡下，可列出以下方程：

2p+2R+2c?1500 ……..………………………………..(2-1)

2(R+2c)?1350…………………………………………..(2-2)

R?100+c ………………………………………….……..(2-3)

又小車轉彎時左輪曲率半徑滿足關系：?=

b?c…………(2-4)tan?

轉彎時，小車曲率半徑滿足??R

根據以上式子，線性規劃取合理的值，所得結果如下：

?=250mm，2p=600mm，R=250，?=38.66?

2c=150mm，b=200mm.根據以上參數，可作出小車左右輪的軌跡圖（2-1）如圖所示： 10

圖2-1

由于左輪驅動，右輪從動，故需計算左輪有關參數，如圖粉色曲線所示。測量計算得：主動輪一個周期走過的路程為 S=3219.23mm，其中直線路程為：S1=331.66*2=663.32mm，弧線路程為：S2?1278.00*2=2556 第3章、控制機構選型及計算

3.1

控制機構選型

根據小車運動的軌跡，可知小車前輪轉向為間歇運動，因此可用不完全齒輪機構，槽輪機構，凸輪機構等做小車前輪轉向的控制機構。

在假定小車速率恒定運動的情況下，設小車驅動輪的速率恒定為v，周期為T。忽略過渡階段，設小車走直線的時間為t1，走弧線的時間為t2。根據小車一個周期內的軌跡可繪制出小車運動循環圖

表3-1 小車運動循環分析 0~ t1 t1~ t1+ t2

t1+ t2~2 t1+ t2

2t1+t2~2(t1+ t2)小車啟動，走直由直線過渡到軌跡由弧線過軌跡由直線再轉線，前輪轉角為曲線，并走直渡到直線，前輪回到弧線，前輪左0度。線，前輪右轉?度。

回轉?度。

轉?度。歷時t2后回到起始點。

根據上表分析，由于t1?t2,故排不采用槽輪機構。不完全齒輪以及凸輪機構均可實現.令：T=60s，后輪半徑R1=70mm,前輪R2=20mm,左輪周長C=2?R1 則：左輪一周期內所轉過的圈數為：r1= 半個周期內，走直線所需圈數：r2=

S1 CSC 12 走曲線所需圈數：r=

3S2 C代入數據即可求得: r1=7.3194r r2=0.7541r r3=2.9262r 根據以上計算，可知，如果用不完全齒輪，在保證一定精度的情況下，導致齒輪過大，且須附加鎖止機構，因此成本科及復雜度較高。而小車實現理論軌跡所需控制簡單，只需在必要的時候驅動前輪轉向即可，而不需考慮轉向這個過程。如果用凸輪搖塊機構，只需凸輪有四段圓弧即可，所以，凸輪輪廓曲線簡單，加工難度大大降低，加工精度也可相應提高。

因此，可初步設計出凸輪搖塊機構如圖所示：

凸輪推程與推桿到搖塊的距離滿足關系：?=d?tan?

由于?=38.66?，考慮到安裝，d?10mm,則：?=8.00mm。

圖3-1

3．2

放大機構的設計

由2.1可知，?=8.00mm，推程過大，導致凸輪過渡區域過大，嚴重影響控制精度。為此，設計一個放大機構來保證控制精度。故須增加放大機構。

圖3-2 為了后續設計的方便，我們對整個控制機構做了逐步分析計算以確定其大體尺寸參數。如圖所示;

圖3-3 14 設四桿長度依次為：a,b,c,d，各桿的方向向量為：a，b，c，d。根據幾何關系有：

????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)根據小車尺寸，考慮到安裝問題，選定合適參數，令a=20mm,DE?20mm,又?=38.66?，可求得控制機構各尺寸參數如下： b=30mm,c=84mm,?1=3.76mm,?2=4.08mm。

3.3 凸輪的設計：

凸輪推程為?1=3.76mm，回程?2=4.08mm，凸輪基圓半徑為?0，偏距e=0。T=60s,小車走直線所對應凸輪的轉角為?1=

S1?180?=36.88?，走S2弧線所對應的凸輪的轉角為?2=180???1=143.12?。則推桿的運動規律如下表所示：

表3-2 凸輪運動循環分析

序號 1

凸輪運動轉角 0~36.88?

推桿運動規律 如圖位臵2所示，前輪轉角位0，推桿處于推程為?2的位臵。

36.88?~180?

推桿由?2上升到

?1+?2，之后保持遠休 180?~216.88? 回程，通過圓弧過渡，回到?2位臵，并保持休止 216.88?~360? 推桿繼續回程，推程變為0后保持休止狀態

根據推桿的運動規律，為了提高精確度，減少過渡時間，并且保證過渡平滑減少沖擊，同時考慮到整體尺寸，設定凸輪基圓半徑?0?33.92mm,滾子半徑為7mm,則大圓弧半徑為?1?38mm，小圓弧半徑為?2?30.20mm，可設計圖輪輪廓曲線如下圖（3-4）所示：

圖3-4 根據以上設計，可繪制控制機構總體部署如圖（3-5）所示：圖3-5

第4章、傳動機構及計算

4.1 傳動機構的選型

重物下落產生的動力需要經過一定的傳動機構調速后傳動到凸輪以驅動前輪轉向機構使前輪轉向。凸輪做整周定速運轉，這就要求傳動機構末端構件能做整周圓周運動，而傳動機構前端也是整周運轉構件，所以，可以考慮使用帶輪、齒輪、鏈輪為傳動主機構。由于小車整體尺寸比較小，傳動距離較短，所以帶輪以及鏈輪機構不能表現其優勢，而且這倆種機構傳動效率低，精度不夠高。再考慮到結構方面，齒輪機構是最好的選擇。

4.2 齒輪系的設計

左輪轉速：n1?S?7.3606rpm C凸輪轉速：n2?1rpm 總傳動比為：i12?7.3606?

5059? 2020因此，傳動機構由兩級直齒圓柱齒輪傳動。

考慮到小車整體尺寸以及加工精度和難度問題，取齒輪的模數為m=1.5。標準齒輪ha??1,c??0.25,各齒輪參數如下表：

表4-1 齒輪參數

序號 M Z

Alpha(壓d/毫da/毫df/毫db/毫b（齒力角)/度 米

米

米

米

寬）/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齒輪尺寸校核：

各齒輪模數等參數都一致，且Zmin=,17，如果齒數最大的齒輪滿足齒厚條件，則其他各齒輪也將滿足條件。m=1.5,z=59,alpha=20?,ha??1,c??0.25 則，分度圓齒厚：s=齒頂圓半徑 ra?基圓半徑rb?db 2?m 2da 2b齒頂圓壓力角：?a?arccos????

?r??ra?inv?a?tan?a??a

inv??tan???

則齒頂厚度：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滿足齒厚條件條件。

所以，所有齒輪都不會有齒廓變尖的情況。整理設計后的齒輪系傳動機構如下圖所示：

圖4-1 第5章、動力機構選型及計算

動力機構是驅動小車運動以及驅動前輪轉向的原動力機構，其輸入能量為鐵塊下落所提供的重力勢能，輸出為驅動軸的轉動動能。就機構的實現形式而言，用繞繩輪直接連接驅動軸作為動力輸出機構最為簡便，能量損耗最低。因此，動力機構的關鍵在于繞繩輪的設計。

小車的運動過程分為啟動—穩定運轉—停止三個階段，在啟動階段，小車需要較大的驅動力矩來推動小車前進，穩定運轉階段要求小車的加速度很小，即驅動輪的轉速基本穩定不變，停車階段主要是能量消耗完畢，動能逐漸減少的零，是自動的過程。因此，需要初步計算出小車的啟動驅動力矩以及穩定運驅動轉力矩。

5.1 繞繩輪安裝位臵的確定

理論上，繞繩輪安裝在任何一根軸上都能實現小車的驅動和轉向，但是，考慮到傳動效率以及車體穩定性問題，把繞繩輪安裝在驅動輪軸上最合適。

理由如下：如圖（4-1）定軸齒輪系

設：后輪驅動阻力矩為：Mr1，前輪轉向阻力矩為：Mr2

1、假設繞繩輪樁在齒輪2的輪軸上，重物下落通過繞繩輪產生的驅動力矩為Me，則傳遞到齒輪1所在輪軸上的力矩變為:M?MeR1，因R2此齒輪副轉動存在扭矩改變的問題，而Mr2 ?Mr1，若果繞繩輪不安 裝在驅動輪輪軸上的話，會導致齒輪系傳力負荷過大，一方面會降低傳動效率，另一方面會加速齒輪磨損，而且對齒輪的各方面性能 要求更高。因此，把繞繩輪安裝在驅動輪輪軸最合適。

5.2

控制過程力分析

根據小車的軌跡，前輪轉向機構一個周期共分為四個階段，只有在過渡階段存在力的改變，轉向力矩的計算;

前輪轉向阻力矩為：Mr2。

摩擦系數：各構件材料均采用5A05鋁合金，滑動摩擦系數為：f1?0.14，與木板的滾動摩阻系數：?1?0.36/mm，摩擦圓半徑為?，各構件長為：li，轉動副銷釘半徑為R，彈簧的勁度系數為k，推桿最大推程p,暫態推程為x。對轉向控制機構做力分想，析：

階段4：

圖5-1 過渡階段4，各構件的狀態如圖（5-1）所示，對構件分別做力分析 受力分析圖（5-3）如下

圖5-2-1 23

圖5-2-2

圖5-2-3

圖5-2-4

圖5-2-5 對構件1有：

FR21??l1?cos?1????Mr2………………………………（5-1)對構件2有：

FR12?FR32………………………………………………..(5-2)對構建3有：

2FR23?…………………………...(5-3)（l3?cos????）?FR43?l3對構件4有：

FR34?cos?2?Fn?Ff54sin?3?FN54…………………………..(5-4)對構件5有：

Me5?FR45?d………………………………………………(5-5)聯立上述5式，求得：

1?Mr2l3?cos?2??cos?2?Fn2l3?l1?cos?1????d………………………(5-6)?cos?3?f?sin?3??

Me5忽略摩擦的情況下：

同樣對各構件分別做力分析可求得：

1Mr2l3?cos?2?cos?2?Fn2l3?l1?cos?1??d…………………………(5-7)?cos?3??

Me5其中：

???2?f?R………………………………………….………..….…(5-8)代入數值得：?=0.66mm…………………….................................(5-9)

Fn?k?x……………………………………………………….(5-10)

5.3

前輪轉向阻力矩的計算：

前輪在車體重力的作用下發生變形，由于力很小，前輪變形極小，故可假設前輪與地面接觸面為一半徑為R深為?h的圓柱。則，前輪轉動的阻力矩為：

積分得：

Mr2??(0RFC?2?r2?f)dr……………………(5-11)2?R

Mr2?

其中：R?2FC?R………………………………………(5-12)3????FC…………………………………………(5-13)

5.4 彈簧勁度系數的計算：

為了保證第二過渡階段彈簧能驅動前輪轉向，其勁度系數與阻力矩滿足以下關系：

Mr2????kx2………………………………………………...…..(5-14)Mr2kxl32?1………………...………………………………………..(5-15)l312 5.5 參數的獲取：

在過渡階段，前輪的轉角處于漸變階段，為了獲取合適的參數，我們采用作圖法來獲取特殊點參數，以求得最大的驅動力矩。由于實際加工與裝配過程中會有較大的誤差，因此，這些理論計算的出的數據只能作為一個參考，實際繞繩輪的大小可能還需經過一定的調整。如下圖(5-4)所示：

通過作一系列的輔助線，量取相應的尺寸即可。凸輪轉動中心到對應位臵滾子的轉動中心的距離即連心線長為h0，到滾子與凸輪接觸處切線的法線的距離為d，連心線與法線的夾角為?3。

圖5-3 測得階段四與階段二的參數如下表：

表5-1 階段四數據

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 階段二數據

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

質量相關參數的確定：

通過三維造型，設計好零件并組裝成裝配圖之后，定義了各個零件的質量屬性，通過proe分析測量，獲得了小車的質量，重心（如圖（5-5）線圈內的坐標系）等數據，記錄如下：

圖5-4 體積 = 5.7502203e+05 毫米^3 曲面面積 = 3.0700972e+05 毫米^2平均密度 = 4.0046427e-09 公噸 / 毫米^3 質量 = 2.3027578e-03 公噸

根據 PRT_CSYS_DEF 坐標邊框確定重心: X

Y

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

5.7 參數的確定

根據以上參數，可以計算出，在加上鐵塊后，各個輪子所受正壓力：設，前輪為C，后輪左輪為A，右輪為B。如圖（5-6）所示：

圖5-5 參照坐標系在m處，測得小車重心坐標系在n處。對小車整體受力分析有：

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

代入數值，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?,第四過渡階段?1?4.08mm，第二過渡階段?2?3.74mm，k=24.32 N/m 左輪的滾動摩阻：Mr1??1?(FA?FB?FC),代入數值：得Mr1?8.13Nmm 第四階段：Me5?58.20Nmm

55.75Nmm 第二階段：x?4.08??

Fn?0.14N0

0.165N

Me5=72.06Nmm 68.56Nmm 因此，加在繞繩輪上的最大阻力矩為：MR?80.19Nmm…………(5-20)5.8 繞繩輪最大半徑的確定：

如圖所示：繞繩輪的半徑為R1 鐵塊重力為G=9.8N

平衡狀態下繞繩輪的受力關系滿足下式：

G?R1?MR

代入數據，解得：

R1=8.18mm

圖5-6 至此，所車體有構件尺寸均已確定。

第6章

微調機構簡介

由于存在加工誤差和轉配誤差，并且，小車轉向存在過渡階段，因此，小車實際運動軌跡將會與理論軌跡有一定的偏差，為了是小車盡可地能實現盡量多的完整8字繞行，必要的微調機構是比不可少的。

小車轉彎的曲率半徑由車體尺寸以及前輪轉角決定，但是，車子一旦加工完成，車體尺寸無法改動，因此，可以通過改變前輪轉角來調整小車的形勢軌跡。如圖所示：

圖6-1 控制前輪轉向的搖桿通過螺釘固定連接，但是螺釘相對于搖桿的位臵式可調的，通過改變其相對位臵來改變搖桿的長度，從而調節前輪的轉角。

第7章、誤差分析及效率計算

7.1 誤差分析

7.1.1 設計誤差

在進行小車的設計時，添加了一些理想化設計，如在假定小車做勻速運動的情況下完成整個軌跡，據此選定和似的參數，設計出了前輪轉向控制機構。實際中，小車不可能做完全的勻速運動，必定會有速度的波動，此外，由于小車在轉彎時，不可能突變，過渡階段很關鍵地影響著小車的運動軌跡，雖然，我們通過放大機構來提高精度，但是，任然存在一定的誤差，因此，在控制機構的設計上存在誤差。

7.1.2 參數誤差

在第5章所進行的力分析時，采用了參數化設計，涉及到許多的參數，如鋁合金與木板的滑動摩擦因素以及滾動摩阻系數等，在計算前輪的變形時，使用的尼龍許用應力也與現實存在一定的差距。因此，在繞繩輪的設計上存在一定的誤差，但是這個誤差可以通過更換繞繩輪來的待解決。

7.1.3 加工誤差及裝配誤差

加工誤差和裝配誤差的存在，必定會導致小車運動的偏差，然而

這個誤差是可以調節的。在進行結構設計時，我們考慮到加工的問題，使設計出的零件盡可能地易于加工，減少成本，因而大大的減少了加工誤差。然而，對裝配的誤差考慮較少，造成整體結構不夠緊湊，裝配誤差比較大。因此，在后續的過程程中，應當對整體結構做相應的調整優化。

7.2 效率的計算

小車主體由動力機構、傳動機構和轉向控制機構串聯而成。令各機構的機械效率為?

1、?2、?3，則小車整體的機械效率為：

?總??1??2??3

7.2.1動力機構的機械效率

如圖

所示，繞繩輪與后輪轉軸直接固定連接，繩子與定滑輪以及繞繩輪只存在滾動摩擦（或者存在極少量的滑動摩擦，故可忽略不計），因此能量的損耗只在于滑輪與滑輪軸之間的摩擦損耗。滑輪和滑輪軸的材料都是采用5A05鋁合金，其滑動摩擦因數為f=0.14，滑輪半徑R1=22mm，滑輪與滑輪軸組成的轉動副的摩擦圓曲率半徑為??0.66mm。

對滑輪受力分析如下圖(7-1)所示：

圖7-1 對轉動中心由平衡條件可得：

T?R1?Fr???G?R1………………………………………….(7-1)

Fr?G?T……………………………………………………..(7-2)聯立可求得：

T=G?R1??……………………………………………...(7-3)R1??忽略摩擦的情況下，同理可求得：

T??G……………………………………………….……(7-4)又，?1?T……………………………………………………….(7-5)?T聯立

代入數據，求得：?1?95.9%..............................................(7-6)

7.2.2

傳動機構效率的計算

查閱資料可知，8級精度的直齒圓柱齒輪在有席油潤滑的情況下

的傳動效率為97%。由于，傳動機構為兩級齒輪副傳動，因此，可計算出傳動機構的總機械效率為：

?2?97%?97%=94.1%............................................................(7-7)

7.2.3轉向控制機構傳動效率的計算

過渡階段，前輪轉向控制機構的傳動效率可有式

計算可得。聯立式 有：

?3?Me5………………………………………………………(7-8)?Me5取最大傳動力矩位臵的參數做計算，求得：

?3=93.6%..................................................................................(7-9)綜合式(7-6)、(7-7)、(7-9)可得：

?總?84.5%..................................................................................(7-10)

第8章、仿真分析

通過對小車進行機構連接，我們對小車做了運動仿真分析。輸出了仿真動畫，以及小車前輪的轉速，角加速度和角位移圖象，如下圖所示：

圖8-1

通過測量，發現前輪最大轉角分別為：34.96度、38.46?度。與理論設計的角度38.66?存在一定的誤差。在時間上，通過測量，過渡階段主要分配在小車走弧線的階段，過渡階段的時間為3.5秒，走直線的時間為6.02秒，走弧線的時間為20.37秒。

小車前輪角速度和角加速度圖象如圖（8-2）所示，通過測量，小車前輪的最大加速度如圖第一個波峰所示，為16.05度/秒。變速階段與小車前輪角位移改變階段相對應。

圖8-2

小車前輪角加速度圖象如左圖（8-3）所示，顯然，在個別位臵加速度較大，大體變化不大，因此，小車在轉向時不會出現急轉彎導致小車失衡的情形。

圖8-3

第9章、綜合評價及方案改進

通過對小車的設計以及運動仿真分析，我們對小車做了整體的綜合評價，并提出了改進方案。

9.1 綜合評價

9.1.1

不足處

1、小車主要由凸輪四桿機構，齒輪傳動機構，以及繞繩輪動力機構組成，機構組成較復雜，零件裝配定位難度大。

2、小車整體機構分布不夠緊湊，零件分布不夠均勻。

3、小車各機構采用串聯方式連接，傳動效率不夠高。

9.1.2

優點

1、小車整體設計采用優化參數設計，控制精度高。

2、在進行機構或零件設計時充分考慮到加工與制造，因此零件相對簡單，加工難度低，加工精度高，成本低。

3、小車運動過渡階段平穩緩和，運行穩定性高。

9.2 方案改進

針對以上分析，我們提出了一下改進方案:

1、保證加工精度和一定加工成本的前提下，優化結構設計，使小車整體結構盡可能的緊湊。

2、在保證實現預定功能的前提下，優化機構設計，盡可能地提高整體機械效率，減少摩擦損耗。

3、優化機構布局，使小車重心盡可能地靠里，增強小車抵抗外界 干擾的能力。

第10章、參考文獻

【1】濮良貴，紀名剛.機械設計.8版.北京 ： 高等教育出版社，2006.【2】孫恒，陳作模.，葛文杰.機械原理.7版.北京：高等教育出版社，2006.【3】黃靖遠，高志，陳祝林.機械設計學.3版.北京：機械工業出版社，2006.【4】周增文，湯酚則，張亮峰.機械加工工藝基礎.長沙:中南大學出版社.2003.【5】徐紹軍，云忠.工程制圖.2版.長沙：中南大學出版社.2010.41

第11章、附錄

附錄

1、機構運動簡圖及裝配圖

11.1.1 機構運動簡圖

圖11-1

11.1.2 裝配圖

圖11-2

1、搖桿1

2、連桿

3、搖桿2

4、推桿

5、推桿座

6、彈簧

7、凸輪

8、軸承座1

9、齒輪3

10、齒輪2?

11、軸承座2

12、齒輪2

13、后輪軸

14、后輪

15、齒輪1

16、軸1

17、軸2

18、車板

11.2三維裝配圖及爆炸圖

圖11-3

圖11-4 44

圖11-5 45

第二篇：機械設計無碳小車課程設計說明書

目錄

一、設計任務書

??????????????????1

二、總體結構設計 ??????????????????1

三、總傳動比的設計與分配 ??????????????2

四、轉向輪軸運動參數的計算 ?????????????3

五、對軸進行結構設計與校核 ?????????????3

六、軸承的選擇與壽命計算 ??????????????3

七、潤滑劑的選擇 ??????????????????3

八、工藝設計方案 ??????????????????4

九、成本分析方案 ??????????????????5(1)生產成本概述 ?????????????????5(2)單件小批量生產類型的成本分析 ?????????5

十、工程管理方案 ??????????????????8(1)概述 ?????????????????????8(2)生產過程組織 ?????????????????8

十一、徽標設計 ???????????????????11

十二、參考文獻 ???????????????????12

十三、心得體會 ???????????????????13

十四、附件 ?????????????????????15

一、設計任務書

命題：以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車 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避開賽道上設置的障礙物（每間隔1米，放置一個直徑20mm、高200mm的彈性障礙圓棒）。以小車前行距離的遠近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。給定重力勢能為5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500±2mm，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400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。

二、總體結構設計

根據本屆大賽命題要求，我們首先確定如下設計思路： 1．驅動機構

根據能量守恒定律，要盡可能多的利用重物的重力勢能，就必須簡化結構，因此該系統不設儲能裝置，直接由重物通過細繩拉動后軸驅動。

2．轉向機構

控制轉向是該小車的核心問題之一，普通凸輪只能控制轉向輪規則擺動，在不需要轉向的時候小車仍會轉向，因此我們在此處將凸輪機構進行了進一步的優化，通過引入“太空豆”控制轉向信號，使得前輪在我們需要的時候轉向,并以此實現小車的預編程功能。

3．驅動過程

在起始時原動輪的轉動半徑較大，起動轉矩大，有利起動。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。在重塊行程末端，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。

三、總傳動比的設計與分配

后輪半徑：r= 68.5mm;繞線輪半徑：r1=3 mm;前輪半徑：r2=15.1mm 后輪與繞線輪傳動比：i=137:6 前輪與后輪傳動比：i’=137:30.2

四、轉向輪軸運動參數的計算 前輪最大擺角21.15°

五、對軸進行結構設計與校核 1．示意圖

六、軸承的選擇與壽命計算 1．軸承型號：角接觸球軸承,內徑Φ4 2．示意圖：

3．計算軸承徑向力

小車總重量M（小車自重800g、重物1kg、徽標400g、）;M=2.2kg;軸承數量n=3;軸承徑向力Ｆ=7.19Ｎ;

七、潤滑劑的選擇

選用機油進行潤滑（SH0386-1992）

八、工藝設計方案 1.確定生產綱領

根據大賽命題要求，轉向輪部分實行單件小批量生產。2.對零件進行工藝分析

由于轉向輪和輪軸均為圓柱件，故采用車削加工方式 輪軸：車削加工、鉗工、車削加工。轉向輪：車削加工、快速成型、鉗工。3.選擇毛坯

根據大賽對前輪的要求D>30mm，故選擇外徑Φ30.7的尼龍棒、根據設計要求前輪軸選Φ12的45鋼毛坯。4.擬訂工藝路線

輪軸：下料---車Φ4的軸---在Φ4的軸上攻絲---車削多余部分 轉向輪：下料---鉆Φ4孔---加工外徑Φ30的轉向輪---去除邊上的毛刺

5.確定各工序加工余量

前輪的外輪廓要大于Φ30以滿足題目要求。6.確定各工序所使用的設備、刀具和量具 車床、快速成型機、游標卡尺、各種車床刀具 7.確定各加工工序的技術要求及檢驗方法

1.車圓弧面要求比較光滑，目測。2．輪與輪軸使用過盈配合。

九、成本分析方案(1)生產成本概述

在制造企業中，產品的總成本通常包括生產成本、管理成本、財務成本和銷售成本等。在本次競賽中，由于只涉及零件的加工過程，為了簡化分析，在進行成本分析方案設計時，只考慮零件的生產成本。

生產成本，又稱制造成本，它包括圍繞生產過程以及為此所提供的勞務所發生的各項直接費用、分攤的各項間接費用，其組成如下所示：

直接材料費：生產過程中直接消耗于產品生產的各種物資 直接人工費：生產過程中直接從事產品生產的人員工資 制造費用

：發生在生產單位的制造費用

產品的生產類型不同，其工藝差別很大，成本分析方法也不同。下面以單件小批量生產類型對小車轉向輪及其輪軸進行說明。(2)單件小批量生產類型的成本分析

單件小批量生產的成本分析應根據該類型生產的工藝及管理特征來進行。單件小批量生產的組織形式一般采用通用機床，并按機群式布置；毛坯可考慮采用型材，在市場上直接購得。其零件的加工過程一般采用工序集中原則，工藝過程相對較短。成本分析從直接材料費、直接人工費和制造費用考慮。

1、直接材料費用F零件

根據零件材料的種類，可通過市場詢價確定材料的市場價格，再計算零件毛坯體積，利用式（3-1）計算零件的直接材料費用F零件。

F零件=p*m=p*(V*§)元（3-1）

其中，p為材料單價、m為零件毛坯重量、V為毛坯體積，§為材料比重。

所以，F輪軸=0.0042元/克*89.3克=0.37506元 所以，F輪

=0.025元/克*74克=1.85元

2、直接人工費S 對于單件小批量生產，直接操作機床的人工工資可按計件工資發放，可以根據不同設備操作工人的市場價格，利用式（3-2），得到單件小批量生產的直接人工費。

n S=∑Pi*Si（3-2）

I=1

其中，Pi為第i種設備的操作工人數；Si為第i種設備的操作工人工資。

所以，S輪軸= P車*S車+ P鉗*S鉗

=20元/小時*0.5小時+20元/小時*0.1小時 =12元

S輪

= P快速成型*S快速成型+ P鉗*S鉗

=20元/小時*0.5小時+20元/小時*0.2小時 =14元

3、制造費用M

制造費用是設備與廠房折舊費用、間接管理人員工資、能源、水等消耗所產生的費用，以及其它間接費用以分攤形式計入產品中。在單件小批量生產條件下，上述成本項目無法按成本發生法計算，通常簡化為機床的小時費率來計算制造費用。因此，可根據零件工藝過程各工序的時間定額和所用機床的小時費率來計算。零件的制造費用M可用式（3-3）計算。

M=T1*Q1+T2*Q2+?+Tn*Qn

（3-3）

其中，T1、T2?Tn為設備1，設備2.，?，設備n的加工時間，Q1，Q2，?Qn為設備1，設備2，?設備n的機床小時費率。所以，M車=T車*Q車=0.5小時*10元/小時=5元

M快速成型=T快速成型*Q快速成型=0.5小時*20元/小時=10元

4、生產成本C 單件小批量生產成本即為以上三者相加，即： C=F+S+M

所以，C= F輪軸+ F輪+S輪軸+S輪+M車+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

為實現安全、文明生產，包裝按期供貨，降低總成本，提高經濟效益，需進行工程管理的設計。工程管理設計放啊的主要內容包括：生產過程組織形式、人力資源配置、進度計劃與控制、質量管理、現場管理、成本管理等幾個方面。成本費用以在前一部分計算，在此不再累述。2.生產過程組織

生產過程空間組織設計：該設計主要是按專業化分工原則把工作組織起來，使產品生產過程能有效運行。專業化分工包括三種形式：工藝專業化，產品對象專業化，成組生產。空間組織設計的重點是設施布置，與專業化分工湘對應，由于我們的作品屬于單件小批量生產，因此我們將按工藝原則來布置生產，當需要用到某種機床，即選擇相應機床進行加工。

生產過程時間組織設計：該設計方式可采用順序移動方式、平行移動方式、平行順序移動方式，移動方式的選取主要由生產空間組織形式來決定。由于我們的作品生產周期短，不連續加工，所以我們將選用平行移動方式。3.人力資源配置

當接到通知后，我們馬上查閱資料進行構思，尋找出一個符合命題要求的制做方案。當我們的方案通過學校審核后，我們便開始組建團隊，在團隊組建過程中我們充分考慮人員特長組合以及課余時間 4.生產進度計劃與控制

生產周期：按照產品結構、工藝特點，主要考慮產品零件中的主要件和關鍵件在工藝上的邏輯關系，我們將生產周期設定為3小時。5.質量管理

質量管理一般以全面質量管理思想為核心，以ISO9000系列標準為依據，強調全員全過程質量管理；確保質量管理中的管理職責、質量體系和過程控制；在此基礎上形成質量體系文件。

按照工序控制設置原則：要注意先車削外圓和攻絲，最后再切斷軸端，這樣不會夾傷工件。要保證前輪的表面粗糙度小于等于R3.2 車削加工輪軸時，另外，要保證軸中的粗糙度小于等于R1.6，使得前輪與軸盡量減小摩擦。6.現場管理

現場管理是對現場中的生產要素和管理目標要素進行設計綜合治理，主要包括：“5S”管理、目視管理、看板管理、定置管理。

“5S”管理：以整理、整頓、清掃、清潔和素養為內容的活動。通過規范現場、現物，營造一目了然的工作環境，培養員工良好的工作習慣，是一種獨特的管理方法，其最終目的是提升人的品質。

目視管理：利用形象直觀而又色彩適宜的各種視覺感知信息來組織現場生產活動，達到提高勞動生產率的一種管理手段，也是一種利用視覺來進行管理的科學方法。所以目視管理是一種以公開化和視覺顯示為特征的管理方式。

看板管理：準時生產方式的看板旨在傳達信息：“何物，何時，生產多少數量，以何方式生產、搬運”。看板的信息包括：零件號碼、品名、制造編號、容器形式、容器容量、發出看板編號、移往地點、零件外觀等。及時生產方式的看板在生產線上分為兩類：領取看板和生產看板。

定置管理：是其他各項專業管理在生產現場的綜合運用和補充企業在生產活動中，研究人、物、場所三者關系的一門科學。它是通過整理，把生產過程中不需要的東西清除掉，不斷改善生產現場條件，科學地利用場所，向空間要效益；通過整頓，促進人與物的有效結合，使生產中需要的東西隨手可得，向時間要效益，從而實現生產現場管理規范化與科學化。

十一、徽標設計

★時代背景：隨著世界經濟的飛速發展和人們物質需求的日益增長，環境污染也日益嚴重，許多國家都出臺了相關政策促進節能減排。“無碳環保”成了當今世界不變的主題。

★創意：該徽標造型既是對本次大賽主題的直觀反映，亦是我們團隊對祖國未來的美好愿景：120度的箭頭是象形的“C”，也就是化學元素中的碳。徽標外形既是循環使用標志的變形也有降低碳含量的意義。然而能量是守恒的，如果要減少含碳能源的使用，我們就必須依靠一雙勤勞的雙手。就像本次大賽的重物的能量需要我們用手舉高來獲取一樣，我們倡導大家伸出雙手來支持環保，讓偉大祖國真正走上可持續發展的道路！★材料：45鋼

★制作說明：先采用雕刻機雕刻成型，再使用鉗工加工修飾。

+

十二、參考文獻

=

朱

理主編

《機械原理》 張建中、何曉玲主編

《機械設計課程設計》 徐錦康主編

《機械設計》

陳軼鳴主編

《新編機械設計課程設計圖冊》 王昆、何小柏、汪信遠主編《機械設計課程設計》 機械設計手冊編委會編寫的《機械設計手冊》 朱

理主編

《車工工藝學》 王忠宗主編 《成本分析與費用控制技巧》 希爾頓主編 《成本管理》 劉建長、程堅、施卓晨主編 《成本會計》 王文勝主編 《高效成本管理》 周鑫、張磊光主編 《機械加工技術》 賀月光、高成發 主編

《工程測量技術》 劉鐘瑩 主編的《工程估價》 馬楠 主編的《工程估價》 左用泰司 主編的的《工程管理》

十三、心得體會

經過了一個多月的努力，我們的小車終于完成了她的處女航。從最初的零件設計和小車定位計算到繪制零件圖，點點滴滴雖然包含心酸和汗水，但是當我們體會到學以致用的樂趣時，這些都不算什么了。通過這一階段的自主學習，我們明白了動手實踐的重要性。理論和實踐有時候很有很大差距的，比如小車的轉向問題，我們在理論上計算了小車的軌跡，但事實上小車的運行路線遠不像我們想象的那樣簡單，還有很多無法避免的影響因素；包括加工工藝、小車的起始角度、方向，這些因素都是無法達到我們要求的那樣精確。

通過對“無碳小車”的自主設計加工，以及對各零部件的加工工藝分析，讓我們知道加工工藝的好壞直接影響工件的成型和后續加工的連貫。

制定一個良好的加工工藝是保證零件達到要求性能的前提，也需要我們真正的開動腦筋。例如：我們使用的普通車床，所有的操作都是人為的控制，要想做出比較滿意的零件，首先要有一個科學合理的工序安排。我們拿到一個需要加工零件的零件圖時，不要急于下料加工，分析工序很重要，我們必須先制定好合理的加工工序，使待加工零件達到相應的設計標準和性能指標。同時還可以提升自己的邏輯思維能力，提高生產效率。

工程管理方案的撰寫過程讓我們還體會到了查找資料的樂趣，學會了怎樣找到自己需要的參考書籍以及參考示例。團隊成員的密切配合使得我們的工作效率得到了極大的提高。當然，在整個項目進程中，大家也避免不了分歧，大家都有自己的想法，也提出了自己認為可行的方案。經歷了數十次失敗后我們最終尋找到一套符合需要的方案。使得項目組成員在綜合分析能力、實踐動手能力、以及創新思維和創新能力的培養方面取得了長足的進步。

實踐是檢驗真理的唯一標準，在今后的日子里，我們會更加注意把理論與實踐相結合，努力學習好科學文化知識，為工程實際的應用夯實基礎。

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。