第一篇：S無碳小車結構方案

“S”無碳小車結構方案

一、設計思路

1.根據能量守恒定律，物塊下落的時能直接轉化為小車的動能，推動小車前進，此時勢能的損失最小，故小車前進的動能應有物塊的勢能直接轉化。

2.設計要求小車有自動避障的功能，小車的前進路線呈中周期性變化，但是當小車轉向時速度有損失，故其前進路線需要通過精確計算得到.3.需要對小車的結構進行分析，綜合考慮小車的加工工藝，成本，使得到的產品設計合理。

4.在設計的時候需要盡量減輕整車的質量，對小車進行受力分析，保證其行駛過程中運動平穩。

5.小車功能設計要求 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），比賽時統一用質量為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。如右圖所示：

6.小車設計要求

（1）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。

（2）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。（3）要求小車為三輪結構

（4）小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側越過一個障礙后，整體穿過賽道中線且障礙物不被撞倒（擦碰障礙，但沒碰倒者，視為通過）；重復上述動作，直至小車停止。

二、小車出發定位方案

通過對小車的功能分析，小車需要完成自動避開障礙物，驅動自身行走，重力勢能的轉換功能。所以我們將小車的設計分為以下部分，路徑的選擇，自動轉向裝置，能量轉換裝置和車架部分。小車在運動中，其運動軌跡簡化為余弦曲線圖像，通過小車的傳動比以及轉向裝置曲柄的長度計算出余弦曲線的幅值，將小車放置于幅值處。將障礙物的方向定為Y軸，X軸在水平面垂直于Y軸，畫出小車前進路線軌跡，將障礙物在軌跡圖中，找到能通過的位置，量取此時Y軸與小車出發的幅值處即為小車出發點。

三、總結和體會

在無碳小車設計，制作，調試過程中，使我在實踐中了解體驗機械設計生產過程，提高了我實際的動手能力，增強了我的專業素養，是我對于加工工藝，零件設計，機械裝配有更加深厚的了解。同時也積累了機械設計，制造的經驗，為將來走入社會，為國家社會做貢獻打下基礎。

第二篇：無碳小車制作方案（范文）

第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽

無碳小車制作方案

參賽者：陳振威 肖嘯川 鄒鎮澎

指導老師：江帆

摘要

第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的命名主題是“無碳小車”。設計過程特別注重設計方法，對制作過程的材料選擇，加工難度和成本也有更高要求。我們綜合運用參數化設計，數控加工等先進設計加工方法，采用SOLIDWORKS，CREO等軟件配合制作。

我們把小車的制作分為材料選擇，制作加工和裝配三個過程。將每個過程獨立分析又聯合考慮，通過學習提升加工人員綜合素質、充分利用已有資源，層層把關，降低加工難度，加工誤差，縮短時間和減少制作成本，一步步向最優的制作方案靠近。

根據制作方法，我們將零件分為標準件和非標準件兩種。為了制作過程更加容易完成，設計過程盡量使用標準件，然后購買。非標準件將由參賽者加工完成。

關鍵字：參數化設計 數控加工 標準件 非標準件

一、材料選擇

1.1 小車零件

標準件：M4×12盤頭螺釘和配套螺母、M8螺母、H8×M5*36+10隔離螺柱6個、1M-20齒齒輪1個、1M-80齒齒輪1個、M8立式KP08軸承座5個、臥式軸承座1個、導向輪、頂滑輪

非標準件：底板、后輪2個、后輪軸1個、大齒輪軸1個、轉片1個、轉片軸、連架桿2個、微調螺桿1個、前搖桿1個、車頂1個、載重物板、撐桿3個、連桿1個

1.2現有設備

立式升降臺銑床、立式數控加工中心、數控車床、數控銑鉆床、萬能外圓磨床、數控銑床、臺虎鉗、鋸、刻度尺

1.3非標準件材料選擇

市場上常用的機械材料有鑄鋁合金、鋁合金、碳鋼、鑄鐵、有機玻璃、合金鋼等等。從材料的成本和加工程度考慮，就數鋁合金和亞克力板（有機玻璃）最好。

鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，具有優良的導電性，導熱性和抗腐蝕性。亞克力板具有較好的透明性，化學穩定性，力學性能和耐候性，易加工，外觀優美，價格低廉等特點。通過上述分析，理應選擇亞克力板，但是機電實驗中心現有設備限制，在事件加工過程中，亞克力板的加工容易裂，無法滿足要求。綜上所述，非標準件的材料統一采用鋁合金。

二、加工制作

2.1底板、后輪、轉片、車頂、前搖桿和載物板的加工

材料：鋁合金

軟件：SOLIDWORKS、CREO 設備：立式數控加工中心、萬能外圓磨床

過程：將零件文件從SOLIDWORKS轉換格式在CREO打開 → 轉換成計算機編程語言 → 導進加工中心計算機 → 替換合適刀具 → 選擇刀具進給路徑，速度，方式 → 開始加工

注意的是，數控機床的控制還包括機床的啟動、關閉；主軸的啟停，旋轉方向和轉速的變換，冷卻液的起、關閉等。后輪在數控加工完后，應該使用萬能外圓磨床磨平輪的外圓面，操作步驟遵循磨床的操作流程。

2.2后輪軸、大齒輪軸、轉片軸、連架桿、微調螺桿、連桿和撐桿的加工： 材料：M8實心鋁棒，M8空心鋁棒

設備：臺虎鉗，鋸，板牙，絲錐，刻度尺，車床

過程：從原材料測量零件所需長度 → 臺虎鉗夾持原材料 → 鋼鋸鋸出所需長度 → 攻絲 → 套絲 → 車外圓

分析：由于軸對強度要求高，所以使用實心鋁棒，其他對強度要求不高的一律使用空心鋁棒，可以減輕小車整體重量

注意：鋸所需長度時應該稍稍預留長點，防止車床車外圓完成后，不夠尺寸要求。

三、裝配

3.1定義

機械裝配就是按照設計的技術要求實現機械零件或部件的連接，把機械零件或部件組合成機器。機械裝配是機器制造和修理的重要環節，特別是對機械修理來說，由于提供裝配的零件有利于機械制造時的情況，更使得裝配工作具有特殊性。

3.2裝配工藝

裝配工藝有清洗，平衡，刮削，螺紋連接，過盈配合聯接，膠接，校正、焊接等。裝配中充分運用銼、磨和刮削等工藝改變個別零件的尺寸、形狀和位置，使配合達到規定的精度，先裝配好每個裝配單元體，再將每個單元體組裝起來，得到完整的小車。3.3裝配過程

為了保證有效的進行裝配工作，將小車分為車架，原動機構，傳動機構，轉向機構，行走機構和微調機構6個裝配單元體。

四、誤差分析

4.1誤差來源和解決方案：

4.1.1標準件誤差

這個誤差屬于小車可以接受的范圍之內，而且非標準件的尺寸是以標準件為基準，只要改變非標準件即可

4.1.2加工誤差

無論是數控加工還是參賽者手工加工，誤差都無法避免。只有在裝配中充分運用銼、磨和刮削等工藝改變個別零件的尺寸、形狀和位置，使配合達到規定的精度。

4.1.3裝配誤差

裝配誤差是指零部件的安裝位置與裝配規格設計規定以及工藝所需要的理想位置的差異。這也是沒法避免的。在具體操作中要選擇合理的裝配基準，避免裝配基準的多次傳遞（減少累計誤差）、掌握誤差的變化規律（消除系統誤差）

五、五、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，如果速度過快，可能是繞繩驅動軸半徑過小，可以改變驅動軸半徑進行調試。

（2）小車避障的調試：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。

第三篇：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?？紤]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

第四篇：總結(無碳小車)

四川省第三屆無碳小車參賽總結

經過無碳小車的設計與制作，讓我學到了很多很多，可謂是受益匪淺。從競賽開始到小車制作完成，再到小車順利運行，期間經歷了汗水、忙碌與挑戰，我們不僅贏得了成功，而且我們收獲了失敗后走向成功的經驗。在小車的比賽中，更讓我們這些處在“大山”中的目光與眼界得以開闊，得以豐富。讓我們看到自身的不足，讓我們明白人外有人，天外有天，更讓我們學到我們所學不到的東西。

在這學期開學后的第三個星期，老師就為我們公布了無碳小車的設計制作大賽的要求，同時要求我們進行自由組合，自行設計。我們的三人組合選擇了相對簡單的S型小車，我們的設計理念為“簡單、高效、靈活”。我們一開始借助了pore三維建模軟件和機械設計、機械制圖對小車進行了最初設計，根據計算和設定了數據，然后再pore進行分析，最后我們將圖紙與方案整理了出來。在于指導老師的交流中，我們才明白，我們的很多設計僅限于理論上，在實際的加工中是不能進行的，是加工不了的。在工藝和結構上，要有可行性，對于不能加工的方案就是不合格的方案，無論怎么優秀也只是徒勞。

加工時一個漫長的過程，而就是這個漫長的過程，卻是我們不斷成長，不斷進步，不斷走向成熟的收獲之路。在制作一開始，我們就要使用車床，鉗工，雖然之前我們也有過金工實習的課程，但是，卻并沒有這次的詳細，同時對工件的精度要求也沒有這次的高。在車床的使用中，我們不僅對車床有了新的了解，更對車床的使用更加的熟練，對刀、進刀、走刀、退刀以及刀具、工件的裝夾等等都讓我們得到進一步鞏固。在鉗工車間里，雖然都是純手工工藝，很是辛苦，但正因如此，我們是專業知識成長到了另一個高度，同時即鍛煉了我們的團隊合作能力，也鍛煉了我們的動手操作能力。通過車間的加工，以及老師的指導，讓我們明白，從一定程度上，加工精度，直接影響到小車的性能好壞，同時也讓我明白了動手加工能力對我們專業的重要性。

經過近兩個月的加工，我們的小車也順利完工了，感覺工作已經完成，而實際上，更大的困難才剛剛開始。我們接下來的工作就進入小車的調試階段。最開始，我們加上重物后，小車卻一臉泰然的原地站立，這無疑給了我們巨大的打擊，之后我們開始尋找各個方面的原因，最終在齒輪嚙合上找到了原因，而我們為了小車的方便考慮，將小車的齒輪中心距改成可調式，輕松的解決了它。雖然調試過程中的問題看似簡單，但是卻是我們最致命的，如果它不能按照預定方案行走，那我們之前的一切努力都將付諸東流。這也讓我明白了，無論做什么事情，我們從頭到尾都要保持嚴謹的心態對待，因為最細微的疏忽有可能成為我們走向成功的致命一擊。

通過這一段時間的努力，我們順利的通過了學校的比賽，26號參加了四川省第三屆無碳小車比賽，在報道的第一天，我們就看到了各個對的不同樣式，不同機構，不同原理的作品。第二天開始了正式的比賽，我們的比賽分為幾個項目，三為建模與三D打印、車床使用、小車的拆裝調試與小車走樁三個項目，由于我們每組只有兩個人參加比賽，而參賽的項目安排卻讓時間相沖。我們原計劃是一個人做小車的拆裝調試，一個人做三D打印和車床，而突如其來的比賽時間安排卻讓我們措手不及，為了能夠順利完成比賽，我們采用了臨時更改計劃的方案。由培訓過三D打印的同伴臨時培訓我們沒有學過的人，在網上搜索打印軟件的界面進行培訓。雖然是第一次接觸這個東西，我們進入場地后都感覺壓力很大，因為在進打印室之前，聽到過很多參賽隊都說，他們在學校都有練習，而我們卻是第一次接觸，而且還是臨陣磨槍。進入打印室后，我感覺手都有些發抖，但看到了界面后，心里好似有點安慰。順著頭天晚上的臨時培訓，一步步的進行著，順利的完成了打印項目。因此我深有感悟，不管有多么難的事情，只要我們用心，認真對待，只要我們肯學，敢于面對困難，就沒有解決不了的事，重點在于你敢不敢去同它正面對戰。

我的第二個項目是小車的拆裝調試，在這個時候，我的隊友也完成了它的項目，同我一起進行最后一個項目，在拆裝室里，我們看到了很多的小車，有采用錐齒機構的，有凸輪機構的，也有四桿機構的，各式各樣，但在我看到的小車中，卻沒有一個采用差齒結構，而且他們的車子無論哪一輛都有著很多的結構，和我們的車比起來他們的結構可以用復雜來形容。但是，也有很大的一個特點，他們的車可以看出來，都是采用了線切割、銑床等加工出來的，比如說軸吧，我們的軸是采用C6140加工的，導致了軸出現很大的誤差，而其他學校的軸采用了銑床加工，可以達到一個很高的精度，在支架安裝上，我們采用的是尺塊劃線，打孔，固定，安裝，而采用銑床卻可以一次性加工成型，保證了孔的同軸度，為小車運行減小了誤差。同時這樣加工也讓小車外觀變得華麗。

還有最值得學習的一點就是，我們采用的傳動比的差別。我們學校所選用的傳動比均為1:6，而其他學校的傳動比卻基本維持在3~4之間，有的甚至更小1:1.5，我們巨大的傳動比，為我們穩定速度造成了很多的麻煩，首先就是啟動時需要極大的轉矩，當運行起來時，速度不能有效的控制。而且我們的齒輪模數都很小，為0.75，而其他學校的模數基本在1以上，因為大的模數可以減小齒輪嚙合時造成的誤差。我想這些都是我們所應該學習和借鑒的東西。

經過這一段時間辛苦勞作，比賽終于結束了，雖然在S型的比賽中我們只得了第二名，但是在這個過程中，卻讓我們受益匪淺，感受頗多，學到了很多的知識與技能，為我的大學生活增添了別具特色的音符，讓我們的專業水平的到很大程度的提高。同時也增強了我們的自信心。最后，特別感謝指導老師以及金工實習的老師們對我們的指導與幫助，沒有他們的指導與幫助，就沒有我們今天的成就，真心的感謝他們，同時也要感謝學校給我們的這次學習的機會，我想它會讓我們在今后的學習生活中，激勵著我們不斷前行。

無 碳 小 車 參 賽 總 結

姓名：曹 定 剛 學號：201211302038 班級：2012級機制2班車號：S211

第五篇：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?，F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?？紤]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?？紤]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。