第一篇：無碳小車說明書1

目錄 一 緒論

1.1本屆競賽命題主題 1.2小車功能設(shè)計(jì)要求 1.3小車整體設(shè)計(jì)要求 1.4 小車的設(shè)計(jì)方法 二 方案設(shè)計(jì) 2.1 路徑的選擇 2.2自動轉(zhuǎn)向裝置 2.2.1 前輪轉(zhuǎn)向裝置 2.2.2 差速轉(zhuǎn)向裝置 2.2.3 小結(jié) 2.3 能量轉(zhuǎn)換裝置 2.4 車架 2.5 微調(diào)部分 三 參數(shù)的設(shè)計(jì) 3.1 路徑參數(shù)的確定 3.2 自動轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定 3.2.1 前輪轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定 3.2.2 差速轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定 3.2.3 小結(jié)

3.3 能量轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)的確定 3.4 車架參數(shù)的確定 3.5 微調(diào)部分參數(shù)的確定 四 小車的工程圖 4.1 小車部分零件工程圖 4.2小車各裝置工程圖 4.3小車總裝配圖 五 評價分析 5.1小車優(yōu)缺點(diǎn) 5.2 小車的改進(jìn)方向 六 附錄 一 緒論

1.1本屆競賽命題主題 本屆競賽命題主題為“無碳小車”。要求經(jīng)過一定的前期準(zhǔn)備后，在集中比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運(yùn)行裝置，并進(jìn)行現(xiàn)場競爭性運(yùn)行考核。每個參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理4項(xiàng)成績考核作業(yè)。

1.2小車功能設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換來的。給定重力勢能為4焦耳（取g=10m/s2），比賽時統(tǒng)一用質(zhì)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(yùn)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

競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設(shè)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(shù)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 1.3小車整體設(shè)計(jì)要求

無碳小車體現(xiàn)了大學(xué)生的創(chuàng)新能力，制作加工能力，解決問題的能力。并在設(shè)計(jì)過程中需要考慮到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小車具有下列要求：

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(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。2.要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競賽場地。

3.要求小車為三輪結(jié)構(gòu)

4.小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側(cè)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(fù)上述動作，直至小車停止。

1.4小車的設(shè)計(jì)方法

首先，小車的設(shè)計(jì)一定要做到目標(biāo)明確，作品的設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮材料、加工、制造成本等方面因素。其次，為了降低小車的能量損耗，我們設(shè)計(jì)的小車主要利用齒輪傳動，因?yàn)辇X輪的能量利用率達(dá)到95%，最后，做到控制調(diào)節(jié)路徑的功能，由于齒輪便于安裝等特點(diǎn)，所以也能運(yùn)用齒輪傳動達(dá)到目的。

二 方案設(shè)計(jì)

通過對小車的功能分析，小車需要完成自動避開障礙物，驅(qū)動自身行走，重力勢能的轉(zhuǎn)換功能。所以我們將小車的設(shè)計(jì)分為以下部分，路徑的選擇，自動轉(zhuǎn)向裝置，能量轉(zhuǎn)換裝置和車架部分。

2.1路徑的選擇

因?yàn)楦傎愋≤囋谇靶袝r能夠自動交錯繞過賽道上設(shè)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。為了在通過障礙物時，行進(jìn)的距離更短，設(shè)計(jì)了如圖3的路徑。即以擺線的方法通過障礙物，然后以相切的直線到達(dá)下一障礙物，我們的路徑是圓弧和直線的結(jié)合。圖3：無碳小車路徑 2.2自動轉(zhuǎn)向裝置

為了能更好的讓小車在預(yù)計(jì)的軌道上行駛，小車的自動轉(zhuǎn)向需要考慮到前輪的自動轉(zhuǎn)向和后輪的差速轉(zhuǎn)向。所以我們設(shè)計(jì)了自動轉(zhuǎn)向裝置和差速轉(zhuǎn)向裝置。

2.2.1前輪轉(zhuǎn)向裝置

通過重物的下落，帶動齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，利用齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。并在齒輪軸上安裝齒輪，考慮到加工和經(jīng)濟(jì)效益的原因，為了能實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，需在齒輪的帶動下加入一個定軸齒輪系。在定軸輪系中，其中的一個齒輪和一連接桿鉸接在一起，連接桿在鉸接上一根直角桿，直角桿放置在水平滑槽中，組成組成水平滑動裝置，實(shí)現(xiàn)桿在水平方向上的來回?cái)[動。直角桿的另一端固定在前輪上，這樣隨著隨著直角桿的來回?cái)[動就可以實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)動。前輪轉(zhuǎn)向示意圖如圖四。其實(shí)，前輪轉(zhuǎn)向裝置分為兩部分，一部分為齒輪的傳動達(dá)到一定的傳動比，令一部分為齒輪所帶動的水平滑動機(jī)構(gòu)。

圖四: 前輪轉(zhuǎn)向示意圖 1 圖五: 前輪轉(zhuǎn)向示意圖2 圖六:前輪滑塊部分

需要注意的是，直角桿的兩桿連接部位有一個滑塊，是為了能讓直角桿做水平運(yùn)功。在齒輪軸轉(zhuǎn)動一圈的時候，小車行進(jìn)一個周期，轉(zhuǎn)彎兩次，即直角桿完成一次前后擺動即可。并且需要在拐彎時直角桿擺動，在直線運(yùn)動時，直角桿不動。小車前輪不轉(zhuǎn)彎。

2.2.2差速轉(zhuǎn)向裝置

我們知道，小車在以弧線段轉(zhuǎn)彎的過程中，兩后輪的速度是不一樣的，為了能讓小車按照預(yù)期的軌道行駛，我們設(shè)計(jì)了差速轉(zhuǎn)向裝置。并且，在轉(zhuǎn)彎過程中，加入了差速轉(zhuǎn)向就會使能量損耗減小，從而增加小車的行程。差速轉(zhuǎn)向裝置示意圖如圖七。

圖七:差速轉(zhuǎn)向裝置

在此裝置中，主要是運(yùn)用兩階梯齒輪相互嚙合，在直線行進(jìn)中，階梯齒輪的嚙合相同，在擺線行進(jìn)中，階梯齒輪的嚙合正好相反。而齒輪軸上的階梯齒輪為不完全齒輪，才能使得齒輪間的相互嚙合順利進(jìn)行。主動階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時，后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個周期長度的距離。

2.2.3小結(jié)

不管是前輪的轉(zhuǎn)動，還是差速轉(zhuǎn)向，單獨(dú)來看都可以滿足預(yù)期的軌跡。但是，為了減少能量的損耗，軌跡的精確性，我們把兩個機(jī)構(gòu)都加入了小車中。誠然，差速轉(zhuǎn)向?qū)C(jī)構(gòu)的精度要求很高，這就使轉(zhuǎn)向裝置的零件加工費(fèi)用增加，但是加入了前輪轉(zhuǎn)向裝置后，就減小了對轉(zhuǎn)向裝置的精度。考慮到兩個機(jī)構(gòu)的組合會使能量損耗增加，但我們利用的都是齒輪傳動，能量損耗率很小，前輪主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向，后輪主要負(fù)責(zé)驅(qū)動，相互影響也很小。綜上所述，我們加入了前輪轉(zhuǎn)向和差速轉(zhuǎn)向。

2.3能量轉(zhuǎn)換裝置 為了能讓小車行進(jìn)的更遠(yuǎn)，怎么將一定的總能量盡可能以高利用率的形式轉(zhuǎn)換是非常重要的問題。

為了減少能量的損耗，我們利用定滑輪，在下落過程中帶動齒輪軸轉(zhuǎn)動，從而使整個小車前進(jìn)。易知，下落過程中，輪子所帶動軸半徑的不同會導(dǎo)致軸轉(zhuǎn)動的速度不同。太小的半徑提供的力偶距太小而導(dǎo)致小車禁止不懂，太大的半徑會使重物掉落的加速度太大而增加能量的損耗，理想的狀態(tài)時重物勻速下落，這要就可以使小車前進(jìn)的路程達(dá)到最大。所以在此裝置中，我們加入了可滑動圓錐筒型裝置，即可通過滑動圓錐筒改變提供力偶距的大小，使小車行進(jìn)的路程達(dá)到最大。能量轉(zhuǎn)換裝置示意圖如圖八。

圖八:能量轉(zhuǎn)換裝置 2.4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，美觀等因素，車架采用木材加工制作成三角底板式。

三 參數(shù)的確定 3.1路徑參數(shù)的確定

在上面的討論中，我們的路徑是擺線和直線的組合，為了能讓小車更順利的轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎角度不能太小，為了能讓小車行進(jìn)的更遠(yuǎn)，必須使小車轉(zhuǎn)向的半徑不能太大。所以，確定了曲線的半徑為R?300mm，小車的寬度為a?150mm，小車轉(zhuǎn)角??36.7582?，經(jīng)過MATLAB擬合的曲線如圖十。

軌跡方程為 對方程求積分，得到曲線的長度為))))A1A2?A3A4?192.47mm； B1B2?B3B4?144.35mm； C1C2?C3C4?240.58mm； 曲線的長度為

A2A3?A4A5?854.40mm； B2B3?B4B5?854.40mm； B2B3?B4B5?854.40mm。3.2自動轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定

自動轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定包含前輪轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定和后輪差速轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定。參數(shù)的確定有利于判斷小車的設(shè)計(jì)是否合理，小車能否完成預(yù)計(jì)的軌道等實(shí)際問題。這里，我們假設(shè)齒輪軸每轉(zhuǎn)一周，小車行進(jìn)一個周期。

3.2.1前輪轉(zhuǎn)向裝置參數(shù)的確定

前輪轉(zhuǎn)向裝置是為了更好的按照規(guī)定的軌跡行進(jìn)，我們把前輪安裝在車架中間，則行進(jìn)的軌跡為A1A2A3A4。前輪自動轉(zhuǎn)向裝置簡圖如圖十一。

圖十一：前輪自動轉(zhuǎn)向裝置簡圖

又因?yàn)榍拜嗈D(zhuǎn)彎時需要行進(jìn)的距離為S2?192.47mm，直線需要行進(jìn)的距離為L2?854.40mm，對應(yīng)的，小車轉(zhuǎn)彎時，齒輪軸上的齒輪z1旋轉(zhuǎn)的角度為?0?33.1?，小車直線時，齒輪z1旋轉(zhuǎn)的角度為???146.9?。此時齒輪z1為不完全齒輪，只有?0?33.1?才有齒。而齒輪軸旋轉(zhuǎn)了33.1°的時候，齒輪z4需要旋轉(zhuǎn)180°。從而傳動比i14?180??5.44。33.1? 由于i14?z1?5.44，傳動比較大，所以加入了齒輪z2和z3，根據(jù)已知的傳動比，為z4 了便于加工等原因，求得z1?30;z2?20;z3?54;z4?15。因?yàn)?0?33.1?和z1?30，加工不方便也不符合現(xiàn)實(shí)，我們進(jìn)行了修正，將z1?33;z2?22;z3?50;z4?15。這樣就考慮到實(shí)際情況也滿足預(yù)期的軌跡。

我們設(shè)計(jì)小車總長度為150mm，而齒輪系的長度以達(dá)到s??z1z2z3z416.5?11?25?7.5?60mm，所以連桿和直角桿的總長為90mm，2222 我們將在距離齒輪z4中心為5mm的地方裝一個銷釘。所以直角桿水平擺動的距離為所以我們?nèi)∵B桿的長度為30mm，直角桿的一端長度為50mm。10mm。所以可以得到直角桿另一端的長度為l??5?tan? 2?5?tan19.77?15.1mm。3.2.2差速轉(zhuǎn)向裝置

在差速轉(zhuǎn)向裝置中，需要滿足在直線行進(jìn)中，階梯齒輪的嚙合相同，在擺線行進(jìn)中，階梯齒輪的嚙合正好相反，并且兩后輪所行進(jìn)的軌跡滿足曲線B1B2B3B4和C1C2C3C4,同時主

動階梯齒輪轉(zhuǎn)一圈時，后輪輪子行進(jìn)的距離應(yīng)是一個周期長度的距離。首先，由車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動分析圖，圖十二：車輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)動分析圖

可以得到： 數(shù)學(xué)表達(dá)式：02io1V1r?aW1V2rW2Woio2o1Wo io1r?a?ir 得出：o2 式中，Wo表示齒輪軸的轉(zhuǎn)速，W1和W2分別表示左右兩輪的轉(zhuǎn)速。io1和io2分別表示左右側(cè)傳動鏈的傳動比。有因?yàn)閺膱D中和我們所選擇的路徑可以得到r?22.5mm，a?7.5mm。io1r?a5??ir3。所以我們得到左右側(cè)傳動鏈的傳動比為o2 之后，進(jìn)行齒輪的分析。后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡圖如圖十三。圖十三：后輪差速轉(zhuǎn)向裝置簡圖 Z1Z3 iiZZ由圖可知左右側(cè)傳動鏈的傳動比o1，o2為2和4的相互組合。即傳動比是變化的。

Z1 Z25?33 Z當(dāng)小車行進(jìn)在第一個轉(zhuǎn)彎口時，1輪的速度小，此時可以得到：4,為了使齒輪能

夠夠相互嚙合，有Z1?Z2?Z3?Z4。通過LINGO軟件進(jìn)行計(jì)算，我們得到很多組解。為Z1Z3 ZZ了使小車的設(shè)計(jì)更加合理，左右側(cè)傳動鏈的傳動比2和4不能太大，太大會導(dǎo)致在相同

模數(shù)條件下Z1和Z3的齒數(shù)過大，也不能太小，太小會因?yàn)榧庸ぞ鹊脑虍a(chǎn)生巨大的誤差。從路徑參數(shù)的選擇中，我們知道了一個周期小車行進(jìn)的總長為S?209.3731mm。我們也知道，在齒輪軸轉(zhuǎn)動一圈的時候，小車前進(jìn)的路程為S?209.3731mm，所以通過選用合Z1 Z適的傳動比2，能夠使小車后輪的半徑在一個合理的范圍內(nèi)，綜上所述，最后，我們選擇 的是Z1?100;Z2?20;Z3?90;Z4?30;R輪?83.3mm，為了減小齒輪的半徑，以上所有 的齒輪模數(shù)都為m?1mm。

最后，我們要將小車兩后輪的運(yùn)動軌跡調(diào)整到預(yù)期的水平，實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。即最后需要滿足的是左右兩輪傳動比的相互轉(zhuǎn)換。在一個周期內(nèi)，兩輪的總長度是相同的。在將每一個周期分為兩個部分。對1輪來說，轉(zhuǎn)彎時需要行進(jìn)的距離為S1?144.35mm，直線需要行進(jìn)的距離為L1?854.40mm，此時齒輪軸所轉(zhuǎn)過的角度為180°，并且1輪的速度小于2輪，此時應(yīng)是Z3和Z4嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時Z3對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為?1?26.05?。對2輪來說，轉(zhuǎn)彎時需要行進(jìn)的距離為S3?240.58mm，直線需要行進(jìn)的距離為L3?854.40mm，此時齒輪軸所轉(zhuǎn)過的角度為180°，并且2輪的速度大于1輪，此時應(yīng)是Z1和Z2嚙合，所以轉(zhuǎn)彎時Z1對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度為?2?39.55?。由此分析可知，當(dāng)左右兩階梯齒輪夾角為?2?39.55?時，可以滿足行進(jìn)的軌跡為預(yù)期軌跡。綜上所述，可以得到我們選擇的是Z1?100;Z2?20;Z3?90;Z4?30;R輪?83.3mm，模數(shù)m?1mm，Z1和Z2為不完全齒，左右階梯齒輪在安裝時夾角為?2?39.55?。

3.2.3 小結(jié)

我們知道，不管是前輪轉(zhuǎn)向裝置還是差速轉(zhuǎn)向裝置，都必須同時滿足，后輪在轉(zhuǎn)彎的同時，前輪也需要轉(zhuǎn)動。我們從前兩問算出的，得到齒輪z1為不完全齒輪，只有?0?33.1?才有齒（一個周期中有兩個?0?33.1?），而由差速轉(zhuǎn)向知道左右階梯齒輪在安裝時夾角為?2?39.55?，雖然看起來?與?不同，但是，我們發(fā)現(xiàn)?是?和?的平均值，而通過計(jì)00212 算我們也知道，只要將?0安裝在?2中間即可。3.3能量轉(zhuǎn)換裝置的參數(shù)確定

我們知道，不同圓錐筒半徑提供不同的力偶距，使小車前進(jìn)的速度不同。我們選定R1=10mm，R2=40mm,由于有了前輪轉(zhuǎn)向裝置，齒輪z1距離齒輪軸中心的距離為15mm，所以圓錐筒最長寬度為30mm。且圓錐筒的母線與中心線的夾角為45°。則圓錐筒直徑變化范圍為20-80mm。

為了固定繩子的環(huán)繞，加入了夾角為45°的小片。利用橡皮筋固定。3.4車架裝置參數(shù)的確定

在我們的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)知道兩后輪的距離為150mm，前后輪的距離為150mm，為了方便加工并考慮到經(jīng)濟(jì)條件，我們選用的是梯形板，下底長為130mm，上底長為20mm，高為160mm。

3.4微調(diào)裝置參數(shù)的確定 差速轉(zhuǎn)向裝置是齒輪通過嚙合帶動的，誤差不會太大，且穩(wěn)定性較高。而前輪轉(zhuǎn)向裝

置中，是受桿的帶動，受到桿長和外界的影響較大，而前輪轉(zhuǎn)向裝置對小車行進(jìn)產(chǎn)生了巨大的影響。所以需要繳入微調(diào)裝置調(diào)節(jié)微調(diào)桿長，調(diào)節(jié)桿長后于預(yù)期的軌道重合。

四 小車的工程圖 4.1 小車部分零件工程圖 4.2小車各裝置工程圖 4.3小車總裝配圖 五 評價分析 5.1小車優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）小車機(jī)構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少。（2）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)。（3）采用磁阻尼，小車穩(wěn)定性提高，不致使車速過快。

缺點(diǎn)： 小車精度要求高，使得加工零件成本高，以及微調(diào)各個機(jī)構(gòu)都很費(fèi)時，避障穩(wěn)定行差，時而偏左，時而偏右。

5.2 改進(jìn)方向 首先，對于路徑的選擇，我們就可以改進(jìn)，選擇更好的路徑。對選擇路徑的要求就是使小車的轉(zhuǎn)角適中，在一個周期中行進(jìn)的距離不能太長，在過彎時，圓半徑不能盡可能的大，使過彎時小車更安全。這其實(shí)是一個求最優(yōu)解的過程，可以通過LINGO軟件進(jìn)行編程，最后得到一組最優(yōu)解。而我們是比較主觀的選擇了半徑和車寬。因?yàn)槲覀兯愠鰩讉€值后，發(fā)現(xiàn)條件基本符合。

接著,可以利用微調(diào)裝置.在實(shí)際中,由于加工精度的原因，使小車的零件達(dá)不到要求，行進(jìn)出來的路徑與預(yù)期路徑相差很大，差速轉(zhuǎn)向裝置是齒輪通過嚙合帶動的，誤差不會太大，且穩(wěn)定性較高。而前輪轉(zhuǎn)向裝置中，是受桿的帶動，受到桿長和外界的影響較大，而前輪轉(zhuǎn)向裝置對小車行進(jìn)產(chǎn)生了巨大的影響。所以需要繳入微調(diào)裝置調(diào)節(jié)微調(diào)桿長，調(diào)節(jié)桿長后于預(yù)期的軌道重合。

其次，對于圓錐筒來說，我們所設(shè)計(jì)的圓錐筒的半徑變化是主觀的，由于不知道整個小車的重量而沒有確定小車前進(jìn)所需要的最小力矩。而當(dāng)我們做出了小車以后，知道了整個小車的質(zhì)量，就可以確定車前進(jìn)所需要的最小力矩，從而確定圓錐筒的半徑變化范圍。

最后，小車的調(diào)節(jié)比較繁瑣，不方便，如果加入了可調(diào)節(jié)式齒輪機(jī)構(gòu)的話，就可以很好的應(yīng)用于很多種路況，而不是通過固定的相同距離的障礙物。小車最大的缺點(diǎn)是精度要求非常高，改進(jìn)小車的精度要求，使能調(diào)整簡單，小車便能達(dá)到很好的行走效果。

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(xiàng)目是競賽項(xiàng)目二）

一、小車整體說明

小車整體結(jié)構(gòu)上面，我們根據(jù)小車功能要求和機(jī)器的構(gòu)成（原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分），把小車分為驅(qū)動部分、轉(zhuǎn)向部分兩個模塊進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

在此基礎(chǔ)上，小車采用三輪機(jī)構(gòu)，后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向，重物下落的過程中通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)，將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車運(yùn)動的動能，在后輪驅(qū)動下，再通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的凸輪傳動，將后輪的行走轉(zhuǎn)化為前輪的轉(zhuǎn)向，以便達(dá)到預(yù)期的要求。

考慮到競賽項(xiàng)目二要求的樁距是（400±100）mm，小車車身在允許范圍內(nèi)應(yīng)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(qū)動部分

原理分析：根據(jù)小車功能要求，給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并可用來驅(qū)動小車行走的裝置。該自行小車在半張標(biāo)準(zhǔn)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?yán)@行的圈數(shù)、以及碰倒或避開障礙的多少來綜合評定成績。在設(shè)計(jì)要求中，驅(qū)動部分是將物塊重力勢能轉(zhuǎn)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(dá)到盡可能好。

機(jī)構(gòu)分析：為達(dá)到既定要求，首先，在驅(qū)動機(jī)構(gòu)上，我們通過一個繩輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車后輪的驅(qū)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(qū)動軸上，通過重物下落帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)后輪的驅(qū)動。然后，為了使小車運(yùn)動的距離達(dá)到盡可能長，我們使用了一個齒輪傳動機(jī)構(gòu)，通過齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)和傳遞，使得在繩長確定即能量一定的情況下，小車后輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)越多，進(jìn)而盡可能的增加繞行的圈數(shù)，但在這個過正中，不能因?yàn)槟Σ亮Φ那闆r而發(fā)生自鎖現(xiàn)象，在這些情況下，我們抉擇出最佳的傳動比和傳力繩。驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡圖如下

三、傳動轉(zhuǎn)向部分

要實(shí)現(xiàn)盡可能多的使小車重復(fù)完成繞八字運(yùn)動，傳動及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，此處我們來分析一下轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

基本原理：

1、傳動機(jī)構(gòu)：傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車?yán)@的圈數(shù)更多及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)必需達(dá)到傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)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(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。

2、.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。

3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)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(yōu)先考慮使用齒輪傳動。

2、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運(yùn)動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。

能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)搖桿、曲柄連桿搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。

凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭蛹玫饺我獾念A(yù)期運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：凸輪輪廓加工比較困難。在本小車設(shè)計(jì)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(yōu)點(diǎn)：運(yùn)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(gòu)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(jī)構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。缺點(diǎn)：一般情況下只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動規(guī)律或運(yùn)動軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動要求較多或較復(fù)雜時，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)往往比較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中做平面復(fù)雜運(yùn)動和作往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)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(jī)構(gòu)常用于速度較低的場合。在本小車設(shè)計(jì)中由于小車轉(zhuǎn)向頻率和傳遞的力不大故機(jī)構(gòu)可以做的比較輕，可以忽略慣性力，機(jī)構(gòu)并不復(fù)雜，利用 MATLAB 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)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(diào)機(jī)構(gòu)來解決。曲柄搖桿 結(jié)構(gòu)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(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出較好的機(jī)構(gòu)。差速轉(zhuǎn)彎 差速拐是利用兩個偏心輪作為驅(qū)動輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動半徑不一樣，從而使兩個輪子的速度不一樣，產(chǎn)生了差速。小車通過差速實(shí)現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)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(jù)需要來調(diào)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。

機(jī)構(gòu)分析：首先，要實(shí)現(xiàn)繞八字運(yùn)動，可以采用圓柱凸輪+搖桿。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臏喜郏瑘A柱凸輪做定軸轉(zhuǎn)動時，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)不斷的任意往復(fù)運(yùn)動，通過分析走八字時轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動規(guī)律可以獲得搖桿的運(yùn)動規(guī)律，以此規(guī)律為依據(jù)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(wěn)定的特點(diǎn)，我們采用齒輪傳動，通過一對嚙合的直齒輪機(jī)構(gòu)將驅(qū)動住的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡圖如下

四、理論分析

（1）小車軌跡形狀及長度

我們是根據(jù)伯努利雙扭線來設(shè)計(jì)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(yùn)動的實(shí)際情況，上圖中m,n兩點(diǎn)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(shù)功能求出不同樁距的相關(guān)數(shù)據(jù)

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(zhuǎn)角為α，因?yàn)檗D(zhuǎn)動桿的長度和前輪與轉(zhuǎn)動副的距離一定，分別可設(shè)b，a，c，利用三角函數(shù)求得桿的轉(zhuǎn)角為β=arcsin（csinα/b）(β取鈍角)，這樣溝槽的函數(shù)h=a*sin（α+β），利用h的變化設(shè)計(jì)溝槽，使輪子按照預(yù)定的軌跡轉(zhuǎn)動。

（3）小車后輪直徑齒輪傳動比

設(shè)小車運(yùn)動軌跡長度為S，驅(qū)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(jù)設(shè)計(jì)要求，小車完成一次八字，圓柱凸輪旋轉(zhuǎn)一周，后輪旋轉(zhuǎn)i 周，即

i×πD=S

D=S/πi

第三篇：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(shè)計(jì)理論推導(dǎo)............................................1 4.1總體結(jié)構(gòu).....................................................1 4.2設(shè)計(jì)方案介紹與計(jì)算分析.......................................2 4.2.1無碳小車模塊機(jī)構(gòu)介紹...................................3 5.設(shè)計(jì)總結(jié).........................................................8 6.附件

1.摘要

本作品是依據(jù)工程訓(xùn)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(yùn)行，即給定一定重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并用來驅(qū)動小車行走的裝置。該小車通過微調(diào)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動走“S“字直線繞障。此模型最大的特點(diǎn)是通過兩個不完全齒輪驅(qū)動前輪擺動，進(jìn)行可調(diào)整的周期性擺動，使前輪的擺動節(jié)拍具有可調(diào)性。本文將對無碳小車的設(shè)計(jì)過程，功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行詳細(xì)介紹，并介紹創(chuàng)新點(diǎn)。

2.引言

隨著社會科技的發(fā)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(shè)無碳社會，使得生活更加的環(huán)保，沒有任何的污染。節(jié)能、環(huán)保、方便、經(jīng)濟(jì)，是現(xiàn)代社會所提倡的。現(xiàn)在許多發(fā)達(dá)國家都把無碳技術(shù)運(yùn)用到各個領(lǐng)域，像交通，家具等，這也是我國當(dāng)今所要求以及努力的方向。針對目前這一現(xiàn)狀，我們設(shè)計(jì)了無碳小車模型，用重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(shè)計(jì)的目的是圍繞命題主題“無碳小車”，即不利用有碳資源，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化原理，利用重力勢能驅(qū)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(jié)構(gòu)相對的簡單，能夠成功的將重力勢能轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)理論推導(dǎo)

4.1總體結(jié)構(gòu)

圖 1 無碳小車總體結(jié)構(gòu)

無碳小車模型的主要機(jī)構(gòu)有驅(qū)動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)及微調(diào)機(jī)構(gòu)。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(shè)計(jì)方案介紹與計(jì)算分析 4.2.1無碳小車模塊機(jī)構(gòu)介紹

1.驅(qū)動機(jī)構(gòu)

本方案采用繩輪作為驅(qū)動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。我們采用了梯形輪使能量轉(zhuǎn)化過程中有更合適的轉(zhuǎn)矩使驅(qū)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(dá)終點(diǎn)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(jī)構(gòu)簡單，傳動效率高，且在針對不同場地導(dǎo)致的所需動力不同的情況，可通過調(diào)節(jié)繞繩位置來改變轉(zhuǎn)矩，使動力改變，增強(qiáng)適應(yīng)性。

2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 如圖，本方案采用了搖桿加兩個完全相同的不完全齒輪，實(shí)現(xiàn)可變周期性轉(zhuǎn)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(yīng)場地的需求，我們將原來的一個不完全齒輪改為兩個，實(shí)現(xiàn)了不完全齒角度差的可調(diào)性。

圖 3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

3.行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)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(guān)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(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。

由于小車是沿著曲線前進(jìn)的，后輪必定會產(chǎn)生差速。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。

雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑，由于滑動摩擦遠(yuǎn)比滾動摩擦大會損失大量能量，同時小車前進(jìn)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(qū)動可以避免雙輪同步驅(qū)動出現(xiàn)的問題，可以通過差速器或單向軸承來實(shí)現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)滿足要運(yùn)動。單向軸承實(shí)現(xiàn)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(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確，但影響有多大會不會影響小車的功能還需進(jìn)一步分析。

單輪驅(qū)動即只利用一個輪子作為驅(qū)動輪，一個為導(dǎo)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(qū)動輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動約束確定的。其效率比利用差速器高，但前進(jìn)速度不如差速器穩(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。

雙輪差速和單輪驅(qū)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(qū)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(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽纾捎脝屋嗱?qū)動。如果有條件可以通過實(shí)驗(yàn)來確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案。

4.微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)部分所要實(shí)現(xiàn)的功能分為兩個部分：一是實(shí)現(xiàn)前輪最大轉(zhuǎn)角αm的變化，二是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動周期的變化。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能不同，微調(diào)機(jī)構(gòu)也位于兩個部分。

(1)搖桿微調(diào)機(jī)構(gòu)

通過改變搖桿的長度，使被約束桿的擺動幅度增大，進(jìn)而使前輪的最大轉(zhuǎn)角αm發(fā)生改變。為了使αm的改變具有連續(xù)性，使小車可以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，此處采用微調(diào)滑塊（配有螺母緊固滑塊）式機(jī)構(gòu)。其調(diào)節(jié)具有連續(xù)性，且調(diào)節(jié)精 度較高。

圖 4 搖桿微調(diào)機(jī)構(gòu)

(2)不完全齒輪微調(diào)機(jī)構(gòu) 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(fā)生改變，即：從動輪做時停時轉(zhuǎn)的間歇運(yùn)動，而停、轉(zhuǎn)的時間長度發(fā)生改。

通過這一點(diǎn)可以調(diào)節(jié)行走路線中，長度路徑和轉(zhuǎn)彎路徑的長度。通過兩個微

圖 5 不完全齒輪機(jī)構(gòu)

調(diào)機(jī)構(gòu)的合理配合，基本可以實(shí)際行走任意路徑。4.2.2無碳小車設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)

1.運(yùn)動原理

如上圖所示，重物下降時帶動繩輪的轉(zhuǎn)動，繩輪的轉(zhuǎn)動帶動輪的轉(zhuǎn)動，通過線傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，再通過連桿將轉(zhuǎn)盤周期性的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為前輪的擺動。由后輪的直線運(yùn)動與前輪的擺動運(yùn)動結(jié)合一起，從而實(shí)現(xiàn)了近似正弦曲線的運(yùn)動軌跡，完成任務(wù)。

2.尺寸分析

通過調(diào)節(jié)微調(diào)裝置，即：兩不完全齒輪角度配合，及微調(diào)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(shè)r已知，8個未知數(shù)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(diào)整后輪的半徑似乎更能影響軌跡，實(shí)質(zhì)上并非如此，但是的確會影響轉(zhuǎn)的圈數(shù)，詳見下）（2）設(shè)???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(dāng) ? 6 設(shè)藍(lán)色上有兩組鋸齒，每走半個“S”字，藍(lán)色齒輪轉(zhuǎn)了1圈。

另設(shè)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(guān)于藍(lán)22長，即有,由(1)的公式，可得，其中色齒輪的弧長。轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)這么多圈，相當(dāng)于成比例放大了。（半個周期里外輪轉(zhuǎn)多少圈在這里無關(guān)緊要，在其它分析里可能有用，反正也可以表出。）

由前輪傳導(dǎo)等等可以得出藍(lán)色齒輪周長尺寸路程，sblue，而對應(yīng)的走半個S字的S后輪由需要走的實(shí)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(guān)系，這個K就可以調(diào)整了。（3）關(guān)于前輪傾斜角與軌跡半徑

若設(shè)前輪所處點(diǎn)與某一后輪所處點(diǎn)的距離為L，則軌跡半R?L2sin?2，可以實(shí)驗(yàn)測得。經(jīng)過分析與測定，在實(shí)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(shù)據(jù)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(shù)為2，壓力角為20°。根據(jù)以上分析計(jì)算確定小車主要結(jié)構(gòu)的尺寸，如各個齒輪的分度圓半徑前后輪軸距，再根據(jù)主要結(jié)構(gòu)框架完成各個零件的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)見CAD裝配圖和零件圖。

5.設(shè)計(jì)總結(jié)

經(jīng)過無碳小車整體方案的設(shè)計(jì)、零件加工、無碳小車的裝配以及后期的調(diào)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(shè)計(jì)方案的思考讓我們團(tuán)隊(duì)成員學(xué)習(xí)到了很多，總結(jié)無碳小車設(shè)計(jì)方案和參賽感想如下：

1.無碳小車采用雙輪差速，機(jī)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)彎更為容易實(shí)現(xiàn)。

2.使用T型繩輪，使能量轉(zhuǎn)化過程中有更合適的轉(zhuǎn)矩使驅(qū)動力適中。3.采用多處微調(diào)機(jī)構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物。

4.使用不完全齒輪實(shí)現(xiàn)路徑改變，相同的重力勢能使小車的行程更遠(yuǎn)。5.采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠(yuǎn)。6.方案設(shè)計(jì)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(shí)際的現(xiàn)場加工條件很難達(dá)到實(shí)際需要的加工要求；微調(diào)各機(jī)構(gòu)都很費(fèi)時，且調(diào)節(jié)到適當(dāng)配合需要一定技巧性等。

第四篇：無碳小車設(shè)計(jì)說明書

無碳小車設(shè)計(jì)說明書

參賽者：

施朝雄

林秋妹

指導(dǎo)老師：羅敏峰2014-12-16

丁天熙

一、主題

設(shè)計(jì)一種小車（“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”），驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。實(shí)現(xiàn)小車可以按照樁距自動轉(zhuǎn)彎，樁距是按每50mm 跳檔在700～1300mm 范圍內(nèi)產(chǎn)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(zhuǎn)彎，并能夠繞開等距離的障礙物，需要設(shè)計(jì)一個能夠自動轉(zhuǎn)彎的機(jī)構(gòu)。

2、根據(jù)這次的比賽要求我們需要考慮設(shè)計(jì)一個可調(diào)級方案.3、為了使得小車能夠順利轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)有課微調(diào)機(jī)構(gòu)

三、方案確定

1.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，關(guān)系到小車的整體性能.通過查閱大量資料以往常用的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)有凸輪和曲柄搖桿等機(jī)構(gòu).曲柄搖桿的機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)+搖桿，通過高副接觸可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動，并且穩(wěn)定性較強(qiáng)。所以我們采用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿作為我們的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

2.調(diào)級

此次命題的難點(diǎn)就是小車過的樁距要可調(diào)節(jié)的，并且要從按每50mm 跳檔在700～1300mm 范圍內(nèi)產(chǎn)生一個“S”型賽道障礙物間距值。

我們轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用的是圓柱凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿，所以要求凸輪轉(zhuǎn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)凸輪軸上和驅(qū)動輪上的齒輪傳動比的改變從而實(shí)現(xiàn)變距，但是要實(shí)現(xiàn)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(fù)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)以上要求。

小齒輪組固定在驅(qū)動軸上，大齒輪可以根據(jù)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(diào)機(jī)構(gòu)

用螺絲可以實(shí)現(xiàn)前輪擺角的微小變化 機(jī)構(gòu)如圖所示

裝配圖

機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

大齒輪小齒輪轉(zhuǎn)向桿1后輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向桿2圓柱凸輪S型三等獎

第五篇：無碳小車設(shè)計(jì)說明書

第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜

合能力競賽 無碳小車設(shè)計(jì)說明書

院系：信息工程學(xué)院 班級：機(jī)械卓越班 隊(duì)伍名稱：啟航隊(duì)

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

無碳小車設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)思路：作品的設(shè)計(jì)做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

方案設(shè)計(jì)階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機(jī)器的構(gòu)成（原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架、原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、五個模塊，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分別針對每一個模塊進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合。我們的方案為：車架采用三角底板式、原動機(jī)構(gòu)采用了錐形軸、傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿、行走機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動。

我們先進(jìn)行原理分析，接著應(yīng)用PROE軟件進(jìn)行了小車的實(shí)體建模和部分運(yùn)動仿真。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對每一個零件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)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(shù)都可以通過手工加工出來。

目錄

方案設(shè)計(jì)..............................................1.1車架..........................................3 1.2原動機(jī)構(gòu)......................................4

1.3傳動機(jī)構(gòu)......................................5 1.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)......................................6 1.5行走機(jī)構(gòu)......................................6

2、零部件設(shè)計(jì)....................錯誤！未定義書簽。

3、整體設(shè)計(jì)......................................11

4、設(shè)計(jì)參數(shù)-------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(shè)計(jì)如下

1.2原動機(jī)構(gòu)

原動機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優(yōu)。小車對原動機(jī)構(gòu)還有其它的具體要求。1.驅(qū)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(dá)終點(diǎn)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(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進(jìn)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(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機(jī)構(gòu)簡單，效率高。

1.3傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)的功能是把動力和運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和輪上。要使小車行駛的更遠(yuǎn)及按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動必需傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)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(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，此種方式效率最高、結(jié)構(gòu)最簡單。在不考慮其它條件時這是最優(yōu)的方式。

2.帶輪具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、價格低廉、緩沖吸震等特點(diǎn)但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計(jì)。

3.齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動比穩(wěn)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(yōu)先考慮使用齒輪傳動。

1.4轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結(jié)構(gòu)簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運(yùn)動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。

曲柄連桿+搖桿

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)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(gòu)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(jī)構(gòu)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。

1.5行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)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(guān)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(yuǎn)。但由于加工問題材料問題安裝問題等等具體尺寸需要進(jìn)一步分析確定。后輪為驅(qū)動輪，前輪為轉(zhuǎn)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(shè)計(jì) 小車底板的俯視圖和左視圖：

轉(zhuǎn)向輪的連接控制機(jī)構(gòu)：

車后輪的三視圖：

齒輪的三視圖：

3、小車的整體設(shè)計(jì)：

4、設(shè)計(jì)參數(shù)

1）基本尺寸參數(shù)：

車長：200mm

車寬：180mm

車后輪D：110mm

車前輪d：22mm

齒輪：模數(shù)

1、齒數(shù)20/60/80（小車的其他參數(shù)以

三維圖為準(zhǔn)）

2）軌跡參數(shù)

根據(jù)小車行走路線近似的模擬為正弦曲線，由于實(shí)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(dǎo)得在每個位置上的轉(zhuǎn)角的正切的大小：

Y’=0.35； 我們可以得到前輪的最大轉(zhuǎn)角為36’。

而小車軌跡的弧長L=1.636m，當(dāng)振幅為0.35m時，從峰頂?shù)焦鹊讜r的弦長Lab=L*0.35*2=1.1453m，而驅(qū)動輪直徑d=182m，周長C=PI*d，由轉(zhuǎn)向的需要可以得轉(zhuǎn)動比為i=1/4