无碳小车实验报告 (1)
机械原理课程设计报告书
设计题目: 竞赛题目无碳小车的设计
课程名称：《机械原理课程设计》
学生姓名：
学生学号：
所在学院：海洋信息工程学院
学习专业：机械设计制造及其自动化
指导教师：宫文峰
2015年12月11日目录 (2)
第一章概述 (3)
课程设计任务与目的 (3)
第一章概述
机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等有着十分重要意义。
本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进行创新设计。设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案。
课程设计目的与任务
课程设计目的
1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入和归纳；
2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神；
3）加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、
综合和工艺制作等实际工作能力；
4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力；
5）为将来从事技术工作打基础。
课程设计任务
结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生根据使用要求和功能分析，开拓思路，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。无碳小车设计的目的与任务
设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不从小车上掉落。图1为小车示意图。
小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，小车具有转
向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能。
第二章选题介绍
选题背景、意义
本设计源于6年第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”，该竞赛要求以
一个指定尺寸与质量的重块为动力源，用能量的转换来取得动能，小车能依据自动转向装置来达到绕过事先安排障碍物的目的。挑战杯是“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛的简称，是由、中国科协、和全国学联、地方省级人民政府共同主办的全国性的大学生课外学术科技创业类竞赛，承办高校为国内着名大学。“挑战杯”竞赛在中国共有两个并列项目，一个是（大挑）；另一个则是“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛（小挑）。这两个项目的全国竞赛交叉轮流开展，每个项目每两年举办一届。“挑战杯”系列竞赛被誉为中国大学生学生科技创新创业的“奥林匹克”盛会，是目前国内大学生最关注最热门的全国性竞赛，也是全国最具代表性、权威性、示范性、导向性的大学生竞赛。
随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。
第三章总体设计
方案设计
通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。经过对比各种方案的优缺点，结合实际情况选取符合合适的方案。
车架
车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量影响加工难易等，车架采用铝合金制作成三角底板式。
图一
原动机构
原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进
上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。4.机构简单，效率高。
基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮滚筒式原动机构。通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力。
传动机构
传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率高、结构最简单。但重锤很大一部分能量转换成了重锤的动能，在不考虑其它条件时这是最优的方式。
2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。
3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。
因此，比较上述几种机构选择齿轮作为小车的传动机构。
转向机构
转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、锥齿轮加曲柄摆杆机构等等。
凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。
在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）因此不采用
曲柄连杆+摇杆：
优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。
缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构在此小车暂不考虑。
曲柄摇杆
结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低。其急回特性导致难以设计出较好的机构。
锥齿轮加曲柄摆杆机构
优点：结构简单、紧凑、设计方便，其急回特性能较好的解决小车较好避开距离改变的障碍物。同时可以通过改变曲率半径做成小车行驶的微调机构。
综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。
图二
行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。 有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
对于相同的材料δ为一定值。 而滚动摩擦阻力R N R M f δ?==，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。
由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。但小车质量较小，速度不快，可以考虑不使用差速，轮可以采用双轮同步驱动。
综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，轮子边缘应竟可能与地的接触面积小。
微调机构
一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了锥齿轮加曲柄摆杆机构
方案，由于锥齿轮加曲柄摆杆机构加工误差，安装精度等，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹。
微调机构可以采用下锥齿轮下的圆盘开槽，通过微调曲率半径即可。如图
图三
由于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。因此我们设计了一种机构简单的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过试验比较得到最优的小车。
传递路线
重锤从高处往下落时，绳子拉动阶梯滚筒，带动齿轮把动力传递给驱动轮使小车往前运动。驱动轮的转动带动锥齿轮转动，锥齿轮下的转盘也跟着转动，通过摆杆往复的摆动实现导向轮周期性的摆动实现小车的转向。
第四章运动分析
用解析法进行机构的运动综合与分析
d，则有
当重物下降dh时，驱动轴（轴3）转过的角度为3
则曲柄轴（a轴2）转过的角度
小车移动的距离为（以A轮为参考）
轴1转过的角度为
b、转向：
当大锥齿轮转过的角度为1θ，曲柄转过的角度为α
则α与1θ满足以下关：
解上述方程可得1θ与α的函数关系式
c 、小车行走轨迹
只有A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度α时，如图：
则小车转弯的曲率半径为
小车行走ds 过程中，小车整体转过的角度
当小车转过的角度为β时，有
d 、小车其他轮的轨迹
以轮A 为参考，则在小车的运动坐标系中，B 的坐标()()0,21a a B +-
C 的坐标()d a C ,-
在地面坐标系中，有
由上述公式可知，调整曲柄长度及前轮中心到齿轮中心的水平距离可调整前轮摆角，从而可以改变小轨迹曲线的幅值；调整后轮半径R ，两锥齿轮的传动比可调整小车轨迹周期长度。 而传动比i3和滚筒半径R3不影响小车轨迹，影响重物下降后小车行走的路程，故其根据传动的摩擦和小车启动时所需力矩作调整，分析后I3 =2，R3=6。
通过编写程序，根据实际设定后轮半径，调整各参数为R =120，e = 55，L = 93，i1 = 3，计算得到小车运动轨迹如图所示。轨迹曲线幅值为212mm ，周期长度为2040mm 。
该方案是通过一对锥齿轮啮合传动，通过e 和L 来直接改变前轮摆角a 的大小；整个车的结构对称平衡，保证了车行驶过程中的稳定性。但同时限制了小车两个后轮之间的距离必须大于2e ，后轮间距的增加会加大车宽，因此要求轨迹曲线的幅值应足够大，以免小车绕障时撞到障碍物上。
齿轮参数的分析
小车所受摩擦力与小车中重量成正比，因此设计过程中尽量减小尺寸，从而减轻重量。对于直齿齿轮，选取模数为1。由传动比i3=2，确定轴3上的齿轮齿数Z3 = 30，轴2上与其啮合的齿轮齿数Z2 = 15。由传动比i1 = 3，确定轴2上的锥齿轮齿数Z2’ = 18，轴3上与其啮合的锥齿轮齿数Z3 = 54。
第五章设计小结
在此次课程设计中，能够把理论性的知识运用的设计中，包括我们学过的内容，如：机械原理、机械设计、工程力学、互换性技术。当然也少不少我们的据图软件，如soildworks、CAD等等，学好这些软件对我们将来的发展有巨大帮助。
首先我们大家讨论确定小车的结构。在网上我们找到了一些素材，接下来我们要做的是建模，这需要用的三维建模软件solid Works，我们确定了小车的各部分结构，在转向机构的确定过程中，刚开始想了几种方案，经过对比优缺点，我们最终采用曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。在本次实验中我们得到很大锻炼，收获颇深，首先学会了设计齿轮，并且计算齿轮的参数，如：根据模数、传动比算两个分度圆直径、齿根高、齿全高、齿宽、中心距、传动比等等。当然我们也可以用三维图画出我们所设计的无动力小车，对于soildworks有了更深层次的认识和运用。
本次实验的难点是：如何设计一对啮合齿轮，如何计算齿轮参数，如何设计小车前轮的转向，如何计算转向的幅度等等。
同时我们也是一个团队所以一定要有团队合作意识——团队成员间相互依存、同舟共济，互敬互重、礼貌谦逊；彼此宽容、尊重个性的差异；彼此间是一种信任的关系、待人真诚、遵守承诺；相互帮助、互相关怀，大家彼此共同提高；利益和成就共享、责任共担。同时信任是合作的基础和前提，它能够提高团队合作，让大家把焦点集中在工作而不是其他议题上。
需要改进几个方面：1计算参数不够完整，因为不会算。2三维图不够逼真。3没有调动好组员的积极性。4小车布局不够合理。
参考文献：
[1]孙桓，葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.
[2]李庆余，孟广耀.机械制造装备设计（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2008
[3]王斌，王衍，李润莲等.“无碳小车”的创新性设计.大同大学学报，2012,28.
[4]胡红英，于金普，包耳.无碳小车结构设计与分析.大连民族学院学报，2013,15.
[5]李刚，周致成等.S形转向运动无碳小车的改进设计研究.汽车实用技术，2014,2.
[6]姜帅琦.基于无碳小车的优化设计.高科技术研发，2014,10.
[7]刘极峰.计算机辅助设计与制造[M].高等教育出版社，2004.
[8李瑞琴.机械原理课程设计[M].电子工业出版社，2004.
无碳小车设计说明书一等奖作品
无碳小车设计说明书一等奖作品
第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛 无碳小车设计说明书 参赛者：龚雪飞赵鹏飞刘述亮 指导老师：朱政强戴莉莉 -1-16
摘要 第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求经过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发创造理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。 我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。经过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。 方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，经过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。
技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析， 借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学 分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规 律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综 合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。 小车大多是零件是标准件、能够购买，同时除部分要求加 工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都能够经过手工加工 出来。对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。因为小车受力都 不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会 经过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验 证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计微调机构灵敏 度分析 目录 摘要 (3) 一绪论 (7) 1.1本届竞赛命题主题 (7) 1.2小车功能设计要求 (7) 1.3小车整体设计要求 (8)
无碳小车实验报告
?朕井令孑科技衣浄 GUILIN UNIVER3ITT OF ELECTRONIC TECHNOLOGY 机械原理课程设计报告书 设计题目：竞赛题目无碳小车的设计 课程名称：《机械原理课程设计》 学生姓名： 学生学号： 所在学院：海洋信息工程学院 学习专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：宫文峰 2015年12月11日
目录 (2) 第一章概述 (3) 1.1 课程设计任务与目的 (3) 1.1.2 课程设计任务 (3) 1.2 无碳小车设计的目的与任务 (3) 第二章选题介绍 (4) 2.1 选题背景、意义 (4) 第三章总体设计 (4) 3.1 方案设计 (4) 3.1.3 传动机构 (5) 3.1.4 转向机构 (6) 3.1.5 行走机构 (7) 3.1.6 微调机构 (8) 第四章运动分析 (9) 4.1 用解析法进行机构的运动综合与分析 (9) 4.2 齿轮参数的分析 (12) 第五章设计小结 (12) 参考文献： (13)
第一章概述 机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等 有着十分重要意义。 本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进 行创新设计。设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经 验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依 靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案。 1.1课程设计目的与任务 1.1.1课程设计目的 1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入和归纳； 2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神； 3）加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、综合和工艺制作等实际工作能力； 4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力； 5）为将来从事技术工作打基础。 1.1.2课程设计任务 结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生根据使用要求和功能分析，开拓思路，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过 程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进 行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。 1.2无碳小车设计的目的与任务 设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而
无碳小车说明书完
无碳小车 设计说明书 2011-5-20
目录 一：摘要;：……………………………………………… 二：引言：……………………………………………… 三：任务和要求……………………………………………… 3.1设计思路……………………………………………… 3.2基本原理……………………………………………… 四：方案设计及论证……………………………………………… 4.1机械方案设计……………………………………………… 4.1.1传动系统……………………………………………… 4.1.2转向系统......................................................4.2工艺方案设计 (7) 4.3小车整体及外观设计 (8) 4.4最终方案 (8) 五：材料及成本分析 5.1小车整体材料种类 (9) 5.2小车各部位材料选择 (9) 5.3小车经济成本分析 (9) 六：参考文献……………………………………………… 七：无碳小车徽标………………………………………………
摘要 是依据竞赛命题主题“无碳小车”，提出一种“无碳”方法，带动小车的运行，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计了一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径为20mm，高为200mm的弹性障碍圆棒）。此模型最大的特点是将重力势能转化为齿轮的转动，进而根据大小齿轮的粘合带动驱动轮和转向轮，从而按照规定的路线完成任务。本文将对无碳小车模型的设计过程，结构功能特点等进行详细的介绍。 关键词：无碳小车齿轮粘合驱动轮转向轮安全高效方便灵活创新理念。
S型无碳小车设计说明书
第三届全国大学生工程训练综合能力 竞赛 无碳小车设计说明书 目录 一绪论
1.1本届竞赛命题主题 1.2小车功能设计要求 1.3小车整体设计要求 二方案设计 2.1 路径的选择 2.2 差速问题解决 2.3 重物与后轮的连接问题 2.4 转向装置 三参数的设计 3.1 路径参数的确定 3.2 其他参数 四小车的工程图 4.1小车各装配图 4.2小车CAD工程图 五功能分析 六选材与加工分析 一绪论 1.1本届竞赛命题主题 本届竞赛命题主题为“无碳小车”。要求经过一定的前期准备后，在集中比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理4项成绩考核作业。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。 1.2小车功能设计要求 设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），比赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运
动，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。 图1：无碳小车示意图 竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。见图2。 图2：无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 1.3小车整体设计要求 无碳小车体现了大学生的创新能力，制作加工能力，解决问题的能力。并在设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小车具有下列要求： 1.要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。 2.要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。 3.要求小车为三轮结构 4. 小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒（擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过）；重复上述动作，直至小车停止。
无碳小车论文
三江学院 本科毕业设计（论文） 题目前驱前转向型无碳小车的结构设计 高职院院（系）机械制造及其自动化专业学生姓名季歆伟学号 G5 指导教师徐伟职称实验师 指导教师工作单位三江学院 起讫日期 摘要 目前全球经济飞速发展，带来环境问题愈发明显，传统能源逐渐衰竭，鉴于此无碳小车的研制具有十分重要的意义。汽车虽然是21世纪最重要的交通工具，但他有许多弊端。汽车尾气污染是由汽车排放的废气造成的环境污染。可以说，汽车是一个流动的污染源。在世界各国，汽车污染早已不是新话题。20世纪40年代以来，光化学烟雾事件在美国洛杉矶、日本东京等城市多次发生，造成不少人员伤亡和巨大的经济损失！ 在能源和环保的压力下，提高旧能源汽车的效率以迫在眉睫。目前的汽柴油内燃机热效率小于30%，如果算上机械效率以及其他的能量传递损失，则总效率仅占燃料放出热能的15%左右。毫无疑问，如果能够提高热机的效率，则可在一定程度上缓解目前的石油危机。 针对题目要求拟定了无碳越障小车的总体设计方案，通过计算分析完成了无碳越障小车的结构设计，绘制了装配图和部分主要零件图，通过模拟仿真验证了预定功能。 该自行小车在前行时能够以正弦曲线或余弦曲线轨迹自动避开设置的障碍
物。此模型最大的特点是将重力势能转化为齿轮的转动，进而根据大小齿轮的粘合带动驱动轮和转向轮，从而按照规定的路线完成任务。本文将对无碳小车模型的设计过程，结构功能特点等进行详细的介绍。 关键词：无碳越障小车；环保；能量转换；结构设计 Abstract Nowadays, the global economy developing rapidly ,brings increasingly obvious environment problems and the traditional energy is going to failure gradually.Auto though is the 21st century the most important traffic tools, but he has many shortcomings. Car exhaust pollution is by car exhaust emissions cause environmental pollution. Can say, the car is a flow sources of contamination. In the world, automobile pollution has not a new topic. Since the 1940s, photochemical smog event in USA Los Angeles, Tokyo to cities such as it has happened so many times that has caused a lot of casualties and huge economic losses！ On energy and environmental pressures, improve the efficiency of the old energy vehicles with imminent. The current steam diesel units, if less than 30% thermal efficiency is mechanical efficiency and other energy transmission loss, the total efficiency accounted for only about 15 per cent of fuel release heat. No doubt, if can improve the efficiency of the engine, it may be relieves the current oil crisis. So the development of carbon-free car is great significance. Studying out the scheme design based on the requirments if this subject, finishing the physical design of the carbon-free car by computational analysis, drawing the assembly drawing and part of the mai n parts drawing, vertify the reservation function by pro/E’s simulation and making the physical prototype, finally reached the required function by the entity prototype presentation. The car when traveling can be automatic avoid the barriers with sine curve track or cosine curve track. The model biggest characteristics is a potential energy into gear rotation, which according to the gear adhesive rotation that drive the driven wheel and steering wheel, than complete the task with the prescribed route .This paper will be detailing introduction.The carbon-free car model of the design process and the structure and function characteristics . Key words ：carbon-free car; environmental protection ; Energy Conversion；Structure Design 目录 绪论......................................... 错误!未定义书签。
S型无碳小车-结构设计方案
S型无碳小车-结构设计方案
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛（广西赛区） The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition（Guangxi Division） 结构设计方案Structure Design Scheme 编 号 （此栏由赛务 工作人员填写） 第一幅照片（小车正面） （注意照片的放置方向与页面方向一致， 照片上不允许出现参赛学校信息，阅后删除。）
第二幅照片（小车侧面） （注意照片的放置方向与页面方向一致， 照片上不允许出现参赛学校信息，阅后删除。） 装 学校名称：
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛（广西赛区） The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition（Guangxi Division） 结构设计方案Structure Design Scheme 参赛项目 S 1、设计思路 1.根据比赛要求，为使无碳小车达到绕桩前进的目的，无碳小车应实现两个功能：重力势能转换为小车的动能和转向轮周期性的转向。小车结构有原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身及其他辅助零件。原动机构的作用是将重锤的重力势能转化为小车前行的驱动力，能实现这一功能的方案有多种，但就效率和简洁性来看绳轮最优。传动机构要求能量损耗少、传动比精确，故优先选用齿轮机构。转向机构要求控制精度高、摩擦损失小，选用空间曲柄摇杆机构。微调机构是小车柔性的体现，调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距，无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调。为减轻车身质量同时保证小车刚度要求，小车采用铝板作为底板材料，上面安装轴承座以支撑输入轴、驱动轴、吊挂重物的立杆等，小车转向轮的支撑架也固定在底板上。 2..通过计算并确定两齿轮的的传动比i，并实现小
无碳小车—结构设计方案
根据本届竞赛题目对无碳小车（以下简称：小车）功能设计、徽标设计的要求，我们首先确定如下的设计思路： 1、根据能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转 化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以小 车前进能量来源直接由重物下落过程中减少的 重力势能提供为宜。 2、根据小车功能设计要求（小车在前行时能够自动 避开赛道上设置的障碍物），小车前进的路线具 有一定的周期性；考虑到小车转向时速度有损 失，小车前进的线路是命题设计要求的最优解。 3、结构的设计与成本分析、加工工艺设计统筹考 虑，力求产品的最优化设计。 4、徽标反映本届竞赛主题：无碳小车
以下是具体的设计方案介绍： 一、徽标设计（图1） 图1 （1）设计说明： 整个徽标是一个椭圆形的圈，包围着一个车轮，车轮下面写着“No Carbon”的字样。其中，车轮代表着我们所做的无碳小车。其后面是由众多抽象的“S”形条纹组成，代表着我们的无碳小车由所要求的“S”形跑到飞驰而出。其下的“No Carbon”字样简单明了地说明了这届大赛的主题，并且外面的椭圆圈，代表着能量的意识，说明了势能与动能相互转换的过程。最后，以整体上看，整个图形像一只眼睛。看着远方，对未来全球实现无碳充满希望。 （2）材料：45钢 （3）制作：激光打标机喷漆 外圈红色R：255 G：0 B：0 内圈红色R：170 G：0 B：0 “No”R：85 G：85 :B：:85 “Carbon”R：170 G：0 B：0
车轮R ：255 G ：85 B ：85 “S ”R ：255 G ：85~170 B ：0~85 二、小车动力、动力—转向、转向系统 1、小车的动力系统（图2） （1）方案： 根据竞赛命题要求（小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均重物下落减少重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量形式）及能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以以绳拉力为动力为宜。拉力作用于锥型原动轮（以下简称：原动轮）上，形成力矩，力矩对该原动轮产生转动效应，通过一系列齿轮的传动，将动力输出，使后轮转动，小车前进。 （2）以上方案作用： ①由于设计该小车的前进过程是 静止—加速—匀速—减速 的过程，所以开始时拉力的作用点处在原动轮半径较大处，并且随 着小车的前进，拉力作用点距离原动轮的轴线的距离呈递减的线
无碳小车设计方案
大学机械设计制造及其自动化特色专业 实践报告 设计项目：工业产品力学分析实践、工业产品材料分析与设计实践 班级： 实践小组名称： 报告撰写人： 提交日期：2012/6/17 大学机电工程系
目录 1 设计任务 (4) 1.1无碳小车整体动力学分析报告 (4) 1.2无碳小车各构件材料力学性能分析报告 (4) 1.3无碳小车典型零件材料组织分析 (4) 2 设计过程 (4) 2.1 机构设计 (4) 2.2 机构简图分析 (5) 2.2.1主要机构组成 (5) 2.2.2原理 (5) 2.2.3自由度分析 (5) 2.3 机构立体图分析 (6) 2.3.1车架 (8) 2.3.2原动机构 (8) 2.3.3转向机构 (8) 2.3.4行走机构 (9) 2.4 参数分析模型 (9) 2.4.1 动力学分析模型 (9) 2.4.2运动学分析模型 (10) 2.4.3急回运动特性、传动角、死点分析 (11) 2.4.4灵敏度分析模型 (12) 2.4.5参数确定 (13) 2.5零部件设计 (13)
3设计结果与总结 (14) 4参考文献 (14) 附：Matlab编程源代码 (15)
1 设计任务 1.1无碳小车整体动力学分析报告 含无碳小车各机构运动学分析（运动轨迹计算、机构各构件长度尺寸确定等） 无碳小车动力学分析，各运动副摩擦分析、各构件受力分析。 要求Matlab编程计算（附源代码） 1.2无碳小车各构件材料力学性能分析报告 含各构件强度分析、刚度分析 基于结构安全的无碳小车各构件结构优化方案。 要求Matlab编程计算（附源代码） 1.3无碳小车典型零件材料组织分析 取无碳小车中典型金属材料进行材料组织分析，给出3种以上材料试样制作方法、组织 照片等。 2 设计过程 2.1 机构设计 行进动作分解 小车主要由四个机构组成：发条动力机构、齿轮传动机构、曲柄连杆机构、连杆前轮转向机构。
无碳小车设计说明书
无碳小车设计说明书 为响应“低碳生活”的号召，我们应该节能减排，以优化环境。作为学生，我们更应践行。我们通过学习和实践，以及运用机械制造的原理，物理学等等方面的知识，设计了s型的无碳小车。我们对它进行了严密的构思与计算，并结合实际进行了材料与运动的分析。 设计思路 1.根据能量守恒定律，物体下落的重力势能直接转化为小车前进的动力，此时能量损 失少，所以小车前进的能量来源于重物下落过程中减少的重力势能。 2.根据小车功能设计的要求，即小车在前行时能够自动绕开赛场上的障碍物，小车运 动的路线需有一定的周期性。考虑到小车在转向时会受到摩擦等阻力的影响，让小 车行走最远路程是设计要求的最优解。 3.需要进行结构的设计与成本的分析，同时也需考虑加工工艺的繁琐程度，力求产品 的最优设计。 小车的原理分析及构架设计 1.小车的质量要适中，以此来保证车的稳定性。质量若太大，则会增加阻力。 2.应采取齿轮传动和连杆机构，同步带的精度不高，也可避免传动效率的低下。 3.传动的力与力矩要适中，保证加速度的适中。 4.相对运动的精度要保证，以减少摩擦，保证力量的充分利用。 5.S型的路线转弯半径要适中，保证其行程。 6.选择大小适中的轮子，轮子太大，稳步性降低。 7.采用轴承，螺纹连接，用三根圆柱支撑，以此挂系重物，转向时则采用连杆机构。 小车的转向机构 转向轮及转向机构如图所示。转向采用连杆机构传动，转向轮固定在支架上。当齿轮转动时，带动连杆运动，根据惯性，使转动轮运动方向发生改变。
小车的驱动原理 重物的牵引带动栓线轴的转动，以此带动齿轮的转动，通过齿轮的啮合带动驱动轴与齿轮的转动，使驱动轮转动，带动着小车的前进；同时也带动着摇杆的转动，使推杆左右动的同时，前后运动。在推杆与摇杆之间，有套筒相连，保证其作圆周运动。杆偏转，使转动轮偏转，根据驱动轮与转动轮的合运动，小车就可以走S型。 栓线处为梯形原动轮。起始时，原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。 其次，起动后，原动轮的半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后作匀速运动。原动轮的半径变小，使总转速比提高。小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车。 加工工艺的设计 1.小车底板部分挖空，减轻了整体的质量。 2.重物支撑架用三根圆柱杆支撑，有助于其稳定性。 3.后轮的大小适中，直径为182mm。 4.载物放置靠近轴处，稳定重心。 小车加工的尺寸 关于齿轮： 小齿轮A：M=1，Z=15，最大直径=15，尺宽b=6.5; 齿轮B: M=1,Z=45,最大直径=45,b=10; B与A传动比i=1/3； 齿轮C：M=1，Z=60，最大直径=60,b=10; C与A传动比i=1/4； 车轮厚度均为4mm，总高度H=515mm,总宽d=164mm. 小车计算的公式及推理 1.大轮半径为R，重物下降dh，转轴①半径为r1 ，转过角度dθ 1 ;同时转轴②半径 r2,转过角度dθ2，转轴③转过角度dθ3. 齿轮啮合组⑴的传动比为i1,齿轮啮合组⑵的传动比为i2 ; 公式：dh=r1dθ1 dθ2=dθ1/i1 dθ3=dθ 2 ＊i2=dθ1＊i1＊i2
无碳小车设计说明书(一等奖作品)
第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛 无碳小车设计说明书 参赛者：龚雪飞鹏飞述亮 指导老师：朱政强戴莉莉 2011-1-16 摘要 第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。
我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。 方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。 技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。 小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。因为小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计微调机构灵敏度分析 目录 摘要 (2) 一绪论 (5) 1.1本届竞赛命题主题 (5) 1.2小车功能设计要求 (5) 1.3小车整体设计要求 (6)
无碳小车参赛总结
总结 经过几天的奔波，忙碌的省赛已经结束。回顾以往，才发觉自己在慢慢长大，整个过程亦是成长的见证。 刚开始知道要做无碳小车时，内心是兴奋的也是纠结的，兴奋的是可以将所学知识用于实践，不在局限于书本，可以自己动手做东西，纠结的是通过对其他学校的了解，我们发现小车的调试时最花时间，一般是用一年的时间为比赛做准备，而我们只有仅仅几个月的时间，时间的仓促，不知道最后的成果是什么样。 初期，我们对小车的结构设计做了讨论。经过多种方案的讨论，一步步的排除，最终选择最优化的方案。我们做的无碳小车是S字型的。为了能顺利启动，我们采用了一级传动，虽然二级传动理论上可以让小车跑的更远，但摩擦更加了，能不能启动是个问题。传动机构我们选择了曲柄滑块机构，这主要考虑到结构简单，容易加工。曲柄我们选择了在圆盘上开槽，即增加了稳定性又可以实现调节功能。转向部分为了减少摩擦及转动顺畅，我们采用了万向节。 当小车的结构确定好后，我们做的是等待，因为没有条件让我们动手去做，只能在网上找加工商，让他们一个零件一个零件的加工，我们做的只是组装，这也是小车稳定性差的主要原因。刚开始小车全部是采用金属材料，齿轮的精度，各零件的精度达不到要求，最终的结果是无论怎么调整，整
个车子根本无法启动。最后我们采用了塑料齿轮，并把绕线轴与滑轮的角度调大，车子可以启动。在调试过程中，及时出发角度，位置完全一样，跑的轨迹也是不同的，轴可以左右移动，车轮摇摆不定，这就是轨迹比确定的原因，因为第一次参加比赛，我们不知道其他学校的车子是什么情况，我们只知道我们的不确定因素太多。 去合肥比赛，我们凌晨三点半到达车站，睡了两三个小时，便起床报名。看到其他学校的装备，我们感到了差距，我们的拆卸工具很简陋，都是我们自己找的。但我们并没有垂头丧气，没有比赛，谁也不知道结果如何。当天下午我们去参观了赛道，我们看到赛道非常光滑，想想我们我们小车的速度，我们很担心，因为车速太快，我们从没有在正规的赛道上调试过，不知道会是什么情况。 接下来的一天是比赛时间，原本一直担心3D打印，我们队3D打印完全陌生，只能从网上找视频，如果这关过不了，接下来的比赛就无需进行，很幸运，3D打印没有我们想象的那么难，在进行3D打印的同时进行了小车的拆装，比赛前我们担心的问题出现了，轴承和轴承座的配合是过盈配合，我们无法达到，只能用胶粘起来，装配前强调的说轴承必须与轴承座分离，一个不分离扣百分之三十。没办法，我们只能现场将轴承打下来，过程很困难，轴承都被打坏了，但还好我们有备用的轴承。虽然在这浪费了时间，但我们还
无碳小车 设计说明
作品设计说明书
摘要 我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。 方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构五个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了带轮轴、传动机构采用带轮、转向机构采用凸轮机构、行走机构采用双轮驱动。 技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能运动学分析和动力学分析，进而得出了小车的具体参数，和运动规律y 以及确定凸轮的轮廓曲线；接着应用Solidworks软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。 小车大多零件是标准件，可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计
目录
小车改进方向 (21)
一绪论 命题主题 根据第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。 小车功能设计要求 给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（间隔范围在700-1300mm，放置一个直径20mm、长200mm的弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。 给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg 的重块（ 50×65 mm，普通碳钢制作）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。 要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。 小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。
无碳小车实验报告 (1)
机械原理课程设计报告书 设计题目: 竞赛题目无碳小车的设计 课程名称：《机械原理课程设计》 学生姓名： 学生学号： 所在学院：海洋信息工程学院 学习专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：宫文峰 2015年12月11日目录 (2) 第一章概述 (3) 课程设计任务与目的 (3)
第一章概述 机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等有着十分重要意义。 本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进行创新设计。设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案。 课程设计目的与任务 课程设计目的 1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入和归纳； 2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神； 3）加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、
综合和工艺制作等实际工作能力； 4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力； 5）为将来从事技术工作打基础。 课程设计任务 结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生根据使用要求和功能分析，开拓思路，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。无碳小车设计的目的与任务 设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不从小车上掉落。图1为小车示意图。 小车在行走过程中完成所有动作所需的能量均由此给定重力势能转换而得，小车具有转 向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能。 第二章选题介绍 选题背景、意义 本设计源于6年第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”，该竞赛要求以
无碳小车结构设计方案样本
无碳小车结构设计 方案
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛 The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition 结构设计方案 Structure Design Scheme 编 号 （此栏由赛务工作人员填 写） 装 订 学校名称：湖南文理学院芙蓉学院 参赛项目：无碳小车
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛 The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition 结构设计方案 Structure Design Scheme 参赛项目 无碳小车S 型赛道 4、结构设计创新特色说明 小车设计一定要做到目标明确,经过对命题的重复研究得到一些启发,今年的命题相对于往年, 有较大的改变,规则改为经现场公开抽签，在±200～300mm 范围内产生一个“S ”型赛道第一轮障碍 物 间 距 变 化 值 和 变 化 方 向 。 竞赛小车在前行时能够自动绕过赛道上设置的障碍物，如图2。赛道宽度为2米，障碍物为直径20mm 、高200mm 的圆棒，沿赛道中线从距出发线1米处开始按间距1米摆放，摆放完成后，将偶数位置的障碍物按抽签得到的碍物间距变化值和变化方向进行移动（正值远离，负值移近），形成的即为竞赛时的赛道。这样一来就不能借鉴往年的方案,同时还必须综合考虑材料、加工、制 造、成本等各方面因素考虑。 小车的传动比和转向机构的设计是小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴参数化设计，优化设计，系统设计等现代设计创造理论，采用CAD,PROE 等软件辅助设计设计流程如下图： ’ 产品名称 小车 共 7 页 第 2 页 编 号 装 订 学校名称：湖南文理学院芙蓉学院 参赛项目：无碳小车
无碳小车结构设计报告
第三届山东大学大学生工程训练综合能力竞赛结构设计报告总页第 1 页产品名称：无碳小车编号 1、设计概述 设计原则： A.整车的重心要低，操作、调整方便灵活； B.结构尽量简单，传动件数少； C.质量小，足够的刚度，振动小； 2、设计方案 按照命题要求小车必须具有方向自控功能, 绕过直线布置的每隔1 米1 个障碍物的要求。小车必 须左转、右转再左转地周期性转向, 在速度一定的前提下, 必须要保证小车的运动轨迹曲率是连续变 化的, 小车才能平稳行驶。因此, 曲柄匀速转动, 摇杆左右匀速摆动的曲柄摇杆机构可以作为转向机 构, 小车运行轨迹接近正弦曲线, 曲率变化连续。从滚筒轴的回转运动到控制前轮转向的摇杆的水平 摆动, 需要把竖直平面的运动转化为水平面运动, 以实现小车的转向。要实现把竖直平面的运动转化 为水平面运动, 可以选用变形的曲柄摇杆机构来实现转向轮转向的方案，见下图4。曲柄摇杆机构中 的曲柄回转中心(即滚筒轴轴心) 应与摇杆的摆动平面等高,保证机构无急回特性, 曲柄作等速转动, 摇杆摆动时左右行程的平均速度相等, 即使得前轮左右摆幅相同, 按照指定轨迹行驶。把铅垂平面的 运动转化为水平面运动是个三维空间的运动转换, 通用的曲柄摇杆机构不能完成三维空间的运动转 换, 因此必须采用双球型关节的连杆, 使得水平与垂直方向的自由度都不受约束。为了提高运行过程 的精度和降低加工难度，可设计成四个圆柱关节, 安装成水平和竖直形式(如下图4 所示), 代替双球 型关节, 最终实现了与滚筒轴连接的曲柄的回转运动转化为摇杆的水平运动, 摇杆在水平面内摆动, 使得前轮左右摆幅相同, 实现了小车前轮的转向问题, 且保证了传动的准确。 根据图2 行走示意图, 采用余弦函数: Y＝-0．35cosπx, 周期T＝2 m 的曲线拟合小车行驶路径图1：小车的三维视图
“S”型无碳小车设计说明书
“S”型无碳小车设计说明书 目录 一、绪论 1.1竞赛命题主题 1.2小车功能设计要求 二、方案设计 2.1路径选择 2.2转向装置 2.2.1前轮转向装置设计 2.2.2后轮转向装置设计 2.3能量转换装置设计 2.4微调机构设计 三、参数设计 3.1路径参数设计 3.2其他参数设计 四、选材加工 五、附录
一、绪论 1.1竞赛命题主题 本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。 要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一台本命题要求的可运行的机械装置，并进行现场竞争性运行考核。每个参赛作品需要提交相关的设计方案。 竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。 1.2小车功能设计要求 1、设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg 的标准砝码（￠50×65 mm ，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm 。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。 2换而得，不可以使用任何其他来源的能量。 3、要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。 4、要求小车为三轮结构。具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。 二、方案设计 2.1路径选择 我们选择了“S ”型方案，路径如图2所示，图中所示“S ”是后轮轴中点轨迹。在设计计算中我们近似认为这是一条余弦曲线，通过分析道路要求给出曲线方程各项参数，从而得到后续理论设计的基础数据。
2.2转向装置 2.2.1前轮转向装置设计 考虑到小车在行进过程中要实现自行转向，我们选择通过改变前轮摆角来控制整个小车的转向，有两种备选方案：1、凸轮+连杆+摇杆；2、曲柄连杆+摇杆。第一种方案中，凸轮的设计加工难度较大且成本较高，一般而言实用性不强，想要实现对小车路径的精准控制不易，而相较之下方案二中曲柄机构更容易设计计算，路径特殊点所对应曲柄的位置更容易找到，还可以通过改变曲柄偏心距实现间距微调，而且加工成本较低，拆装稳定性好，原理简单易懂，可以帮助中学生或大学生快速理解机械传动和加工原理，因此我们选用方案二，如图3所示。 2.2.2后轮转向装置设计 后轮通过差速设计实现转向，主动轮给全车提供驱动力，从动轮自由转动，在转弯的时候由速度差实现转向。 2.3能量转换装置设计 小车的动力来源于重锤的重力势能，通过重锤下落，实现重力势能与动能的转换，从而实现小车的驱动。将重锤通过滑轮用细绳缠绕在主动轮轴上，绕轴端接死，重锤的重力通过细绳作用在主动轮轴上，从而对轴产生一个力矩，使轴旋 转即实现主动轮的转动。
无碳小车结构设计报告
2015(第四届)山东省大学生工程训练综合能力竞赛 结构设计报告 总 5 页 第 1 页 产品名称：无碳小车 编号 1.设计概述 设计原则： 整车的重心要低，操作、调整方便灵活；结构尽量简单，传动件数少；质量小，足够的刚度，运动平稳。 2.设计方案 通过对小车的功能分析，小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为六个部分进行模块化设计，分别是：车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 和微调机构，下面将详细介绍这六个模块。 2.1车架 车底板因不需承受很大的力，精度要求不是很高，考虑到加工方便、质量轻、成本低等因素，底板选用厚度为6mm 的铝板,尺寸定为143.5mm × 115mm 。小车运行起来按避障要求左右转向,引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动,可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心,为此将小车底板折弯,满足整车重心降低的需要。 2.2原动机构 原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。小车对此机构主要有以下要求： 驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此还需要能根据不同的需要调整其驱动力。 在此结构中应让重块保持一定高度的支架以及重块带动车体的连接部件，考虑到立柱在满足一定强度的基础上需尽可能的轻，我们选用φ6铝棒材料。为了避免小车在行驶过程中，重块晃动过大，极易造成翻车现象， 通过多次的改进最终采用的是四根立柱，既轻便又稳固，达到预期效果。 至于滑轮，由于车体及车轮均采用铝板而不是材质较轻的雅格利板、碳板，车体较重，小车不易起动。定滑轮即稳定又容易改变力的方向，故选用了定滑轮。 2.3传动机构 传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。它的优劣直接决定了小车的性能，能量是否充分利用，转向是否精确皆取决于此。我们决定采用齿轮传动，它具有结构紧凑、可靠性好、效率高、传动稳定等特点。由于小车只绕8字走三圈，需提高小车的速度，减少能量的损失。 因此传动机构选择了传动比5:1的一级齿轮传动。在齿轮材质的选择上，综合考虑到齿轮材质轻、价格便宜、规格齐全并能满足小车所需齿轮强度要求，故采用铝制齿轮。 学校 名 称： 参赛项 目： 8子 型赛 道常 规 赛 装 订 线