第一篇：無碳小車設(shè)計說明書

無碳小車設(shè)計說明書

參賽者：林聯(lián)波 王秋平鄭傳村

指導(dǎo)老師：羅敏峰

2014-12-16

一、主題

設(shè)計一種小車（“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(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，所以要設(shè)計一個能夠走S形路線的周期性的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

2、分析此次命題的難點就在樁距是變化的，而且變化范圍比較大，所以要設(shè)計調(diào)距方案

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

三、設(shè)計

1.轉(zhuǎn)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(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動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：圓柱凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿等等。

綜合分析眾多機構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)圓柱凸輪機構(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)運動，并且穩(wěn)定性較強。所以我們采用圓柱凸輪機構(gòu)+搖桿作為我們的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

2.可調(diào)機構(gòu)

此次命題的難點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)向機構(gòu)采用的是圓柱凸輪機構(gòu)+搖桿，所以要求凸輪轉(zhuǎn)一圈，小車就要通過一個s路程。通過改變齒輪齒數(shù)，實現(xiàn)凸輪軸上和驅(qū)動輪上的齒輪傳動比的改變從而實現(xiàn)變距，但是要實現(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，所以小車的負重又不能太重。這就考慮小車能不能便攜式更換齒輪，所以我們采用以下機構(gòu)實現(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！

第二篇：無碳小車設(shè)計說明書

無碳小車設(shè)計說明書

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(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)計一個能夠自動轉(zhuǎn)彎的機構(gòu)。

2、根據(jù)這次的比賽要求我們需要考慮設(shè)計一個可調(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)計有課微調(diào)機構(gòu)

三、方案確定

1.轉(zhuǎn)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(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)彎機構(gòu)有凸輪和曲柄搖桿等機構(gòu).曲柄搖桿的機構(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)運動，并且穩(wěn)定性較強。所以我們采用圓柱凸輪機構(gòu)+搖桿作為我們的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

2.調(diào)級

此次命題的難點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)向機構(gòu)采用的是圓柱凸輪機構(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)，實現(xiàn)凸輪軸上和驅(qū)動輪上的齒輪傳動比的改變從而實現(xiàn)變距，但是要實現(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(gòu)實現(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)機構(gòu)

用螺絲可以實現(xiàn)前輪擺角的微小變化 機構(gòu)如圖所示

裝配圖

機構(gòu)運動簡圖

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

第三篇：無碳小車設(shè)計說明書

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)計說明書

院系：信息工程學(xué)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(dǎo)老師：劉勝榮 時間：2012年12月30日葛小樂1

無碳小車設(shè)計方案

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

方案設(shè)計階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機器的構(gòu)成（原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、五個模塊，進行模塊化設(shè)計。分別針對每一個模塊進行多方案設(shè)計，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、原動機構(gòu)采用了錐形軸、傳動機構(gòu)采用齒輪傳動、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄連桿、行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動。

我們先進行原理分析，接著應(yīng)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(chǔ)上對每一個零件進行了詳細的設(shè)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(shù)都可以通過手工加工出來。

目錄

方案設(shè)計..............................................1.1車架..........................................3 1.2原動機構(gòu)......................................4

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

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

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

4、設(shè)計參數(shù)-------14

1.1車架

車架不用承受很大的力，精度要求低?？紤]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)計如下

1.2原動機構(gòu)

原動機構(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(zhuǎn)化到驅(qū)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(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機構(gòu)簡單，效率高。

1.3傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(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、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。

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)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(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動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。

曲柄連桿+搖桿

優(yōu)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(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)向機構(gòu)的方案。

1.5行走機構(gòu)

行走機構(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。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(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 小車底板的俯視圖和左視圖：

轉(zhuǎn)向輪的連接控制機構(gòu)：

車后輪的三視圖：

齒輪的三視圖：

3、小車的整體設(shè)計：

4、設(shè)計參數(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）

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

第四篇：無碳小車設(shè)計說明書.

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)計說明書

參賽者：陳文 李志文 黃素昕

指導(dǎo)老師 ：廖志良

2013.4.1

摘要

第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題主題為“無碳小車”。在設(shè)計小車過程中特別注重設(shè)計的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設(shè)計思路；作品的設(shè)計做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)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(shù)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法；采用了PROE等軟件輔助設(shè)計。

我們把小車的設(shè)計分為三個階段：方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、制作調(diào)試。通過每一階段的深入分析、層層把關(guān)，是我們的設(shè)計盡可能向最優(yōu)設(shè)計靠攏。

方案設(shè)計階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機器的構(gòu)成（原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、調(diào)節(jié)部分）把小車分為車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)六個模塊，進行模塊化設(shè)計。分別針對每一個模塊進行多方案設(shè)計，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、原動機構(gòu)采用了錐形軸、傳動機構(gòu)采用齒輪或沒有該機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄連桿、行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速、調(diào)節(jié)機構(gòu)采用微調(diào)螺母螺釘。其中轉(zhuǎn)向機構(gòu)利用了調(diào)心軸承、關(guān)節(jié)軸承。

技術(shù)設(shè)計階段我們先對方案建立數(shù)學(xué)模型進行理論分析，借助MATLAB分別進行了能耗規(guī)律分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、靈敏度分析。進而得出了小車的具體參數(shù)，和運動規(guī)律。接著應(yīng)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(chǔ)上對每一個零件進行了詳細的設(shè)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(shù)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(diào)試過程會通過微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進行試驗，在試驗的基礎(chǔ)上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。

目錄

一、設(shè)計要求 1.1參賽要求

二、方案設(shè)計 2.1車架 2.2原動原理 2.3傳動原理 2.4轉(zhuǎn)向原理 2.5行走原理 2.6調(diào)節(jié)原理

三、技術(shù)設(shè)計

3.1動力參數(shù)設(shè)計 3.2軌道參數(shù)設(shè)計 3.3傳動參數(shù)設(shè)計 3.4行走參數(shù)設(shè)計 3.5調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計 3.6小車各部件參數(shù)

四、小車的調(diào)試

五、評價分析

一、設(shè)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(jīng)過一定的前期準備后，在比賽現(xiàn)場完成一套符合本命題要求的可運行裝置，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。每個參賽作品要提交相關(guān)的設(shè)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(qū)動的具有方向控制功能的自行小車

設(shè)計一種小車，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），競賽時統(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(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量來源。

要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機構(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。

要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)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(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

二、方案設(shè)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(gòu)

原動機構(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(zhuǎn)化到驅(qū)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(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機構(gòu)簡單，效率高。

2.3傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)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、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。

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。

2.4轉(zhuǎn)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(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動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等等。

而綜合考慮后，我們決定用凸輪機構(gòu)+搖桿

優(yōu)點：在理論情況下能比較精確實現(xiàn)給定的運動軌跡且結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單，而且能實現(xiàn)連續(xù)不同障礙物間距的調(diào)節(jié)，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便。

缺點： 需要的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)往往比較多，這樣就使機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，而且機構(gòu)運動規(guī)律對制造、安裝誤差的敏感性增加；機構(gòu)中做平面復(fù)雜運動和作往復(fù)運動的構(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，故連桿機構(gòu)常用于速度較低的場合。

2.5行走機構(gòu)

行走機構(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??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(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(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)滿足要運動。單向軸承實現(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(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(wěn)定，傳動精度比利用單向軸承高。

綜上所述比結(jié)合實際情況采用單輪驅(qū)動。

2.6調(diào)節(jié)機構(gòu)

調(diào)節(jié)機構(gòu)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(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)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(xiàn)繞過不同距離桿的目的。

要達到改變小車導(dǎo)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(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動的角度。從而實現(xiàn)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(xiàn)連續(xù)微調(diào)。

三、技術(shù)設(shè)計 3.1動力參數(shù)技術(shù)

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(shè)計 3.1.1 結(jié)構(gòu)圖

.圖3.1 梯形原動輪

3.1.2 分析

1）.在起始時原動輪的轉(zhuǎn)動半徑較大，起動轉(zhuǎn)矩大，有利起動。

2）.起動后，原動輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車勻速運動。

3）.當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)生碰撞，這樣當(dāng)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(shè)計實現(xiàn)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(dāng)力一定是R越大矩就越大，轉(zhuǎn)動的就越快車啟動的就快；當(dāng)M已達到一定的大少保持不變R變小，F(xiàn)就會增大，從而使物快減速。

3.1.4參數(shù)設(shè)計

原動輪主軸半徑R=7mm 物快下降高度H=400mm 原動輪的側(cè)截面周長C=2πR=2×7×3.14=43.96mm 圈數(shù)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(shù)設(shè)計

32cm98cm

無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖

假設(shè)抽選的桿距為1000mm，根據(jù)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(shù)運動規(guī)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(shù)設(shè)計

3.3.1齒輪

傳動部分采用的是齒數(shù)比45：15的齒輪。

小齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=15，外徑=17mm，內(nèi)孔=3mm，厚度：6.5mm 大齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=45，外徑=47mm，內(nèi)徑=10mm，厚度：10mm

3.3.2傳動行程

傳動比（傳動系數(shù)）：齒輪比乘以后輪直徑，即為傳動比。以C代表大齒輪，F(xiàn)代表小齒輪，G代表齒數(shù)比，D代表傳動比，M代表轉(zhuǎn)動行程，B代表后輪直徑，它們之間關(guān)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(shè)總的重量為M，則 M=m（重塊）+m（載荷）+m（車)=1kg+400g+50g=1.45kg 經(jīng)網(wǎng)上查得,橡皮輪胎與干地面之間的動摩擦因素為0.71,設(shè)驅(qū)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(shù)設(shè)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(jù)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(shù)

小車導(dǎo)向輪直徑d定為58mm，寬為8mm，后輪直徑D為258mm，寬6mm。

3.5調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計

調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)計是本次比賽的重點部分，也是設(shè)計中的難點，尤其是參數(shù)化這一塊，要定好調(diào)節(jié)裝置中各零件的尺寸大小，還需要大量的反復(fù)的研討與實驗，而在設(shè)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(xué)性。連桿L=116mm 圓柄的直徑D=50mm.而小車導(dǎo)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(zhuǎn)，當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)到圓心，接口與連桿端點三點成一線時，則小車導(dǎo)向輪擺動的幅度最大。當(dāng)接口在圓心的左邊時小車向右拐，當(dāng)接口在圓心的右邊時，小車向左拐。而圓柄逆時針轉(zhuǎn)的一周，小車的導(dǎo)向輪就又回到了初始狀態(tài)，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(shù)

車身長L=300mm，車身寬140mm，厚8mm。

后輪直徑D=258mm,寬6mm，導(dǎo)向輪直徑58mm，寬6mm。梯形原動輪直徑14mm，長30mm。

小齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=15，外徑=17mm，內(nèi)孔=3mm，厚度：6.5mm 過度齒輪：

大齒輪：模數(shù)=1，齒數(shù)=45，外徑=47mm，內(nèi)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(diào)試

小車的調(diào)試是個很重要的過程，有了大量的理論依據(jù)支撐，還必須用大量的實踐去驗證。小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容，如車速的快慢，繞過障礙物，小車整體的協(xié)調(diào)性，小車前進的距離等。

（1）小車的速度的調(diào)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(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗，發(fā)現(xiàn)小車后半程速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動軸，減小過大的驅(qū)動力同時也增大了小車前進的距離。

（2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個機構(gòu)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(shè)計時采用了多組微調(diào)機構(gòu)，通過觀察小車在指定賽道上行走時避障的特點，微調(diào)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(yōu)缺點

優(yōu)點：（1）小車機構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少，（2）多處采用可調(diào)機構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物，（3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠，（4）采用梯形原動輪，小車穩(wěn)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(diào)各個機構(gòu)都很費時，避障穩(wěn)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(jié)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(diào)整簡單，小車便能達到很好的行走效果。

第五篇：無碳小車設(shè)計說明書

沈陽航空航天大學(xué)

無碳小車設(shè)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(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題主題為“無碳小車”。在設(shè)計小車過程中特別注重設(shè)計的方法，力求通過對命題的分析得到清晰開闊的設(shè)計思路；作品的設(shè)計做到有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性；設(shè)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(shù)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法；采用了MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計。

我們把小車的設(shè)計分為三個階段：方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、制作調(diào)試。通過每一階段的深入分析、層層把關(guān)，是我們的設(shè)計盡可能向最優(yōu)設(shè)計靠攏。

方案設(shè)計階段根據(jù)小車功能要求我們根據(jù)機器的構(gòu)成（原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制部分、輔助部分）把小車分為車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)六個模塊，進行模塊化設(shè)計。分別針對每一個模塊進行多方案設(shè)計，通過綜合對比選擇出最優(yōu)的方案組合

技術(shù)設(shè)計階段我們先對方案建立數(shù)學(xué)模型進行理論分析，借助MATLAB分別進行了能耗規(guī)律分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、靈敏度分析。進而得出了小車的具體參數(shù)，和運動規(guī)律。接著應(yīng)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(diào)試過程會通過微調(diào)等方式改變小車的參數(shù)進行試驗，在試驗的基礎(chǔ)上驗證小車的運動規(guī)律同時確定小車最優(yōu)的參數(shù)。

關(guān)鍵字：無碳小車 參數(shù)化設(shè)計 軟件輔助設(shè)計 微調(diào)機構(gòu)

靈敏度分析

一、競賽基本內(nèi)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(xùn)練教學(xué)內(nèi)容相銜接，體現(xiàn)綜合性工程能力。命題內(nèi)容體現(xiàn)“創(chuàng)新設(shè)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(shè)計要求

給定一重力勢能，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并可用來驅(qū)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)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(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于?30mm。

3.小車的設(shè)計方法

小車的設(shè)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(shè)計思路。作品的設(shè)計需要有系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性。設(shè)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(shè)計是提高小車性能的關(guān)鍵。在設(shè)計方法上我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計發(fā)發(fā)明理論方法。采用了MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計。下面是我們設(shè)計小車的流程（如圖一）

圖一

二 方案設(shè)計

1、基本構(gòu)思

通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動自身行走、形成固定路線。為了方便設(shè)計這里根據(jù)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(shè)計（車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設(shè)計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。在選擇方案時應(yīng)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(yōu)。

基本設(shè)計圖：

圖二

2原動機構(gòu)

原動機構(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(zhuǎn)化到驅(qū)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(diào)試時也不知道多大的驅(qū)動力恰到好處。因此原動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力。4.機構(gòu)簡單，效率高。

基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動力可調(diào)的繩輪式原動機構(gòu)。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(gòu)

傳動機構(gòu)的功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛的更遠及按設(shè)計的軌道精確地行駛，傳動機構(gòu)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、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。不適合本小車設(shè)計。

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。

4轉(zhuǎn)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是本小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機構(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動特性。能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回擺動，帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)走固定“8”字路線的功能。能實現(xiàn)該功能的機構(gòu)有：凸輪機構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動角度不變，當(dāng)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(zhuǎn)向發(fā)生變化，進入下一個圓中運動，一次類推，小車不斷地重復(fù)“8”字，進行運動。

基本成型構(gòu)想：

三

技術(shù)設(shè)計

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

1、重要技術(shù)

如何兩軌跡中心間的距離可以在300mm~500mm之間發(fā)生變化？

要想達到這一目的，需要同時調(diào)節(jié)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(shù)變少。

（2）增大小車前輪（即轉(zhuǎn)向輪）的轉(zhuǎn)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(shè)置一可沿一條半徑連續(xù)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(shè)計圖紙：

2、小車調(diào)試方法

小車的調(diào)試是個很重要的過程，有了大量的理論依據(jù)支撐，還必須用大量的實踐去驗證。小車的調(diào)試涉及到很多的內(nèi)容，如車速的快慢，繞過障礙物，小車整體的協(xié)調(diào)性，小車行走的距離等。

（1）小車的速度的調(diào)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(shù)據(jù)，從而得出小車行駛的速度，通過試驗，發(fā)現(xiàn)小車后半程速度較快，整體協(xié)調(diào)性能不是太好，于是車小了繞繩驅(qū)動軸，減小過大的驅(qū)動力同時也增大了小車前進的距離。

（2）小車避障的調(diào)試：雖然本組小車各個機構(gòu)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(shè)計時采用了多組微調(diào)機構(gòu)，通過觀察小車在指定賽道上行走時避障的特點，微調(diào)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(xiàn)脫膠的現(xiàn)象，導(dǎo)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(xiàn)的次數(shù)減少，穩(wěn)定性能較好，總路線最遠，降低成本。

四 評價分析

1、小車優(yōu)缺點

優(yōu)點：（1）小車機構(gòu)簡單，單級齒輪傳動，損耗能量少，（2）多處采用微調(diào)機構(gòu)，便于糾正軌跡，避開障礙物，（3）采用大的驅(qū)動輪，滾阻系數(shù)小，行走距離遠，（4）采用磁阻尼，小車穩(wěn)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(diào)各個機構(gòu)都很費時，避障穩(wěn)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(diào)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(jié)約資源。