第一篇：淺論無碳小車的設(shè)計制作與創(chuàng)新實踐論文

0引言

無碳小車是一種通過滑輪機構(gòu)將重物下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車前進的動能以實現(xiàn)小車行走，并采用合理的機構(gòu)，來實現(xiàn)行走過程中正確轉(zhuǎn)向并繞過障礙的裝置。小車設(shè)計注重能量利用的有效性，車體結(jié)構(gòu)的合理性，行走的穩(wěn)定性、勻速性，調(diào)試的可靠性等。應(yīng)用了諸多數(shù)學(xué)理論進行驗證，最終采用了萬向節(jié)連桿機構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機構(gòu)，使小車控制轉(zhuǎn)彎更省力、對小車躲避障礙物的周期控制更容易實現(xiàn)，亦降低了整車重量。再者小車整體構(gòu)造簡潔，組合零件不多，摩擦損耗小，效率高，較容易安裝制造。另外，通過對小車的設(shè)計、制作和調(diào)試，提高了提出問題、分析問題、解決問題的能力，并總結(jié)了從中獲得的經(jīng)驗和教訓(xùn)。

1無碳小車的制作原理

1.1命題簡介

該競賽其中的一個命題為，要求設(shè)計一種以重力勢能驅(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(50×65mm，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。在比賽中，小車出發(fā)后，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(障礙物初始間距為1m，后期在1m±100mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個新的障礙物間距，需調(diào)整小車以適應(yīng)新距離)，最終繞過障礙物多者獲勝。

1.2無碳小車設(shè)計原理

由命題得知，關(guān)鍵在于利用重力勢能獲得相當(dāng)長距離的具有穩(wěn)定正弦特征的軌跡。由此，來設(shè)計小車以使其滿足要求。重力勢能大多通過掛在繩子上的重物拖動小車的軸進而驅(qū)使小車前進，這便對繩子提出較高的要求，一般選取彈性較小，耐磨的繩子為佳。

在傳動方面，根據(jù)往屆賽事經(jīng)驗，有齒輪傳動，皮帶傳動等。由于小車在前行較長距離(一般為20m以上)，同時需要保證精確的行走軌跡，因此，皮帶由于打滑等原因不如齒輪傳動。同時，齒輪由于金屬材質(zhì)，大大加大了車的重量，因而我們采用快速成型制造齒輪，保證了傳動的精確性與質(zhì)量較輕的優(yōu)點。接下來，便是使用兩級變速還是一級變速的問題，兩級變速能夠在有效的空間內(nèi)實現(xiàn)較大的傳動比，同時具有較大的慣性，能夠克服賽道上的不平整路面(事實證明，這在比賽上時是相當(dāng)重要的)，但由于齒輪加工精度的局限，可能會造成較大摩擦力，造成能量的浪費。而一級傳動則較為輕便，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工裝配。

小車每繞過兩個障礙物，即在前進方向上走了2m，完成一個循環(huán)，此時，繞在軸上的繩子轉(zhuǎn)過一圈。因此，小車前進的理論長度即由繞線軸的直徑和下落高度決定。軸的最小直徑由輪子和地面的摩擦力產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩確定。小車的軌跡越接近于直線，摩擦力做功越少，便越節(jié)省能量。

我們發(fā)現(xiàn)，小車所走軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發(fā)生碰撞，小車調(diào)整起來也越容易，同時，前面已經(jīng)提到，也就越浪費能量。而對于不同的周期來講，周期越小(障礙物間隔越小)，小車軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發(fā)生碰撞。

為了實現(xiàn)上述軌跡，轉(zhuǎn)向機構(gòu)是重要的一環(huán)，由于“S”形避障運動是周期性的運動，恰好可以通過齒輪上的偏心，將其運動傳遞到前輪上。傳遞運動大致可以分為兩類，一類通過萬向節(jié)，與前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)構(gòu)成四連桿機構(gòu)，進而實現(xiàn)周期往復(fù)運動。這樣的好處是剛性較好，一旦調(diào)節(jié)完畢能夠形成固定的軌跡且便于加工。但是不容易調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)部件較多，過程繁瑣。另一類通過直線軸承和滑塊傳遞運動，當(dāng)然，這樣便于調(diào)節(jié)，僅需對偏心進行調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)軌跡的周期變化。但是對加工精度要求較高。不過，隨著學(xué)生動手能力的提高和賽事水平的不斷提升，直線軸承和滑塊機構(gòu)會逐漸提高穩(wěn)定性，創(chuàng)造更好的成績。

2小車設(shè)計方案

2.1材料的選擇

小車的制作，首先我們要先考慮它的材料，材料極為重要，材料密度大了，小車就重，導(dǎo)致摩擦力就大;材料如果較小，小車太輕，小車在繞桿的同時會發(fā)飄，導(dǎo)致小車的軌跡會發(fā)生變化，導(dǎo)致小車達不到最好的狀態(tài)。所以選取適當(dāng)?shù)牟牧鲜侵陵P(guān)重要的。由于鋁-鋼的摩擦系數(shù)大約為0.02，而鋁的密度小，小車的質(zhì)量一般大約為2.5kg，所以摩擦力較小，并且橫向摩擦力足以滿足小車不側(cè)滑;有機玻璃材質(zhì)輕阻力小，但是壽命短，易磨損，精度不夠高，力學(xué)性能差，主要是脆性大，抗沖擊性能差，受到第二次意外打擊時，有機玻璃易破碎。而尼龍的摩擦系數(shù)較大，吸水性較大，影響尺寸穩(wěn)定和電性能，但車體的重量太小，需要加配重，防止側(cè)滑或側(cè)翻，所以考慮各種原因還有計算，最終選取折中的方案，也是最佳方案，就是鋁，鋁做車身骨架是最好的選擇。而尼龍具有機械強度高、軟化點高、耐熱、摩擦系數(shù)低、耐磨損、自潤滑性好、吸震性和消音性好、耐油、耐弱酸堿、無毒無臭、耐候性好、比重小、高抗沖、高載重、耐撞擊，所以特別適合齒輪的加工，用快速成型做出的齒輪既具備以上的優(yōu)點，還容易安裝，容易定位，所以齒輪的材料最好是采用尼龍。

2.2設(shè)計思路和方案

(1)動力源。將重物固定于繩子上，繩子系在大齒輪軸上，重物下落拉動大齒輪軸轉(zhuǎn)動，通過齒輪嚙合驅(qū)動小齒輪軸轉(zhuǎn)動，進而使小車前進;

(2)差速部分。當(dāng)重錘下落時，通過滑輪軸連接線驅(qū)動大齒輪轉(zhuǎn)動，帶動驅(qū)動軸回轉(zhuǎn)，并通過傳動齒輪帶動后軸回轉(zhuǎn)。由于小車在前進時要走S形路線，在轉(zhuǎn)彎時內(nèi)側(cè)的車輪與外側(cè)的車輪轉(zhuǎn)速不一樣，后面兩個輪子走過的距離不同，因此兩個后輪上采用了不同的連接方式，其中一個后輪采用過盈配合隨軸轉(zhuǎn)動，而另一個后輪采用軸承配合在軸上空轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)差動。

(3)前輪轉(zhuǎn)向部分。大齒輪上開一個13mm長的槽，其偏心距為11mm—24mm，將螺釘穿過槽用雙螺母緊固在大齒輪上，萬向節(jié)則也通過雙螺母緊固在螺釘?shù)牧硪活^。變向連桿由使用雙頭螺桿連接在一起的兩個萬向節(jié)組成，螺桿一頭為反絲，便于調(diào)節(jié)。前叉則通過另一個螺桿與萬向節(jié)相連，從而形成了轉(zhuǎn)向部分。由于萬向節(jié)連桿與齒輪配合點存在偏心距，因而連桿可以實現(xiàn)周期性往復(fù)運動;前叉通過螺桿與連桿一端的萬向節(jié)相連，隨著桿的往復(fù)運動進而實現(xiàn)周期性轉(zhuǎn)向;因連接桿兩端的萬向節(jié)，與兩側(cè)桿件的連接形成球面副，可以向多個方向轉(zhuǎn)動，避免了死點位置。偏心距的合理設(shè)計實現(xiàn)了前輪的正確轉(zhuǎn)向;兩個萬向節(jié)中間的螺桿則能夠有效實現(xiàn)扭矩傳遞;基于此設(shè)計，小車以正弦曲線的方式向前運動，實現(xiàn)避障功能;

(4)調(diào)整部分。在大齒輪上開槽，通過調(diào)節(jié)偏心距實現(xiàn)前輪偏轉(zhuǎn)角的的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)向角最大為30°，此時越障距離最短為0.8m，轉(zhuǎn)向角最小為15°，此時越障距離最長為1.15m;萬向節(jié)中間的雙頭螺桿也是微調(diào)機構(gòu)，可以調(diào)節(jié)小車的整體軌跡。因而在調(diào)整距離時，只需調(diào)節(jié)齒輪上偏心距的大小和萬向節(jié)連桿的長度即可，調(diào)節(jié)簡單方便。發(fā)車角度確定采用激光筆遠距離定位，精確找到合適發(fā)車角度，用時短，精度高。

(5)轉(zhuǎn)向部分的計算。有e=a×α。取a=45mm，當(dāng)α=15°時，e=11mm;當(dāng)α=30°時，e=24mm，其中e為大齒輪開槽處的偏心距。

(6)小車其它尺寸計算。小車各個部分的關(guān)系為Δl=dsinφ、θ=arcsinΔl/l其中r1、r2，ω1、ω2為前后齒輪的半徑和速，d為前齒輪旋鈕的位置，主要零件的設(shè)計尺寸:前軸9mm，后軸10mm;前輪40mm，寬度8mm，后輪200mm;大小齒輪齒數(shù)比為4.13∶1，大齒輪齒數(shù)為Z1=62，小齒輪為Z2=15，模數(shù)m=1。

3小車調(diào)試與行走

在小車的實際調(diào)試和行走過程中，實踐操作的經(jīng)驗非常重要。例如，當(dāng)障礙物間隔為1m時，要求小車的行走周期為2m，而正弦曲線的周期是通過調(diào)節(jié)大齒輪偏心距來實現(xiàn)的，雖然通過計算很容易得出理論值，但是由于螺母與螺桿并非理論中的質(zhì)點，因而在實際操作中很難實現(xiàn)一次性調(diào)試成功。因而在不斷的實踐中才能總結(jié)出規(guī)律，并熟練掌握。

在小車調(diào)試的初期，通過在小車后粘貼熒光筆來跟蹤軌跡，但發(fā)現(xiàn)這種方法會增加小車行走的阻力影響軌跡的精度而且跟蹤的曲線不具備完整性，后來改用了在車底板上放一個以一定的速度滴水的小容器，實現(xiàn)軌跡的跟蹤。實踐證明，這種軌跡跟蹤方式，更加準(zhǔn)確，并且容易清理。通過量取軌跡的周期則可以判斷小車的行走周期。當(dāng)軌跡的周期大于比賽要求周期時，則通過增大偏心距來減短實際軌跡的周期:相反，則減小軌跡的周期。這樣便實現(xiàn)了小車行走周期的正確調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)好周期后，小車大齒輪的偏心距便被固定住了。接下來便不再著眼于小車軌跡的1個周期了，而是著眼于小車行走軌跡的總的趨勢。因為當(dāng)萬向節(jié)連桿過長時會使小車的軌跡成為一個整體往左偏的大弧，而萬向節(jié)連桿過短又會使小車的軌跡成為一個整體往右偏的大弧。萬向節(jié)連桿兩端的螺紋旋向相反，在調(diào)節(jié)時，往里旋轉(zhuǎn)為調(diào)短向外旋轉(zhuǎn)為調(diào)長，調(diào)節(jié)方式簡單，另外兩端萬向節(jié)與連桿通過雙螺母固定在一起增加了穩(wěn)定性。

在軌跡的調(diào)直過程中，通過在發(fā)車線前45cm(以行走周期為1m為例)處貼一張中心線與障礙物所在直線重合的16K的紙來定發(fā)車角。具體方法:在紙的左上角標(biāo)出前輪位置，保持前輪位置不變，通過改變后輪位置改變發(fā)車角度，并隨時在紙上標(biāo)記后車輪位置。當(dāng)小車左輪擦桿時，減小發(fā)車角，當(dāng)右輪擦桿時，增大發(fā)車角，從而出直線。在實際調(diào)車過程中，很多時候不論如何改變發(fā)車角度都不能使得小車實現(xiàn)總體的直線繞桿，這時便要通過調(diào)節(jié)萬向節(jié)連桿來微調(diào)前輪的轉(zhuǎn)向角，而調(diào)節(jié)連桿長度時，微小的變化則會引起轉(zhuǎn)向角較大的變化，連桿每旋轉(zhuǎn)一圈長度便會改變1mm，而1mm會使轉(zhuǎn)向角改變2.5度。因此螺桿要旋轉(zhuǎn)的角度要視軌跡的偏離情況而定。

通過在地面上貼紙的方式，調(diào)車的精度能到20根桿，若直線距離再遠，則在紙上畫線便會過密，肉眼很難再進行定位。為了克服這一困難采用了一種更加精確的定發(fā)車角度的方式，即激光筆。在用紙粗定發(fā)車角之后，在距發(fā)車線20m遠處放上帶刻度的板子，并使板子與地面垂直，0刻度線位于障礙物所在的直線上;把激光筆固定在小車前叉的平臺上，通過改變激光點所在的刻度來改變發(fā)射角度。由于貼紙法調(diào)節(jié)范圍廣，調(diào)節(jié)速度快，但調(diào)節(jié)精度低，所以用于角度的粗調(diào);而激光筆調(diào)節(jié)法，調(diào)節(jié)精度高，但調(diào)節(jié)范圍小，所以適合粗調(diào)完成后的精調(diào)。兩種方式各有利弊，綜合利用取長補短，使得小車的調(diào)節(jié)得到完善。

小車的行走過程是一個不斷磨合的過程。在不斷的行走練習(xí)過程中，小車的各種零件才能實現(xiàn)更好的配合。

4結(jié)語

在無碳小車的設(shè)計、制造和調(diào)試過程中要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯瘢茖W(xué)是容不得半點馬虎的，小車設(shè)計是一個用科學(xué)來指導(dǎo)實踐，把科學(xué)運用到實踐中去的過程。既然是指導(dǎo)實踐，就應(yīng)該做到事無巨細(xì)，考慮周全，在設(shè)計的過程中，不應(yīng)放過每一個細(xì)節(jié)。小車的制造，是要經(jīng)過方案設(shè)計，三維設(shè)計，優(yōu)化及修改，Cad出圖，圖紙審核等過程來完成的，在此過程中有大量的工作要做，考驗了團隊的合作和分工能力以及團隊精神。而小車的調(diào)試是一個漫長而充滿困難的過程，考驗著調(diào)試人員的耐心和毅力，以及在實踐中應(yīng)用理論知識、不斷總結(jié)經(jīng)驗、創(chuàng)新思維的能力。

第二篇：無碳小車的創(chuàng)新性設(shè)計

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無碳小車的創(chuàng)新性設(shè)計

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碳小車的創(chuàng)新性設(shè)計

摘要：此小車系統(tǒng)的設(shè)計核心是以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車。經(jīng)過分析，確定小車設(shè)計的關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換(運動轉(zhuǎn)換機構(gòu))、車體的平衡、小車的驅(qū)動及小車的周期性轉(zhuǎn)向等問題。為了使小車具有良好的行進效果，通過理論計算與模型建立，我們總結(jié)得出：小車重心要低；結(jié)構(gòu)盡量簡單；傳動件數(shù)少；振動?。徊僮?、調(diào)整方便靈活。

關(guān)鍵詞：無碳小車；結(jié)構(gòu)設(shè)計；曲柄搖桿；正弦曲線 正文：

一、設(shè)計思路

要使小車自動行走，并且繞過多的障礙，必須從以下三方面考慮： 1，能量的高效率轉(zhuǎn)化：為了使重塊的重力勢能高效率的轉(zhuǎn)化為小車的動能，我們采用細(xì)繩纏繞驅(qū)動軸的方法。

2，車體的平衡：小車在行進過程中，由于重塊的擺動，如果設(shè)計不當(dāng)，會使小車傾覆。我們利用三角形具有穩(wěn)定性的原理，提高了車體的平衡。

3，小車的周期性轉(zhuǎn)向：小車的周期性轉(zhuǎn)向按照命題要求小車必須具有方向自控功能，繞過直線布置的每隔1米1個障礙物的要求，小車必須左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向。因此，曲柄勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右勻速擺動的曲柄搖桿機構(gòu)是最好的轉(zhuǎn)向機

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構(gòu)。

二、具體設(shè)計方案 2.1 運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)

小車給定的能量只有重塊下落的重力勢能, 要使小車行駛的距離遠, 必須將重塊的直線運動有效地轉(zhuǎn)化為小車輪軸的回轉(zhuǎn)運動。我們選擇質(zhì)地彈性小、強度高且耐磨性好的細(xì)牽引繩，一端先固定在滾筒軸(驅(qū)動軸)上, 然后再將牽引繩均勻緊密的纏繞在滾筒軸上, 另一端繞過滑輪與重塊連接。這樣重塊下落的運動就可轉(zhuǎn)化為驅(qū)動軸的回轉(zhuǎn)，完成重力勢能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動小車行走的動能。對于影響能量轉(zhuǎn)化效率的因素，主要是繩子的纏繞方法以及方向，當(dāng)然可將牽引繩繞過動滑輪與定滑輪組成的滑輪組以使小車行走更遠。不過由于使用滑輪組會使小車的啟動力矩減小。不便于小車的啟動，最終還是采用了繞過一個定滑輪的方案。

2.2 車體的平衡

底板作為最重要的支承件，是其他支承件連接的基礎(chǔ)，其

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結(jié)構(gòu)必須設(shè)計巧妙、合理。由于所承載的負(fù)荷比較小，選用厚度為d=8mm的硬塑料板，為避免發(fā)生薄壁振動，減少能量損耗，薄壁面積應(yīng)小于90cm2小車的重塊在車上重物支撐桿上方開始下落，距離車底板上面約500mm，而小車為了節(jié)省能量及避障性好，車底板一般不能選得面積太大，兩后輪距（定為210mm）不能太大，限制底板的寬度不能大，剛度好。整個小車就是一個立式的結(jié)構(gòu)，小車運行起來按避障要求左右轉(zhuǎn)向牽引繩帶動重塊在重力的作用下將大幅擺動，導(dǎo)致小車傾覆不能行走，因此，將重物支撐桿設(shè)計成由兩快平行板圍成，一個中間恰好通過的重塊，限制了重塊在小車運行中的擺動，達到車體運行中良好的平衡。另外，也可以通過降低小車底板距離地面的高度來降低整車的重心，達到良好的動態(tài)平衡，為此將小車底板折彎，滿足整車重心降低的需要，使得大齒輪轉(zhuǎn)動不與底板干涉。整個車（包括重塊及負(fù)載重量塊）的重心最好應(yīng)居于小車三個輪構(gòu)成的三角形的形心上，保證小車的平穩(wěn)運行。

2.3 小車的驅(qū)動及小車的周期性轉(zhuǎn)向

小車的驅(qū)動齒輪傳動效率可高達98％，因此可以很好的提

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高能量利用率。依據(jù)重塊下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為使小車前進的動能能量損失最少的原則，選擇以曲柄搖桿來完成滾筒軸到轉(zhuǎn)向軸的動力傳動，驅(qū)使小車行駛，使小車行駛的更遠。

內(nèi)聯(lián)系傳動鏈容易保證傳動鏈與執(zhí)行件之間的嚴(yán)格傳動比，盡量縮短內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，減少傳動件的個數(shù)，縮小傳動誤差，盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會有效地提高能量利用率。實現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向，小車的內(nèi)傳動鏈必須準(zhǔn)確，否則會“失之毫厘謬以千里”，小車很快脫離預(yù)定的軌跡，退出比賽。必須將滾筒軸的動力輸出用嚴(yán)格的定傳動比輸出到后輪軸及前輪的轉(zhuǎn)向裝置上，實現(xiàn)后輪的行程與前輪的轉(zhuǎn)向相匹配，這也是選擇用曲柄搖桿來完成滾筒軸到轉(zhuǎn)向軸的動力傳動的主要原因。

另外還要注意齒輪的設(shè)計，加工精度要嚴(yán)格保證，各傳動軸及輪軸的材料，應(yīng)有較高的支承剛度，減少受載后的彎曲變形，在布置上也要考慮軸的兩支承跨距盡量要小，軸伸尺寸盡量短，齒輪盡量靠近支承處（如滾筒軸的設(shè)計）來提高內(nèi)傳動鏈的運動精度。

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小車的周期性轉(zhuǎn)向按照命題要求小車必須具有方向自控功能，繞過直線布置的每隔1米1個障礙物的要求，小車必須左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向。在速度一定的前提下，必須要保證小車的運動軌跡曲率是連續(xù)變化的，小車才能平穩(wěn)行駛。否則，曲率突然改變，小車容易晃動甚至傾覆。因此，曲柄勻速轉(zhuǎn)動，搖桿左右勻速擺動的曲柄搖桿機構(gòu)應(yīng)該是最好的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，小車運行軌跡接近正弦曲線，曲率變化連續(xù)從滾筒軸的回轉(zhuǎn)運動到控制前輪轉(zhuǎn)向的搖桿的水平擺動，需要把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動，以實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。

要實現(xiàn)把豎直平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動，可以采用錐齒輪傳動、凸輪機構(gòu)、摩擦輪傳動、皮帶傳動等傳動機構(gòu)。在考慮到安裝精度、傳動效率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及成本高低后，最后選用了變形的曲柄搖桿機構(gòu)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的方案，見圖

曲柄搖桿機構(gòu)中的曲柄回轉(zhuǎn)中心，即滾筒軸軸心應(yīng)與搖桿的擺動平面等高保證機構(gòu)無急回特性，曲柄作等速轉(zhuǎn)動，搖桿擺動時左右行程的平均速度相等，即使得前輪左右擺幅相同。

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按照指定軌跡行駛把鉛垂平面的運動轉(zhuǎn)化為水平面運動是個三維空間的運動轉(zhuǎn)換，通用的曲柄搖桿機構(gòu)不能完成三維空間的運動轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)了與滾筒軸連接的曲柄的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為搖桿的水平運動，搖桿在水平面內(nèi)擺動。使得前輪左右擺幅相同，實現(xiàn)了小車前輪的轉(zhuǎn)向問題，且保證了傳動的準(zhǔn)確。通過控制連桿和曲柄長度，使得連桿推動搖桿水平直線移動距離僅為減少了能量消耗另外，見圖

在前輪軸上增加了盤軸承，適當(dāng)保持兩盤軸承的距離，顯著增強了前輪軸的支承剛度大大提高了前輪軸的運動精度，使前輪轉(zhuǎn)向更準(zhǔn)確利用曲柄搖桿機構(gòu)控制小車自動轉(zhuǎn)向。原理是單手握龍頭 這樣小車結(jié)構(gòu)簡單、容易加工、能量利用率高，且便于前輪擺動角度的調(diào)節(jié)。

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三、總結(jié)

本次設(shè)計的小車?yán)镁€牽引實現(xiàn)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動；利用齒輪副將運動傳遞給后輪軸實現(xiàn)后輪驅(qū)動；并利用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向，前輪轉(zhuǎn)向的角度與后輪的轉(zhuǎn)速相匹配，結(jié)構(gòu)簡單、傳動件少、質(zhì)量小，大大地降低了能量的損耗，小車行駛平穩(wěn)且更遠。小車的總體方案圖

主要部件尺寸：

驅(qū)動輪直徑160mm

轉(zhuǎn)向輪直徑60mm 后輪距210mm

前后輪距190mm 齒輪距140mm

傳動比5

第三篇：無碳小車制作方案（范文）

第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)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(zhèn)澎

指導(dǎo)老師：江帆

摘要

第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的命名主題是“無碳小車”。設(shè)計過程特別注重設(shè)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(shù)化設(shè)計，數(shù)控加工等先進設(shè)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(lián)合考慮，通過學(xué)習(xí)提升加工人員綜合素質(zhì)、充分利用已有資源，層層把關(guān)，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(yōu)的制作方案靠近。

根據(jù)制作方法，我們將零件分為標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件兩種。為了制作過程更加容易完成，設(shè)計過程盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件，然后購買。非標(biāo)準(zhǔn)件將由參賽者加工完成。

關(guān)鍵字：參數(shù)化設(shè)計 數(shù)控加工 標(biāo)準(zhǔn)件 非標(biāo)準(zhǔn)件

一、材料選擇

1.1 小車零件

標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)向輪、頂滑輪

非標(biāo)準(zhǔn)件：底板、后輪2個、后輪軸1個、大齒輪軸1個、轉(zhuǎn)片1個、轉(zhuǎn)片軸、連架桿2個、微調(diào)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(xiàn)有設(shè)備

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

1.3非標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性和抗腐蝕性。亞克力板具有較好的透明性，化學(xué)穩(wěn)定性，力學(xué)性能和耐候性，易加工，外觀優(yōu)美，價格低廉等特點。通過上述分析，理應(yīng)選擇亞克力板，但是機電實驗中心現(xiàn)有設(shè)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(biāo)準(zhǔn)件的材料統(tǒng)一采用鋁合金。

二、加工制作

2.1底板、后輪、轉(zhuǎn)片、車頂、前搖桿和載物板的加工

材料：鋁合金

軟件：SOLIDWORKS、CREO 設(shè)備：立式數(shù)控加工中心、萬能外圓磨床

過程：將零件文件從SOLIDWORKS轉(zhuǎn)換格式在CREO打開 → 轉(zhuǎn)換成計算機編程語言 → 導(dǎo)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(shù)控機床的控制還包括機床的啟動、關(guān)閉；主軸的啟停，旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的變換，冷卻液的起、關(guān)閉等。后輪在數(shù)控加工完后，應(yīng)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(zhuǎn)片軸、連架桿、微調(diào)螺桿、連桿和撐桿的加工： 材料：M8實心鋁棒，M8空心鋁棒

設(shè)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(yīng)該稍稍預(yù)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(shè)計的技術(shù)要求實現(xiàn)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(huán)節(jié)，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(lián)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(guī)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(gòu)，傳動機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)，行走機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)件誤差

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

4.1.2加工誤差

無論是數(shù)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(guī)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(guī)格設(shè)計規(guī)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(zhǔn)，避免裝配基準(zhǔn)的多次傳遞（減少累計誤差）、掌握誤差的變化規(guī)律（消除系統(tǒng)誤差）

五、五、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，如果速度過快，可能是繞繩驅(qū)動軸半徑過小，可以改變驅(qū)動軸半徑進行調(diào)試。

（2）小車避障的調(diào)試：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(biāo)記。

第四篇：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(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(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

第五篇：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(xì)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(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..............................................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(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