1、摘要发展低碳经济是应对全球气候变暖，担当世界公民责任的必然之举 ，党的十六大报告提出的重要思想理论，就是要走出一条低消耗、低排放、 高效益、高产出的新型工业化道路，而第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛以“无碳小车”为主题，符合世界的发展需求。本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛” 。在上一届的基础上增加了小车跑“8”字形路线项目。 “无碳小车”是根据能量转换原理，将给定的重力势能转换为机械能驱动小车行走并能够在前行时自动避开赛道上设置的障碍物的装置。该小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和微调机构以及车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮周期
2、性转向从而自动避开障碍物。在设计小车的整个过程中我们特别注重设计的思路，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；以创新和灵感为主线，使小车的设计做到规范性和创新性；我们还综合考虑了材料 、加工 、制造成本等几方面因素，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 PROE 软件辅助设计。小车的设计主要分为三个阶段：方案设计、技术设计和优化设计。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，进行分模块化设计。技术设计在方案设计的基
3、础上对方案进行理论分析，运用数学计算和数学建模，得到了小车运动轨迹与其尺寸的数学关系，然后运用 Matlab 进行数据分析，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。最后综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等实现优化设计。目 录第 1 篇绕“S ”型曲线摘要 2一 绪论 51.1 本届竞赛主题 51.2 比赛要求 .51.3 竞赛命题：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车 .51.4 竞赛项目 I： 6二 方案设计 72.1 小车的设计方法 72.2 方案说明 82.3 方案分析 .92.4 设计思路 9三 具体设计步骤 103.1
4、耗能分析 103.2 具体设计方法 113.2.1 原动机构（驱动装置） .113.2.2 传动机构（传动装置） .123.2.3 转向机构 .133.2.4 细节设计 183.2.5 行走机构 183.2.6 调节机构 193.2.7 绕线轮设计 19四 数据分析 204.1 运动学分析模型 .204.2 小车运动仿真分析 25五 零部件设计 255.1 参数确定 255.2 需加工的零件 255.3 可购买的标准件 26六 徽标设计 28七 评价分析 297.1 小车优缺点 297.2 改进方案 29八 设计总结 29九 参考文献 31第 2 篇绕“8”字型曲线一 绪论1.1 本届竞赛主题
5、本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛” 。1.2 比赛要求要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一套符合本命题要求的可 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 项报告。1.3 竞赛命题：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计一种小车，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） ，竞赛时统一用质量为 1Kg 的重块（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差4002mm，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。要求小车
6、行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转获得，不可使用任何其他的能量来源。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。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。图 1： 无碳小车示意图1.4 竞赛项目 I：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二 方案设计2.1 小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析确
7、定基本设计思路，以创新和灵感为主线，设计过程中综合需要综合考虑材料 、加工 、制造成本等几方面因素。根据小车功能设计要求即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。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。 在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发明理论方法。采用了 MATLAB、PROE 等软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程如图所示：否是明确小车的任务要求小车功能分析可行的方案组合几种可行的方案评价确定方案初步参数确定参数优化选择材料确定尺寸
8、评价改进2.2 方案说明 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。下面为我们设计图框三角底板式骨架式 绳轮式链轮式 弹簧储能式 直齿轮锥齿轮带轮凸轮加摇杆曲柄连杆加摇杆曲柄摇杆差速转向双轮同步双轮差速驱动 单轮驱动 微调螺母滑槽 车架传动机构转向机构行走机构微调机构原动机构2.3 方案分析 在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成
9、本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。小车主要实现两个功能：行走路程远避开障碍多 然而要实现这两个功能，就需要减少内部摩擦损耗、减少地面的摩擦损耗。这样就要保证简化机构、减少高副、减少转轴轴承等直径、充分润滑、保证零件精度、选择适当的材料、减少小车的重量、增大轮子半径以减小摩擦等途径，再则是可根据不同的地面粗糙度调整轮子。最后要达到避开障碍多，就要保证加工装配精度，对小车行走影响较灵敏的零部件尺寸可微调。 小车大多数零件采用标准件、可以直接购买，减少加工误差，另外部分零件可以通过手工加工出来。2.4 设计思路1、车体设计按照大赛规定小车采用三轮
10、结构，梯形车身设计，车架材料经过认真比较认为选用铝板最适宜，用铝板做的车架即比塑料车架更加牢固，又较铁制的美观轻便。2、总体设计思路根据大赛要求小车采用三轮结构，我们把前轮作为转向轮，后两轮作为驱动轮，根据能量转换原理，重物通过轻绳跨过定滑轮连接到驱动轴的 T 型轴上，将给定的重力势能转换为机械能，并通过小车的传动装置传给后轮驱动小车行走，并使前轮通过转向机构能做周期性的来回摆动，从而使小车在前行时自动避开赛道上设置的障碍物。这样，当前轮周期性的来回摆动和后轮的向前滚动相结合就可以实现无碳小车的周期性向前行进，由此可以实现小车避开每隔一米一个的弹性圆棒。三 具体设计步骤3.1 耗能分析图 3-
11、1 图 3-2力分析小车质量 P0 ，重力 P0 g=地面支反力 N0 小车驱动力矩 M=等效力偶 F0D/ 2（小车驱动力）F 0=2M/D M 由 G 获取例如：M= G / 2= F0D/ 2（暂不计效率）此时 F0= G /D 做功分析设：S 为小车行走距离，mm， 为小车总效率，F0 S =G 500mm 则： S =G 500mm / F0 前面防滑计算得出：F 0 Ff = P0 g f 可见：（1）为了增大小车行走距离；（2）为了避免能量损失不打滑；（3）在保证能够驱动小车行走的前提下， F0 越小越好。3.2 具体设计方法3.2.1 原动机构（驱动装置）如图 1，重物的重力作
12、为小车的驱动力，设计中要尽可能多的把重物的势能转化为小车的势能，尽可能的使车匀速运动，也尽可能减少物体下落过程和小车行进过程中的能量损失。方案:1.重物通过轻绳跨过定滑轮连接到驱动轴的 T 型轴上，启动时要求驱动力比较大，轻绳从原动轴的大端开始（M=FR 得 F=M/R） ，有利于启动。2启动后，原动轴的半径变小，转速相应的提高，转矩变小，设计使其刚好能和阻力相平衡，实现小车匀速运动。3.当物块与小车距离相近时，由于要减小小车的速度和重物下降速度，原动轴的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，物
13、块停止下落，正好接触小车。4.此结构中还设计有防止砝码在下滑过程中摆动的相应机构，这样就那保证砝码稳速小落，减少能量损失。图 13.2.2 传动机构（传动装置）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，传动机构必须传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。方案：传动机构可通过直齿轮、锥齿轮、带轮等装置来传动，通过比较和分析，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。而齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等一系列优点。因此在需用传动装置的情况下优先考虑使用齿轮传动,如图 2。图 23.2.3 转向
14、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，零部件易获得等基本条件，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、蜗杆涡轮机构、曲柄摇杆、差速转弯等等。1.凸轮机构凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，有内凸轮和外凸轮两种，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；缺点：较难得到精确的凸轮轮廓曲线，轮廓加工也比较困难。在
15、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。见图 3 和图 4。图 3（内凸轮）图 4（外凸轮）2.曲柄连杆+摇杆图 5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，易获得较高精度；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
16、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，故连杆机构常用于速度较低的场合。在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构简单，利用 MATLAB 进行参数化设计并不困难，加上可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决，本设计方案如图 6。图 63 蜗杆涡轮机构优点：1.传动比大，结构紧凑。T) f: 2. 传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平
17、稳，冲击、震动、噪音小。缺点：1. 具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。2. 蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在 0.5 以下，一般效率只有 0.70.9。( V N% U; f8 D3. 发热量大，齿面容易磨损，成本高。 g73.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。4.差速转弯差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。差速转弯，是理论上小
18、车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。 （由于加工和装配的误差是不可避免的）图 7图 8综合上面分析我们采用以下方案，见图 9。图 9小车的一副总体设计图（图 10）图 10转向由曲柄滑块装置完成。驱动轴通过齿轮传动联接后带动圆盘转动，圆盘带动曲柄转动，连杆的另一段联接前轮轴上的滑块，滑块的往复运动过程使前轮周期的转动，最终使小车行走轨迹为近似正弦曲线。3.2.4 细节设计车身尽量简单原则，来减小小车总质量，但要有足够位置放置载重物块。推杆的用轴套定位来保证推程和回程过程中方向不变。齿轮和轴承尽量选用标准件尺寸，易于加工。前后车
19、轮选用轻质材料，而且适当的挖空。3.2.5 行走机构行走机构即为三个轮子，轮子有厚薄之分，大小之别，材料之不同，因此需要综合考虑。由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的
20、轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。3.2.6 调节机构 在前面确定了转向采用曲柄连杆加摇杆的方案，由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。再者，加上微调机构可更方便调整小车的轨迹，通过不断的调整和实验使小车走一条最优的轨迹。微调机构有以下两种方式：微调螺母式、滑块式如图。通过分析我们采用滑块调节机构。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
21、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。3.2.7 绕线轮设计加速匀速减速 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 性变化。起始时，原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动；起动后， 原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。见图梯形圆柱原动轮的作用：1.刚开始牵动绳为小车提供动力的部分是梯形圆柱的粗端，这样能为小车提供更快捷的动力。2.下落物体不可避免的会和小车发生碰撞，这样当物体快要和小车碰撞的时候，牵动绳绕到梯形圆
22、柱的细端，这样能减少小车的下落速度，减少物体和小车碰撞的能量损失。图 73.梯形原动轮的设计实现小车的起动和物块的从低速到减速下落。减小因碰撞而损失的能量。4.利用公式 M=F*R，当力一定时，R 越大矩就越大，转动的就越快，车启动的就越快；当 M 达到一定的大小保持不变 R 变小，F就会越大，从而使得物块减速。四 数据分析4.1 运动学分析模型符号说明：后车轮半径 R驱动轮 A 与转向轮横向偏距 1a驱动轮 B 与转向轮横向偏距 2齿轮 1 与 2 传动比齿轮 1 与 3 传动比后轮轴（轴 F）与转向轮中心距离 b曲柄轴（轴 G）与转向轮中心距离 d曲柄的旋转半径 1r轴的绳轮半径 2连杆长
23、 L摇杆长(实际长度)CE 轴为驱动轴F 轴为后轮轴G 轴为曲柄轴滑块在摇杆上运动位移 S图 11. 驱动部分当重物下降 时，驱动轴（轴 E）转过的角度为 ，则有dh后轮轴（轴 F）转过的角度则曲柄轴（轴 G）转过的角度小车移动的距离为（以 A 轮为参考）转向部分当转向杆与驱动轴间的夹角 为时，曲柄转过的角度为 则 与 满足以下关：解上述方程可得 与 的函数关系式3行走轨迹只有 A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度 时则小车转弯的曲率半径为小车行走 过程中，小车整体转过的角度当小车转过的角度为 时，有4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C 的坐标在地面坐标系中，有5.
24、滑块在摇杆上运动位移通过整理以上方程，带入合理参数，使用 Matlab 软件分析得到小车的运动轨迹。 （如下图）图 24.2 小车运动仿真分析为了进一步分析本方案的可行性，我们利用了 proe 进行了动态仿真，详见视频。五 零部件设计5.1 参数确定单位：mm转向轮与曲柄轴轴心距 b=145;摇杆长 c=32;驱动轮直径 D=120;驱动轮 A 与转向轮横向偏距 a1=78驱动轮 B 与转向轮横向偏距 a2=78;驱动轴与转向轮的距离 d=145;曲柄长 r1=22;绳轮半径 r2=165.2 需加工的零件1驱动轴6061 空心铝合金管。外径 6mm 内径 3mm。2车轮铝板 7075-T6，具体参数见附图。3.底板铝板 7075-T6，具体参数见附图。5.3 可购买的标准件1.轴承：内径 6mm，外径 12mm，如图2.轴承座：选用型号：SK123.滑块部分：优先选择卖有现成的，如果不合适，再自己加工制作。4直齿轮齿轮 1：模数=1，齿数=17，外径=17mm，内孔=6mm，厚度：10mm齿轮 2：模数=1，齿数=51，外径=47mm，内径=6mm，厚度=10mm齿轮 3：模数=1， 齿数=34，外径=36mm, 内径=6mm，厚度=10mm材质：7075-T6 铝5.前轮转向部分（与车身配合处）采用型号：LMF6六 徽标设计
