无碳小车动力学分析
无碳小车的机构与运动分析
1 无碳小车的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。
竞赛时统一用质量为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。
要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均来自重物重力势能转换，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。
2 无碳小车机构运动设计和性能分析图1 无碳小车机构简图小车由重物下降通过尼龙线带动绕线轮为小车提供动力，由零件1，2,3,4,5无碳小车的机构与运动分析吴朝春 西南交通大学机械工程学院 四川成都 611756组成的曲柄连杆机构控制前轮的摆动实现小车的导向，利用齿轮传动将动力传递到后轮轴实现小车的驱动。
同时为了更好的实现小车的性能要求：位移路程比V、位移S、、跑偏量L、绕桩数N，对小车五大机构进行最大程度优化。
3 无碳小车机构分析3.1 无碳小车的结构组成无碳小车主要有五大机构构成： 1）支撑机构：小车的骨架，是各机构布置的基础；2）原动机构：提供小车运动的装置，实现重物块重力势能转变为小车的动能； 3）传动机构：将原动机构一部分能量传递到转向机构；4）转向机构：完成小车的导向，保证小车实现预定轨迹运行； 5）驱动机构：实现小车的前进 。
3.2 支撑机构的设计车辆底板承受较大的载荷，而且要求在强度足够的情况下，重量尽可能地小。
考虑到重量、加工成本等，底板采用3mm 厚的铝合金加工压制制作，底板前端叠加一块加固板增加转向部分的强度；后轮主轴支架，大齿轮轴支架采用5mm 厚铝合金板制作，而且采用一体成型的方法，减小零件数量。
铝的材料密度小，强度较大，而铝合金的性能更优于普通铝制材料，适合用来制作支架。
其次，为了制作和携带方便，将重物支撑架单独制作，将每一根支架杆两端攻螺纹，最后用螺栓固定到底板上。
无碳小车设计使用说明(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。
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。
无碳小车设计研究
无碳小车设计研究针对全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，要求设计一辆S型或者8字型无碳小车，竞赛命题是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行装置。
文章主要分别介绍了无碳小车S型与8字型的异同点，使人们对无碳小车有更深入的了解。
标签：无碳小车；8字型与S型区别；结构设计1 8字型无碳小车1.1 设计简图8字型无碳小车以重力作为驱动力，具有自动转向功能。
小车的综合性能以越障能力作为评优标准。
设计的结构简图如图1所示1.2 小车整体设计8字型无碳小车结构是由原动机构、传动机构、转向机构和调节机构组成的。
其中原动机构的动力是由重物下落时的重力势能转化而来；传动机构可以采用齿轮传动；转向机构是由曲柄摇杆结合不完全齿轮构成；调节机构则通过调节螺丝来完成。
1.3 加工制作车底板因为不需要承受很大的压力，精度要求不是非常高，考虑到质量轻，并且加工方便以及成本低等因素，决定用铝合金薄板加工制作成三角形式底板。
可以利用&=4mm铝合金板的边角废料，节约且易加工。
1.4 转向机构转向机构是本小车的关键部分，尤其8字型小车要求十分严格。
能实现转向控制的机构通常有：曲柄连杆+摇杆，曲柄摇杆，凸轮机构+摇杆和差速转弯等几种方式。
通过实际对比分析可得出，凸轮机构虽然结构简单，紧凑，但轮廓轨迹加工和计算难度较大。
而曲柄连杆+摇杆，其工作原理简单明了，加工和零件设计均易实现。
该结构可将旋转运动转化为满足实际要求的往复直线运动，进而使得摇杆带动转向轮做周期性左右转动来实现拐弯避障功能。
为了减少因紧固连接而造成的摩擦损耗，可以在连杆两段使用万向节。
万向节转向灵活，机构紧凑可购买。
既提高了转向精度又降低了成本，此转向机构具有结构易加工，成本低，调节稳定等优点。
1.5 动力转换机构动力转换机构的功能是将重块的重力势能转化为主动轮的驱动力，从而把重力势能转换为小车前进的动能。
其中简单易行的方案是：利用细线和定滑落机构，细线两段分别绕在卷筒上和栓在重锤上，而卷筒则固定在驱动轮轴上，使得重锤的重力可以转换为驱动轮上的扭矩，从而带动主动轮产生动力。
无碳小车设计方案1
对于微调机构，我们小组提出了：
a.螺母b.键槽
但是对于我们小车的调整，我们认为键槽的可调性更大，更方便于我们在测试小车时的调整，以及使我们的调整空间更大。
技术设计
一、建立数学模型与参数确定：
1.运动学分析模型：
建立坐标系，小车的移动轨迹为余弦函数：
微分求的小车一个周期行走路程为：
，
,经测量，得到路程大概数值为2500mm左右。
1.竞赛主题：
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。
2.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（￠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。
一、车架
车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝板加工制作成。其中三角形结构紧凑但不能携带落下的重物、矩形结构平稳但材料浪费且增加小车自重，而三角形和矩形综合能汇集三角形和矩形的优点同时又避免了主要缺点，因此选用三角形和矩形综合型。
二、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。而带轮和链轮适用于电机作为动力的机构中。基于以上分析我们选择绳轮式原动机构
无碳小车动力学分析
无碳小车动力学分析第一篇：无碳小车动力学分析2、相关计算：原动机构的作用是将重物下降的重力势能转化为小车的动能。
在重物下降过程中，驱动轴转动，为小车提供动力，设重物质量为M,下降高度为h，则其重力势能为Mgh,转化为自身的动能EK1、小车的动能EK2、小车行走过程中的摩擦及损耗W损，Mgh=12Mv12，E1k1+EK2+W损其中，EK1=12Mv12，EK1=v为重物下降的速度，也是驱动轴的线速度；n周，v2为同一时刻小车的行进速度，也是后轮的线速度；设驱动轴转动一周，后轮转动所以，vv12=d驱动轴nd后轮设重物下降过程中加速度为a, 绳子的拉力为T, 有：T=M(g-a)由此产生的力矩为：M1=T⋅R驱动轴⋅λ（其中λ为考虑摩擦影响而设置的系数）分析可得：1.当拉力一定时，驱动轴半径越大，产生的力矩越大，驱动轴半径越小，产生的力矩越小；2.当力矩M达到一定的大小保持不变，驱动轴半径越小，拉力T越大，从而使物块减速。
3、机构设计根据前面的分析与计算，将驱动轴设计为阶梯轴：3.1.3动力学分析模型 a、驱动如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为T，有T=m(g-a) 产生的扭矩M2=T⋅r2⋅λ1，（其中λ1是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。
）驱动轮受到的力矩MA，曲柄轮受到的扭矩M1，NA为驱动轮A 受到的压力，FA为驱动轮A提供的动力，有MA+M1=M2⋅λ2i（其中λ2是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数）MA=NA⋅δ+FA⋅Rb、转向假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为MC，其大小可Nc1⋅BRc1-μ11-μ2π(+)E1E222σc=由赫兹公式求得，Nc=σc⋅B⋅2b 由于b比较小，故 Mc=μσcbB142对于连杆的拉力Fc，有sinθc2=θc=1r1⋅sinθ1 lπ2-α-arcsinc⋅(1-cosα)l⋅cosθc2Mc=Fc⋅cosθc2⋅c⋅sinθc1M1=Fc⋅c⋅sin(θ+θc2)c、小车行走受力分析设小车惯量为I，质心在则此时对于旋转中心O'的惯量为I'22'I=I+m[(ρA-a1)+a3]（平行轴定理）Nc⋅δNB⋅δ22I'⋅α=FA⋅ρA-⋅(ρA-a1)+d-(ρA-a1-a2)rcR小车的加速度为：aA=δ⋅ρAaAa=Rr2整理上述表达式得：第二篇：无碳小车第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题说明及赛项安排（讨论稿）1.竞赛主题本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。
关于无碳小车力学与材料的实践课程要求(细节版)
关于《工业产品力学分析》、《工业产品材料分析与设计实践》的课程要求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）这部分的我们已经在机构课程设计过来，并且有matlab源文件代码！无碳小车动力学分析，各运动副摩擦分析、各构件受力分析。
铰链的摩擦分析，我们当时是直接给出来效率，这次要更详细的分析铰链的受力了，还有各个构件的受力分析，我建议用adams进行受力分析和建模，会比较方便！要求Matlab编程计算（附源代码）有些分析不一定要用matlab计算，但有能力的还是希望多掌握一种强大工具，这里大家自由选择吧！2 无碳小车各构件材料力学性能分析报告含各构件的尺寸设计（通过强度、刚度与稳定性分析与计算-按假设的力学分析模型分别按静载荷或动载荷分析）；【注意：要说明力学分析模型简化的理由！】构件的长度影响整体的运动趋势，构件的尺寸影响结构的强度、刚度和稳定性，这点是不同的，这部分我建议用，我也想不到什么软件，不过pro/e的mechanism似乎可以结构分析，但建模的话我建议就我们的实际做出来的重力小车通过测绘的方法建模，更接近实际。
基于结构安全的无碳小车各构件尺寸与结构优化方案。
呵呵，结构安全？谁有兴趣接着部分的工作？要求Matlab编程计算（附源代码）看来这matlab不学不可啊！（如果采用可靠性设计与分析方法，将加分）很重要的一点，可靠性设计与分析方法，我们组可以试试，我大概看来一下，需要一些高中的统计和概率知识基础，大家有兴趣可以在暑假期间学学。
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。
4、无碳小车的成本核算报告要求列出无碳小车的材料与制造成本分析报表。
5无碳小车制造与竞赛各组制造好小车，并调试。
最后进行绕桩竞赛（竞赛规则见机构分析与综合课程要求）。
附分析报告提纲一、无碳小车整体动力学分析报告1、各机构运动学分析含小车运动要求，运动轨迹测算，根据这些要求设计机构，进行运动学分析，根据运动学参数进行机构结构优化（如你设计的凸轮机构有刚性冲击，给出避免刚性冲击的方案，主要是要求加速度比较小，或者是加速度变化比较均匀），速度波动等本步骤主要给出各机构初步尺寸，为后续计算做准备，并给出修改方案。
工程训练大赛无碳小车说明及其计算
谢谢大家！
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2420.1 0.2419:04:1519 :04:15 October 24, 2020
•பைடு நூலகம்
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月24 日下午7 时4分2 0.10.24 20.10.2 4
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2 020年1 0月24 日星期 六下午7 时4分1 5秒19:04:1520 .10.24
凸轮机构、连杆机构、气动装置、液动装置、电动装置
等等
但是注意：为减少效率损失，传动步骤越少越好
六、结构分析
主要考虑：能量转化机构、传动机构、转向机构、车体结构；
非常多，而且繁杂。 注意：命题中是单轮导向，不要拘泥于资料文献的各种框框，要讲究突破思维定势、 小巧灵活。能够完成单轴摆动即可。
六、结构分析
主要考虑：能量转化机构、传动机构、转向机构、车体结构；
八仙过海各显神通 注意： 1.体积不要过大，.重量要轻； 2.重心要低； 3.轮距适中，注意保持稳定性； 4.根据“神牛”结构，可不必使用差速器；
ω P
r v1 v1
vv33
2L
5
4
2
1
3
H2 差速器
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2420 .10.24Saturday , October 24, 2020
Φ
G
G=1kg
五、计算分析
力约束—— （克服运行阻力的最小值和不打滑的最大值）
克服运行阻力： 车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力 惯性阻力（N）=P0 ×a (小车启动加速度) 静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流阻力等
无碳小车设计报告
2014年****工程训练综合能力竞赛无碳小车设计报告参赛者：指导老师：2014/10/151、设计概述“无碳小车”是将重力势能转换为机械能，使小车实现行走及转向功能的装置。
小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动，从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。
具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力，通过线绳带动齿轮轴等传动机构，单轮驱动；通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。
无碳小车结构设计总装图如图所示。
2、设计思路和方案小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、、制造加工调试2.1功能分析对小车功能要求进行分析，寻找功能元解，将小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块。
对每一个模块进行多方案设计，综合对比选择最优的方案组合。
2.2参数分析与个性化设计利用Solidworks软件进行小车的实体建模、部分运动仿真。
对方案建立数学模型进行理论分析，使用MATLAB软件分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析，得出小车的具体参数和运动规律。
2.3 机械总功能分解及功能元解表1.势能转向小车形态学矩阵2.4 机构选型基本原则①满足工艺动作和运动要求。
②结构最简单,传动链最短。
③原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。
④机构有尽可能好的动力性能。
⑤机器操纵方便、调整容易、安全耐用。
⑥加工制造方便，经济成本低。
⑦具有较高的生产效率与机械效率。
2.5转向机构分析目前，能够实现无碳小车车轮转向控制的机构主要有曲柄摇杆机构、正弦机构（曲柄移动导杆机构）、RSSR空间四杆机构凸轮推杆机构和圆轮导杆机构。
这5 种机构在结构和功能上有各自的特点。
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。
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2、相关计算：
原动机构的作用是将重物下降的重力势能转化为小车的动能。
在重物下降过程中，驱动轴转动，为小车提供动力，设重物质量为M ,下降高度为h ，则其重力势能为Mgh ,转化为自身的动能E K 1、小车的动能E K 2、小车行
走过程中的摩擦及损耗W
损，
W E E
K k Mgh 损
++=
21
其中，
v E M K 2
1121=
,
v E M K 21121=
,
v 1
为重物下降的速度，也是驱动轴的线速度；
v
2为同一时刻小车的行进速度，也是后轮的线速度；设驱动轴转动一周，后轮转动
n 周，
所以，
d d v
v
n 2
1后轮
驱动轴
=
设重物下降过程中加速度为a , 绳子的拉力为T , 有：
)(a g M T -=
由此产生的力矩为：
λ
⋅⋅=R M
T 驱动轴1
（其中λ为考虑摩擦影响而设置的系数）
分析可得：
1.当拉力一定时，驱动轴半径越大，产生的力矩越大，驱动轴半径越小，产生的力矩越小；
2.当力矩M 达到一定的大小保持不变，驱动轴半径越小，拉力T 越大，从而使物块减速。
3、机构设计
根据前面的分析与计算，将驱动轴设计为阶梯轴：
3.1.3动力学分析模型 a 、驱动
如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为T ，有
)(a g m T -=
产生的扭矩122λ⋅⋅=r T M ，（其中1λ是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。
）
驱动轮受到的力矩A M ，曲柄轮受到的扭矩1M ，A N 为驱动轮A 受到的压力，A F 为驱动轮A 提供的动力，有
221
λ⋅=+
M i M M A （其中2λ是考虑到摩擦产生的影响而设
置的系数）
R F N M A A A ⋅+⋅=δ
b 、转向
假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为C M ，其大小可
由赫兹公式求得，)
11(1
2
2
212
1E E R B N c
c c μμπσ-+-⋅=
b B N
c c 2⋅⋅=σ
由于b 比较小，故
2
4
1bB
M c c μσ=
对于连杆的拉力c F ，有
l
r c 1
1sin 2sin θθ⋅=
2
1
cos )cos 1(arcsin
2
c c l c θααπ
θ⋅-⋅--=
1
2sin cos c c c c c F M θθ⋅⋅⋅=
)
sin(21c c c F M θθ+⋅⋅=
c 、小车行走受力分析
设小车惯量为I ，质心在则此时对于旋转中心O '的惯量为I '
]
)[(232
1a a m I I A +-+='ρ（平行轴定理）
)
()(21221a a R N d a r N F I A B A c c A A --⋅-+-⋅⋅-⋅=⋅'ρδρδρα
小车的加速度为：
A A a ρδ⋅=
2r a
R a A =
整理上述表达式得：。