无碳小车设计说明书
无碳小车 设计说明
作品设计说明书（一）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2一绪论41.1命题主题41.2小车功能设计要求41.3小车整体设计要求51.4小车的设计方法6二方案设计72.1车架82.2原动机构82.3传动机构82.4转向机构92.5行走机构10三技术设计103.1建立数学模型113.2参数确定143.3零部件设计153.4小车运动仿真分析18四小车制作调试及改进204.1小车制作流程204.2小车调试方法204.3小车改进方法20五评价分析215.1小车优缺点215.2小车改进方向21六 22一绪论1.1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。
无碳小车设计说明书
无碳小车设计说明书小组成员：指导教师:学校：一. 设计思路：1.根据设计要求，为达到无碳小车走8字形轨迹重叠的目的，无碳小车应具备重力势能的转换和周期性的转向的功能，即小车分为传动机构和导向机构两部分。
其中传动机构要求能量损耗少、传动比精确，故优先选用齿轮和皮带轮传动。
导向机构要求方向控制度高、摩擦损失小，选用凸轮直线滑块机构。
2.为减轻车身质量同时保证小车刚度要求，小车采用尼龙作为底板材料，上面安装轴承座以支撑输入轴、驱动轴、吊挂重物的立杆等，小车导向机构中的滑块也需固定在底板上。
4.通过计算并确定两齿轮的传动比i，并实现小车驱动轮每行走i个周长长度，转向机构运动实现一个周期，小车也行走一个完整的8字路线。
为了使小车适应不同间距桩，我们采用凸轮机构，控制小车走重叠的8字，使得小车的工作效率更高。
二. 工作原理：当重物下落时，细绳绕过立杆定滑轮带动驱动后轮上面的绕线轮，驱动中间齿轮转动驱动后轮前进，同时通过齿轮啮合传动带动凸轮旋转，带动转向前轮周期性左右转向，从而实现小车在前进过程中自动转向。
这样小车便能在重力势能驱动下沿着“8”形路线前进，并能自动绕过障碍物。
三、设计说明我们可以将小车行走路线简化为余弦曲线和两段圆弧来处理，通过小车的传动比以及驱动轮的大小我们可以计算出该余弦曲线的幅值，可计算出小车的出发点，我们将小车出发位置定在向左转弯的圆弧中点。
我们以绕8字的两个桩位置方向为X轴，在水平面内垂直于X轴为Y 轴方向，通过计算桩间距，障碍物距离，传动比，驱动轮周长可以得出确定曲线方程，通过数学知识我们可以得出小车在出发点的前轮偏向角度（即凸轮角度），偏向角度可以适当调节。
由此我们便可以得出小车出发时垂直摆桩方向的距离以及此时小车前轮的偏向角度，从而确定小车的理论出发位置。
四、设计总结对于大赛给定的命题，重力势能转换为机械能的能量转换原理是设计的重点之一，小车动力传动结构和摩擦传动装置的设计是最重要的部分。
无碳小车设计说明
无碳小车设计说明设计说明：无碳小车设计背景：现在的交通工具使用化石燃料作为能源，不仅对环境造成了严重的污染，还加剧了全球变暖的问题。
为了解决这个问题，设计了一种无碳小车，它使用清洁能源作为驱动力，减少对环境的污染。
设计目标：1.使用清洁能源作为驱动力，减少对环境的污染。
2.提供舒适的乘坐体验和良好的操控性能。
3.具备足够的续航里程和快速充电功能。
4.物理结构紧凑，方便停放和携带。
5.引入智能控制系统，提供高效的安全性和智能交互。
设计特点：1.清洁能源驱动：无碳小车使用电能作为驱动力，充电器可使用太阳能或者风能进行充电，以减少对传统能源的依赖。
2.舒适性和操控性能：小车配备高质量的悬挂系统和减震系统，确保乘坐舒适性。
此外，小车采用电动驱动系统，提供平稳加速和操控性能。
3.续航里程和快速充电功能：小车配备高效的电池系统，提供足够的续航里程，以满足日常通勤需求。
同时，可支持快速充电功能，短时间内充电至80%以上。
4.紧凑的物理结构：小车采用紧凑的物理结构设计，尺寸较小，方便停放和携带，适合城市环境使用。
5.智能控制系统：小车配备智能控制系统，包括导航系统、安全辅助系统和智能交互界面。
导航系统可以提供最佳路线规划和实时交通信息，安全辅助系统可提供驾驶员警示和自动刹车等功能，智能交互界面可以通过语音或手势控制实现乘坐舒适性和便利性。
实施方案：1.动力系统设计：小车采用纯电动驱动系统，电池系统采用高能量密度的锂离子电池，以提供足够的续航里程。
充电器可以使用太阳能充电板或风力充电机，充电时间约为4小时。
2.悬挂系统设计：小车配备高质量的悬挂系统，以提供舒适的乘坐体验。
采用独立悬挂设计，可根据路面情况自动调节减震幅度。
3.控制系统设计：小车配备智能控制系统，包括中央控制单元、传感器和执行器。
中央控制单元接收传感器数据，并将其转换为相应的控制信号，通过执行器实现对小车的控制。
该系统可以提供导航、安全辅助、车辆诊断等功能。
无碳小车设计说明书
无碳小车设计说明书目录一、本作品的创新与特色简介；二、设计方案拟定；三、动力与传动方案的设计、计算与分析；四、动作执行机构的设计、计算与分析；五、其它设计计算与说明，设计总结；一：本作品的创新与特色简介；①所有的动力来自载荷重物，所纯机械结构，无碳排放；②在转向方面，采用内凸轮连杆机构，使得转向的角度、时间更加精确，并辅助以有图的可调机构，是转向调节更加明确。
③在重物下落阶段，增加了一动滑轮，使得做功行程加长，并合理的利用了扭矩。
④绕桩曲线部分的轨迹无需精确的计算出，由上图的机构可在完成后对中间连杆进行调试，已达到目标要求。
二：设计方案拟定；小车的方案设计关键在于传动部分与转向部分。
①传动部分；传动部分的问题在于是用什么进行传动，齿轮、带轮、直接驱动等。
最后结合传动的效率、制作的难易程度，最终确定了采用二级齿轮进行传动，如有图所示。
此方案的优点在于，以中间轴为主动轴，以小于1的传动比带动后轮，再以大于1的传动比带动凸轮轴，这样就很好的解决了行驶路程与转向周期间的关系，并且将传动比控制在合理数值内。
另外，以一个动滑轮来增加做功行程，减小瞬时扭矩，使小车前进平缓。
缺点在于，采用了二级齿轮组，使得摩擦耗能增加，机械效率降低。
②转向部分；转向部分在于采用什么机构，最大的争议在于是采用内凸轮还是外凸轮。
最终确定是采用内凸轮连杆机构。
原因在于采用外凸轮的话需要在连杆的回程部分提供一个力——增加一个弹簧；如果这样的话，可能会因为的弹簧的弹性系数，及位置的放置问题上增加设计的难度。
而采用内凸轮的话就不存在这些问题，不过增加了整体的重量，但这可以通过将凸轮在合理的条件下将其镂空来解决。
为了使后期调整时有更大的可能性，因此在连杆部分采用了右图的结果，如此便可以使小车的转向更加的准确。
③材料方面；除了前后轮采用有机玻璃之外，其余的材料都采用铝材。
底板：厚3mm的铝板，300*160*3.后轮：直径160的有机玻璃，厚5mm。
《无碳小车设计说明》-公开课件
·在整个过程中，重力势能完 全转换为小车运动过程的损
耗。使小车行进的更远.
4．细节设计
· 车身 · 车轮 · 轴承 以减小小车重力和动过程
· 传输功率=转矩X角速度 ，通过一系列的齿 轮，带轮，转轴产生转速比，使作用在后 轮的转矩和阻尼转矩平衡，物块低速匀速 下落。
· 在后轮转轴上安放多个不同半径的带轮， 微调转矩，适应不同的环境下阻力的不同。
· 制作多套后轮，微调转矩。改变后轮时， 也要相应的改变转向传动轮的大小，同时 保持车身水平，适当调整前轮转轴的长度。 （现场可实现）
无碳小车设计说明
· 构架 · 转向部分 · 驱动部分 · 细节说明
1.构架部分
· 小车采用三轮结构（1个转向，2个驱动） · 重物落差0.5米物重1kg.
2.转向
· 转向机构与驱动轴相连
· 小车的转向轮周期性的摆动
· 计算传动机构，使小车行使200厘米时，转 向轮摆动一个周期。
· 确定连杆在转盘有位置，尽量减小转向轮 的摆动角度，从而使小车先驱的实际距离 变大。确定初始位置与摆轮角度的关系。
3．驱动
· 原理：绳拉力为动力。将物块下落的势能 尽可能多的转换为小车的动能，进而克服 阻力做功。物块在下落的过程中不可避免 的要与小车发生碰撞，碰撞过程必然要有 能量损失，所以要解决的问题：1下降过程 中，尽可能的降低下落的速度；2在将要下 降到小车时，改变转速比，使物块减速下 落，进一步减少碰撞损耗。
·
二、小车的起始和结束过程
· 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。
梯形原动轮
无碳小车设计说明书
北华航天工业学院第四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：夏洪伟孙传远肖洋指导老师：韩伟娜第四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：夏洪伟、孙传远、肖洋指导老师：韩伟娜目录第1章方案设计..................................................................................................... - 1 -1.1 车架................................................................................................................ - 3 -1.2 原动机构...................................................................................................... - 3 -1.3 传动机构...................................................................................................... - 4 -1.4 转向机构........................................................................................................ - 7 -1.5 行走机构........................................................................................................ - 9 -1.6 微调机构........................................................................................................ - 9 -第2章技术设计................................................................................................... - 11 -2.1运动学分析模型........................................................................................... - 11 -2.2参数确定....................................................................................................... - 13 -2.3零部件设计................................................................................................... - 13 -附录................................................................................................................... - 15 -第1章方案设计通过对小车的功能分析，“无碳小车越障竞赛”通常主要由车体、能量转换、传动和转向等部分组成。
无碳小车设计说明书
无碳小车设计说明书一、基本构思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、形成固定路线。
在小车行走时尽量较小摩擦，实现能量较大化的转换。
而且需要灵活绕过障碍物。
在选择方案时综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，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。
二、驱动机构1.通过重物自由下落，将重力势能转化为动能，由重物下落带动绕线轮转动，从而实现能量的转换。
2.为了增加下车的稳定性，在设计重物支撑杆时采用了三根杆，这样在小车转弯的时候控制重物左右摆动的角度。
3.在设计绕线轮时综合考虑到，要让小车跑的稳定，能轻松启动，而且跑得更远，设计成一个半径较小的二阶的绕线轮。
4.为了增加美光和方便，将固定线直接套在轴上，这样减小工作量，而且更美观更便捷。
三、传动机构1.重物的下落通过绕线轮（黄色）带动主动轴转动，然后通过二级齿轮（红色）将动力传递到后轮从动轴，从而驱动后轮转动。
2.二级齿轮实现对能量的储存。
四、转向机构（绿）1.转向机构采用偏心轴+曲柄、连杆机构（蓝色）。
U型槽的圆周运动通过连杆转化为曲柄的前后摆动，从而实现小车前轮的摆动。
（具有简单、高效、摩擦力小、能量损耗小的特点）2.还有可以无极可调。
这实现了创新，也非常符合比赛规则。
五、车身及其后轮等其他机构1.将其中的一个后轮变为从动轮，保证了小车的正常运行，而且增加差速，让下车启动更加轻松容易，跑的的也更加稳定。
2.降低了底板的高度，增加了小车的稳定性3.支撑杆支座的设计，采用尼龙，使车身更轻，更加美光。
4.后轮选用亚克力板，在车轮三割去三个圆形快，减轻车身重量，强度达到要求，美观实用。
“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 (￠50×65mm，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。
图1：无碳小车示意图2、要求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，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。
图2：小车路径轨迹示意图(后轮轴中点轨迹)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。
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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
2.关于转向：当转向杆与驱动轴角度为а，曲柄转过角度θ4，连杆长为L，曲柄半
径r4，摇杆长为c，转向轮中心到曲柄轴的长度为b；
公式：L2=c2（1-cosа）2+(b+csinа-r4cosθ4)2+r42sinθ4 2
θ3=θ4 ;
由上式得：а=f(θ3)
小车转弯的曲率半径为ρ=b/tanа+a1
3.小车行走ds过程中，小车整体转过的角度dβ, dβ=ds/ρ;
当小车转过角度为β时，有dx=-ds＊sinβ,得小车从A点到B点的轨迹方程：
dy=ds＊cosβ
x B=x A-(a1+a2)cosβ
y B=y A+(a1+a2)sinβ
4.综上所述：定义无碳小车各部件参数：
大轮半径R为91mm，转向轮半径r为25mm，连杆长L为183mm；
齿轮啮合组①的传动比i1为1/3，齿轮啮合组②的传动比i2为1/4；
转轴①转轴②转轴③的半径r1 r2 r3均为5mm
摇杆长为40mm；曲柄长为120mm；拴绳轴长为60mm
总述
在结合了机械原理和物理学的知识后，设计出的小车能走出S型的轨迹。
通过对无碳小
车结构特点的分析，我们进行了对齿轮参数和最大运动距离等等的计算。
小车理论上可以按照正常的曲线行走，但实际的结果必须从实践中得之，这也是理论设计的弊端。
通过这次学习，我们的创新能力得到了提高。
这次设计仍然存在很多的不足，这是下次需要注意的。