工程训练大赛无碳小车说明及其计算共34页文档
第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛
轨迹设计：绕8字大致可分为三种轨迹，一种为两相外切的圆，第二种为两圆及其内公切线，第三种为正弦8字。
其中，外切圆需一次变向，第二种需四次变向，正弦轨迹导向轮方向时刻变化。为简化机构，我们将轨迹定位外切圆
式。
转向机构：为解决单导向轮容易出现的驱动轮差速计算困难的问题，我们采用双导向轮，单驱动轮的模式。原理如图。
动力传动：动力为下落的重物，经尼龙绳带动驱动轮的轴转动，推动小车前进。采用齿轮减速及凸轮将转动转化为平动，推动导
向轮的连杆，进行变向的控制。
微调模块：为了提高小车的适应性，需要有微调模块便于其轨迹的调整。微调主要集中在推动杆的长度上，采用螺纹配合，通过
旋入螺纹的深度调节，进而改变其轨迹。
第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛
2)材料：铝合金
3)粗加工：
a)粗车：
i.使用机床型号：C6132
ii.夹具：三爪卡盘
iii.量具：游标卡尺，千分尺，百分表
iv.刀具：硬质合金车刀
v.切削用量：Vc=750r/min ap=2mm进给量f=0.3mm/r
4)精加工：
a)精车：
i.使用机床型号：C6132
ii.夹具：三爪卡盘
iii.量具：游标卡尺，千分尺，百分表
结构设计报告
总15页
第2页
产品名称：无碳小车
编号：805
王叶枫
3、设计结果
以下分模块就较为重要的数据进行简介。
1．基本参数：
1.轨迹设计：由于凸轮的过渡，轨迹并非标准的两圆。其中的曲线过渡使两圆圆心距增大，有利于小车的绕杆运行。
200述或关注点的摘要。您可将文本框放置在文档中的任何位置。可使用“文本框工具”选项卡更改重要引述文本框的格式。]
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
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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
作品设计说明书摘要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;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小车改进方向 (21)一绪论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;命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求;小车功能设计要求给定一重力势能,根据能量转换原理,设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置;该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物间隔范围在700-1300mm,放置一个直径20mm、长200mm的弹性障碍圆棒;以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩;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,普通碳钢制作铅垂下降来获得,落差400±2mm,重块落下后,须被小车承载并同小车一起运动,不允许掉落;要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得,不可使用任何其他的能量形式;小车要求采用三轮结构1个转向轮,2个驱动轮,具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成;小车整体设计要求小车设计过程中需要完成：结构方案设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计;命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素,提出合理的工程规划;设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性;命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主;小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确,通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路;作品的设计需要有系统性规范性和创新性;设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素;块化尽量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,车架采用塑料加工制作成三角式底板;原动机构原动机构的作用是将重物的重力势能转化为小车的驱动动能;能实现这一功能的方案有多种,就效率和简洁性来看绳轮最优;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,或重物晃动厉害影响行走;2.到达终点前重物竖直方向的速度要尽可能小,避免对小车过大的冲击;同时使重物的势能尽可能的转化到驱动小车前进的动能,如果重物竖直方向的速度较大,重物本身还有较多势能未释放,能量利用率不高;3.机构简单,效率高,便于加工制作;传动机构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,传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等;1.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不是很高;2.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高,不易加工制作;因此在第一种方式不能够满足要求的情况下可优先考虑使用齿轮传动;转向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,零部件已获得等基本条件,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：凸轮摇杆、曲柄连杆等等;凸轮摇杆：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,而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难;曲柄连杆：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；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来保持接触;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,发生自锁的可能性增加;综合上面分析我们选择凸轮摇杆作为小车转向机构的方案;行走机构行走机构即为三个轮子,轮子又厚薄之分,大小之别,材料之不同需要综合考虑;由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为：对于相同的材料δ为一定值;而滚动摩擦阻力 ： R N R Mf δ⋅==所以轮子越大小车受到的阻力越小,因此能够走的更远;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;双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑,使小车运动产生偏差,但由于小车速度较小时,可以大大减小差速带来的影响;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;但差速器的构造较为复杂,且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;综上所述行走机构的轮子应有恰当可调的尺寸,经过加工和成本的综合考虑我们选用双轮同步驱动;三 技术设计技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸;设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素;建立数学模型通过对小车建立数学模型,可以实现小车的参数化设计和优化设计,提高设计的效率和得到较优的设计方案,充分发挥计算机在辅助设计中的作用;因此,我们采用了Matlab软件辅助设计;小车后轮直径计算：function D2 =fD2LC,n%D2 小车后轮直径%LC 小车行驶一个周期的路程%n 小车行驶一个周期,后轮转的圈数.%确定n之后,也就确定了后轮轴与凸轮轴的转速比为n:1 D2=LC/pi/n;End推杆伸长量计算：function Delta = fDeltatheta,yT%yT 导向杆长%Delta 凸轮的推杆伸长量假定伸长为正,缩短为负%theta 小车前轮转角假定左转为正Delta=yTsintheta;end小车路径上某点的曲率半径计算：function r = frx0,r0,l%fr 求小车路径上某点的曲率半径%r0 零点处曲线的纵坐标,r0-y/2>10,y为两后轮间距%l 两个障碍物间距,700~1300% fx01,fx02 分别为fx0的一阶导,二阶导fx01=r0pisinpix0/l/l;fx02=r0pi^2cospix0/l/l^2;r=1+fx01^2^3/2/fx02;end小车前轮转角计算:function theta = fthetar,x%theta 小车前轮转角假定左转为正%r 小车路径上某点的曲率半径%x 前轮轴与后轮轴间距theta=atanx/r;end小车行驶一个周期的路程计算：function LC = fLCr0,l%运用第一类曲线积分,当被积函数为1时,即求曲线长度%r0 零点处曲线的纵坐标,r0-y/2>10,y为两后轮间距%l 两个障碍物间距,700~1300%LC小车行驶一个周期的路程x0=sym'x0';%r0=sym'r0'; l=sym'l'; %使结果带有r0和l这两符号f=sqrt1+r0^2pi^2sinpi/lx0^2/l^2;LC=intf,0,2l;LC=doubleLC; %将结果转化为数值;结果带有符号时不能使用end凸轮轮廓曲线绘图:l=800; %两个障碍物间距,700~1300r0=150; %零点处曲线的纵坐标,r0-y/2>10,y为两后轮间距x=200; %前轮轴与后轮轴间距yT=30; %yT 导向杆长rj=10; %凸轮基圆半径x1=72; %凸轮轴轴1与前轮轴水平间距x2=72; %轴1与轴2间距x3=48; %轴2与轴3间距x0=0;r=frx0,r0,l;theta=fthetar,x;maxDelta=fDeltatheta,yT; %maxDelta 推杆最大伸长或缩短的量maxDeltaxT=x1-rj-maxDelta; %xT凸轮的推杆长度xT i=1;for alpha=0::2pix0=alphal/pi;r=frx0,r0,l;theta=fthetar,x;Delta=fDeltatheta,yT;TL=rj+maxDelta+Delta;ni=alpha;mi=TL;i=i+1;%hold on;%polaralpha,TL; %描点法画出凸轮轮廓%plotx0,Delta; %查看Delta推杆伸长缩短量随x0变化而变化的情况%plotx0,theta; %查看theta前轮转角随x0变化而变化的情况%hold off;endpolarn,m;%axis equal; %描点时,使横纵坐标单位间距相等参数确定单位：mm 前轮轴与后轮轴间距x=200导向杆长x=30凸轮基圆半径R=10凸轮轴轴1与前轮轴水平间距x=80轴1与轴2间距x=72轴2与轴3间距x=48零部件设计1.需加工的零件：a．驱动轴、传动轴b．车轮c.轴承座d.底板e.凸轮2.可购买的标准件：内圈Φ10的深沟球轴承、7个不同弹性模量弹簧、M8方形内六角螺栓3.部分加工零件二维图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Solidworks进行了动态仿真;四小车制作调试及改进小车制作流程小车调试方法小车的调试是个很重要的过程,有了大量的理论依据支撑,还必须用大量的实践去验证;小车的调试涉及到很多的内容,如车速的快慢,绕过障碍物,小车整体的协调性等;1小车的速度的调试：通过小车在指定的赛道上行走,测量通过指定点的时间,得到多组数据,从而得出小车行驶的速度,通过试验,发现小车后半程速度较快,整体协调性能不是太好,于是车小了绕绳驱动轴,减小过大的驱动力同时也增大了小车前进的距离;2小车避障的调试：虽然本组小车各个机构相对来说较简单,但损耗能量稍多,同时避障也不是很好,可以通过改变摇杆与凸轮的接触实现微量调节;小车改进方法1.结构优化：为了提高能量的利用效率,在不影响使用条件的情况下,可以削减不必要的部分;2.机构优化：为了提高能量的转换效率,在稍微增加成本的情况下,可以考虑使用齿轮传动;五评价分析小车优缺点优点：1小车机构简单,加工制作方便；2采用塑料材质,质量较轻,有利于行驶较远的距离;缺点：小车精度要求高,使得加工零件成本高,由于差速的存在影响小车的绕弯以及能量的有效利用率;改进方向小车主要的缺点是精度要求非常高和存在差速问题,相信改进小车的精度和差速问题,,小车便能达到很好的行走效果;。
无碳小车说明书
目录1.摘要 (1)2.引言 (1)3目的 (1)4工作原理和设计理论推导 (1)4.1总体结构 (1)4.2设计方案介绍与计算分析 (2)4.2.1无碳小车模块机构介绍 (3)5. 设计总结 (8)6.附件1.摘要本作品是依据工程训练综合能力竞赛命题主题“无碳小车”，提出一种“无碳”方法，带动小车运行，即给定一定重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。
该小车通过微调装置，能够实现自动走“S"字直线绕障。
此模型最大的特点是通过两个不完全齿轮驱动前轮摆动，进行可调整的周期性摆动，使前轮的摆动节拍具有可调性。
本文将对无碳小车的设计过程，功能结构特点等进行详细介绍，并介绍创新点。
2.引言随着社会科技的发展，人们的生活水平的提高，无碳对于人们来说，显得越来越重要，建设无碳社会，使得生活更加的环保，没有任何的污染。
节能、环保、方便、经济，是现代社会所提倡的。
现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领域，像交通，家具等，这也是我国当今所要求以及努力的方向。
针对目前这一现状，我们设计了无碳小车模型，用重力势能转化为机械能提供了一种全新的思路，以便更好的解决以上问题。
3目的本作品设计的目的是围绕命题主题“无碳小车”，即不利用有碳资源，根据能量转化原理，利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。
这种模型比较轻巧，结构相对的简单，能够成功的将重力势能转化为小车的动能，从而完成小车前行过程中的所有动作。
4工作原理和设计理论推导4.1总体结构图 1 无碳小车总体结构无碳小车模型的主要机构有驱动机构、转向机构、行走机构及微调机构。
主要部件如下图2所示为小车整体模型。
图 2 无碳小车模型4.2设计方案介绍与计算分析4.2.1无碳小车模块机构介绍1.驱动机构本方案采用绳轮作为驱动力转换机构。
我们采用了梯形轮使能量转化过程中有更合适的转矩使驱动力适中，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。
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：***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：***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参赛者：苏文哲史恒瑞任浩然指导老师：范志骏摘要第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车越障竞赛”。
设计要求参赛队伍设计一种具有调节功能、利用重力势能驱动可以实现自动避障的小车。
队伍在设计小车的过程中着重于数学工具的使用:通过对小车模型行走的特性的分析，简化实际问题并建立优化模型，力求使用数学实验的方法解决实际问题。
在数学分析的过程中，不断提高计算精度，并将求解结果作为依据指导机械参数的调试、确定。
在设计过程中，借鉴数值分析等现代计算数学理论，使设计具有准确性、科学性；采用UG (Unigraphics NX)进行三维设计方便快捷地建立和改进产品的外观；综合考虑了工程管理、加工工艺、工艺成本等各方面的因素。
最终目的在于作品可以经济地被生产制造出来，并准确地按预期轨迹行走。
小车设计分为以下几个阶段：一、主要问题的分析，初步计算规划阶段；二、问题细化，研究各种机构运行特点阶段；三、建立数学模型求解参数阶段；四、参照国家标准设计小车实物阶段；五、制作、装配、调试阶段。
每经历一个阶段，都对设计起到了推动作用，设计思想逐渐成型，使设计逐渐向最优结果收束。
在第一阶段中，我们一方面分析研究了比赛规则，场地地形规格，目的行车路径；另一方面简化小车行走的数学模型，建立瞬时速度下小车转向轮与小车轴心角度对行车路径曲率半径、车长和行车曲率半径对行车路径等微分方程，对小车预期行走路线进行了规划；在第二阶段中我们对各种转向机构进行了数学分析，对常见的机构运行特点进行了运算、仿真，综合考虑之后，我们决策了小车的各个机构。
设计采用模块化设计，从小车的功能上分为如下四大模块：原动机构模块、传动机构模块、转向机构模块、行走机构模块。
总体而言，原动机构采用了阶梯轴，传动机构采用两级放大齿轮，转向机构采用正弦机构带动转向齿轮，行走机构采用差速器。
在第三阶段中我们应用matlab软件进行了数学模型的求解，对机构的机械参数进行了从优甄选。
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但是注意：为减少能量损失，转化步骤越少越好
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；
包括：
齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、带传动机构、链传动机构、绳传动机构、
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。
原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢 减速，直到停止，物块停止下落，正好接触 小车。
• 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 以减小小车重力和阻力为目的
一. 命题 二. 设计要求 三. 制作要求 四. 比赛要求 五. 计算分析
能量转换过程中的效率损失 练习查找资料
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；不主张遥控。
重力势能转换为动能 动能和势能总称为机械能，包括： （1）动能：物体由于运动而具有的能，叫做动能，动能的标志是运动。 （2）重力势能：物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能，重力势能的标志是举高。 （3）弹性势能：物体由于发生了弹性形变而具有的能量叫做弹性势能，弹性势能的标 志是弹性形变。
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
G=1kg
基本阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；w 运行阻力系数，实验得出经验数据，约0.01。
二、设计要求
1.驱动力：重力势能，1kg（Q235， Φ50mm*65mm ），落差高500mm； 不准使用任何其它的能量形式
2.车结构：三轮，1轮导向，2轮驱动； 3.转向轮：最大外径≥Φ30mm； 4.配载荷：不小于400g、外型Φ60mm*20mm；
小车其它具体结构和材料选用不作要求。
三、制作要求
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。
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。
F0 ＞ P0 (a+ g w )
（注意，命题中没有运行时间要求）
地面对小车摩擦阻力Ff ， Ff = P0 g × f（摩擦系数） 不打滑条件 F0 ＜ Ff = P0 g × f
五、计算分析
做功分析—— 设：S为小车行走距离，mm，η为小车总效率，
F0 × S =G× 500mm× η 则： S =G× 500mm× η / F0
六. 结构分析
一、命题
主 题：无碳小车（三轮） 考核内容：设计、工艺、成本分析、工程管理。 作品内容：1.“无碳小车”实物作品；
2.加工制作及组装过程的视频录像（10分钟）； 3.带有徽标的载荷质量块（徽标说明）； 4.作品的设计说明书（word、.ppt 文稿）；
5.工程管理方案、加工工艺方案、成本分析方案。等
1.校内制作：自主制作全部零件。 2.比赛现场制作：（进入第二竞赛环节后）
小车转向轮 （1）计算机三维造型； （2）加工制作，方法可包括：
快速成型机制作、 机床加工、 钳工方法 等； （3）组装调试。
四、比赛要求
预赛： 在指定赛道，比赛绕过障碍多少和行走距离。文件原文——
四、比赛要求
集中参赛：（与预赛的时间、地点关系？）
解决方案 一、小车的匀速运动过程
• 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）
•
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
阻 力 速 度
• 1.在起始时原动轮的转动半径较大，起动转 矩大，有利起动。
• 2.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。
• 3.当物块距小车很近时，原动轮的半径再次 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，
四、比赛要求
集中参赛：（与预赛的时间、地点关系？）
四、比赛要求
总成绩：
五、计算分析
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F0×D/ 2 （小车驱动力）F0=2M/D M由G获取
例如：M= G× Φ / 2= F0×D/ 2（暂不计效率） 此时 F0= G× Φ /D
前面防滑计算得出：F0 ＜ Ff = P0 g × f 可见： 为了增大小车行走距离， 为了避免能量损失不打滑， 在保证能够驱动小车行走的前提下， F0 越小越好。
ห้องสมุดไป่ตู้
Φ
F0= G× Φ /D
G
G=1kg
五、计算分析
效率分析—— 小车总效率η ，包括 机械传动效率； 能量转换效率 等
部分机械传动效率见右表