工程训练大赛无碳小车说明及其计算
无碳小车方案设计说明书
第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛湖北省预赛无碳小车方案设计说明书参赛者：易幻、周顺、王秋林、施冠宇摘要第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。
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UG等软件辅助设计。
我们把小车的设计分为二个阶段：方案设计、技术设计。
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：原动机构采用了挖槽的薄壁圆筒、传动机构没有采用齿轮机构、转向机构采用杆、行走机构采用单轮驱动实现差速。
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、运动学分析、动力学分析。
进而得出了小车的具体参数和运动规律。
接着应用UG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。
小车大多数零件是标准件、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。
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。
以下是无碳小车的装配图与重要零件的零件图及简要说明：转向机构原理简介：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。
无碳小车设计说明书
《理论力学》实践课设计说明书题 目： 无 碳 小 车年 月系 部 机械与汽车工程系 班 级 1213班组长沈琛 联系电话姓名学号承担工作沈琛 12316周翔何振涛钟彪 12316351董传能一、设计概述1. 作品取名：清新之翼2. 徽标设计：巨大的圆环象征着完美无缺，羽翼象征着执着的追求，飞翔的箭则象征着永不停留一往直前的决心，绿色则寓意无限的活力与生命力，还有与环保同行。
3. 作品创意：所有的动力动力来自荷载重物，纯机械结构，无碳排放；在重物下落阶段，增加了一动滑轮，使得做功行程加长，并合理利用了扭矩。
并且设计该小车的前进过程是静止—加速—匀速—减速的过程。
启动时转矩稍大于阻力使小车启动，启动后转矩与阻力平衡小车匀速前进。
当重物下落完毕时小车靠惯性减速行驶。
二、设计思路和方案1. 设计思路根据能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以小车前进能量来源直接由重物下落过程中减少的重力势能提供为宜。
2、设计方案（1）、基本结构1.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，车架采用木材加工制成的三角底板式。
2.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。
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。
基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构。
S型无碳小车设计说明书
第三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目录一绪论1.1本届竞赛命题主题1.2小车功能设计要求1.3小车整体设计要求二方案设计2.1 路径的选择2.2 差速问题解决2.3 重物与后轮的连接问题2.4 转向装置三参数的设计3.1 路径参数的确定3.2 其他参数四小车的工程图4.1小车各装配图4.2小车CAD工程图五功能分析六选材与加工分析一绪论1.1本届竞赛命题主题本届竞赛命题主题为“无碳小车”。
要求经过一定的前期准备后，在集中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。
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项成绩考核作业。
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。
1.2小车功能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。
给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），比赛时统一用质量为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。
图1：无碳小车示意图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1.3小车整体设计要求无碳小车体现了大学生的创新能力，制作加工能力，解决问题的能力。
并在设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小车具有下列要求：1.要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。
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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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
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(一等奖作品)1.
无碳小车设计说明书(一等奖作品)1.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:王金卫指导老师：刘吉兆陈丰峰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.使其每个零件或结构件具有平衡性已达到减小摩擦.提高校车整体平衡的目的。
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、转向机构采用四连杆机构、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杆。
其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承.圆锥滚子轴承。
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。
小车大多的零件是标准件、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。
无碳小车的原理与计算
无碳小车的原理与计算第一篇：无碳小车的原理与计算无碳小车的原理与计算原理介绍一．连动原理：我们使用了凸轮转向机构来实现转向轮的转向功能。
具体方法如下：在齿轮的外侧表面上制作凸圆形的内槽道，滚子置于槽道内。
滚子与连杆以转动副相连，连杆与转向把以转动副连接，这样，当齿轮转动时，凸圆槽道在转动过程中就会推动连杆做进给运动，实现转向把转动可控制转向轮的方向。
我们将凸轮设计成内凹槽轨道凸轮机构，而外形设计成齿轮，这样的设计有以下优点：1.凸轮起到了齿轮和凸轮的双重作用，一轮两用有利于我们的加工，节约成本和加工时间减少重量。
2.使用内凹槽轨道与滚子连接可以使装置的稳定性增强，不会产生脱扣滑扣得困扰。
二．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。
要解决的问题：1下降过程中，尽可能的降低下落的速度；2在小车运动中，会受到转弯时的向心力做离心运动，从而不稳定，会导致轨道变形。
解决方案：1.把绕线轮设计成锥形，在开始运动时绕线轮的半径较大，使得开始有足够的驱动力使小车驱动。
在驱动之后，绕线轮的半径较小，使小车能在运动中持续稳定。
2.在重物周围加三根垂直细杆，固定重物的下落轨迹，保持小车的稳定。
无碳小车计算一．受力计算：小车质量P0，小车驱动力矩M，物块质量m, D轮子直径，Φ拉力轴直径M=F0×D/ 2 M由G获取M= G×Φ / 2= F0×D/ 2此时F0= G× Φ /D二．摩擦计算：S为小车行走距离，mm，η为小车总效率，F0为小车牵引力，F0 × S =G× 400mm× ηS =G× 400mm× η / F0前面防滑计算得出：F0 ＜ F = M（小车）g × f 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。
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。
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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， 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。
四、比赛要求
集中参赛：（与预赛的时间、地点关系？）
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
G=1kg
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）
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）
• 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. 二. 三. 四. 五. 六.
命题 设计要求 制作要求 比赛要求 计算分析 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。
G
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
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。
此时 F0= G× Φ /D
Φ
G
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）
G=1kg
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 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。 F0 ＞ P0 (a+ g w ) 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 （注意，命题中没有运行时间要求）
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 前面防滑计算得出：F0 ＜ Ff = P0 g × f 可见：
G=1kg
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。 Φ F0= G× Φ /D
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
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；
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
v 1 v1
v3 v3
2L
4
5 2 1
3
H
2
差速器
无碳小车设计说明
• • • •
构架部分 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。
小车其它具体结构和材料选用不作要求。
三、制作要求
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 （3）组装调试。 等；
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——
（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。
转化方法很多，如：直接转化——重力势能 间接转化——重力势能 蓄能——重力势能
带动轮轴转动； 其它能量 带动轮轴转动 带动轮轴转动；
各种蓄能装置
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；
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。
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、 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。