无碳小车的机构与运动分析
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”。
无碳小车结构设计报告_4
无碳小车结构设计报告一、设计概述根据题目要求，为达到“8”字绕行的目的，无碳小车应实现两个功能：重力势能的转换和周期性的转向。
据此可以将小车分为驱动机构和转向机构两部分。
驱动机构要求能量损耗小、传动比准确，优先选用齿轮机构。
转向机构因为轨迹重复性要求高，采用齿轮和拉杆结合控制前轮转向来满足小车走周期性“8”字要求。
二、设计方案1.小车以钢板做的底板为主体，上面安装三根吊挂重物的立杆。
2.使用滑轮机构将重块的能量通过细绳以转矩的形式传递到输入轴。
3.输入轴通过一级齿轮传动将能量传到驱动轴，带动驱动轮并驱使小车向前运动。
4.输入轴转动一圈，带动转动的大齿轮转动四分之一，使与之啮合的小齿轮转动二分之一，用连杆机构链接，使前轮走了一个圆时实现转向，从而小车走了“8”字形运动。
三、相关计算驱动机构转向齿轮（控制方向）转向机构（控制周期）1主动轮2驱动轮3主动轮4从动轮传动比2.5:1传动比1:2 主要零件尺寸：前轮半径后轮半径驱动1半径驱动2半径转向3半径转向4半径转向1半径转向2半径5mm 50mm 35mm 14mm 35mm 14mm 30mm 30mm厚度为10mm 厚度为6mm 设为转角30度，两个障碍物的距离为300毫米：设为小车的轨迹半径为x，则150*150-75*75=16875,对其开方约得130毫米。
由此可知，小车的轨迹为3.14*2*130*2=1632.8毫米，车轮要转5圈，所以轴的周长为2毫米才能保证小车在理论上转了8圈。
四、整体装配图五、作品创意1.优化各零件布局，降低小车重心2.三根立杆防止小车运行中重块摞动3. 不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率高、结构简单。
在不考虑其它条件时这是最优的方式。
4.曲柄连杆面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；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5.小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少六、心得与体会在设计无碳小车的环节中，我们在此过程当中反复探索、不断前进。
S型凸轮无碳小车方案
d 0.09 sin t dt 0.14 0.0075 sin t
令 a 0.09 b 0.14 c 0.0075
第十九页，共21页。
可得：
at
cc
2ab
•
arc tan
b
tan
t 2
c
b2 c2
b2 a2
第二十页，共21页。
感谢你们的聆听
THANK YOU FOR YOUR LISTENING!
第七页，共21页。
三、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。因链轮传动成本 较高且传动的平稳性差，加工复杂，因此不适合小车的设计。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因此不适合本小车设计。齿轮具有效率 高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定且塑料此轮成本较低。因此选择使用齿轮传动。
y Acosx
L
式中：L为障碍物的间距（ｍｍ）；A 为小车中心偏 离 赛道的最远距离（ｍｍ）。
由于前轮偏离水平位置的正切值即为运行轨 迹线上每点处切线的斜率，所以
y, tan 150 sin x
1000 1000
式中：α为摇杆的转角。
第十三页，共21页。
设导向杆的升程为h，位移为s，其中心线与转 向轮支架的距离为m，规定α在转向 杆右侧为正，左侧
可得推杆位移方程：
x
1000
s 3 sin 3
第十四页，共21页。
二、与轨迹相关的几何参数
主从动轴距 L；驱动 轮和转向轮的偏置距离 e；后轮半径 R；齿轮总传动比 i；驱动轮转速ω ；前轮位置函数 y（x）。 其中L，e，R，i，ω为小车结构参数，是定值。
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 EK k Mgh 损++=21其中，v E M K 21121=,v E M K 21121=,v 1为重物下降的速度，也是驱动轴的线速度；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n 周，所以，d d vvn 21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 MT 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221λ⋅=+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 ⋅+⋅=δb 、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(1222121E E R B N cc c μμπσ-+-⋅=b B Nc c 2⋅⋅=σ由于b 比较小，故241bBM c c μσ=对于连杆的拉力c F ，有lr c 11sin 2sin θθ⋅=21cos )cos 1(arcsin2c c l c θααπθ⋅-⋅--=12sin 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 '])[(2321a 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 aR a A =整理上述表达式得：。
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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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。
3.3 原动机构的设计
为了让重物的重力势能转化为小车的动能，即将重物块的直线下降运动（以小车底盘为参考系）转化为小车车轮的旋转运动。
首先我们在结构中加入一个滑轮，通过滑轮和尼龙线我们可以将作用在重物块上的重力传递到绕线轴上，为驱动机构，转向机构的运行等提供保证，实现能量的转化。
3.4 传动机构的设计
经过原动机构已经实现了将重物块的直线下降运动（以小车底盘为参考系）转化为绕线轴的旋转运动。
但仅仅只有原动机构并不能实现小车的行进功能。
为此该小车必须设计一个转向机构，以及连接原动机构和驱动机构间的传动机构。
传动机构的功能目标：实现传动比3：1将绕线轴的转动传递到后轮轴上 。
传动功能的实现方式的选择：为了更好的实现传动机构的设计目标，本文作者根据该无碳小车的具体情况并在对比
了带传动和齿轮传动的优缺点后选择了齿数比为1:3的两个齿轮。
3.5 转向机构的选择
小车在行进过程中为了能完成“S”形前进，则小车必须有一个导向装置，本设计采用了前轮导向。
为了能实现前轮导向的功能采用了曲柄连杆机构实现前轮的自动转向。
转向机构由曲柄连杆机构构成。
曲柄连杆机构配合紧密加工简单运动可靠，本文设计方案曲柄连杆机构由关节轴承、转向摇杆前微调轴、微调连接杆、转向摇杆后微调轴和微调曲柄组成，采用微调曲柄和微调连杆长度的改变，调节前轮转动角度的大小从而满足障碍物间距变化造成的路线改变。
转向轴承为RBL 关节轴承，可以满足一定角度的空间任意方向的全尺寸旋转，因为为标准件可直接购买，降低了制作成本。
根据之前制作的无碳小车实际调试经验，转向机构的功能对无碳小车的运行效果起着至关重要的作用。
特别是微调曲柄和微调连杆长度的长度对小车轨迹运行影响巨大。
本文利用螺纹副来调节微调连杆长度，大大的提高了调节精度。
同时转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，满足结构简单，零部件易获得等基本条件。
3.6 驱动方式设计
为了尽量减少滑动摩擦带来能量的损失,小车要实现“S”形行进，则小车后轮应该在转弯时实现差速，避免滑动摩擦。
实现方式：后轮交替驱动。
结构设计：利用单向轴承滚针轴承，同时为了增强小车行进的稳定性，利用普通轴承过盈配合连接，实现后轮轴与两后轮稳定连接。
4 运动分析
在重物下降的同时，尼龙线经过滑轮将力传递到绕线轴，形成转矩带动绕线轴的转动；通过曲柄连杆机构带动前轮的摆动实现前轮导向；通过齿轮啮合传动，将绕线轴的运动传递到后轮轴；后轮轴通过单向轴承将转动传递到后轮，后轮在地面给的摩擦力的作用下实现驱动；从而实现小车按照预定轨迹运行。