“8”字循迹无碳小车结构创新设计
8字无碳小车设计方案讲课稿
“8”字无碳小车设计方案一绪论1.竞赛题目设计一种小车，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（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得4J能量，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。
图一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。
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。
在300～500mm范围内产生一个“8”字型赛道障碍物间距值。
2.工作原理重物块从距小车底板400mm的高处下落，带动主动轴转动，使小车运动，再通过齿轮传动和转向结构，实现在转动一定周期时，小车进行方向的改变，从而实现8字的运动轨迹。
3.设计方法通过对命题的分析，我们小组有了一个比较清晰的思路。
我们在网上搜集资料，对每个结构的各种方案进行了比较，再结合我们的实际情况和自己想法，最后确定了以下结构。
对于各种参数的确定，我们只要是对齿轮进行了计算，其他参数是在原有的基础上进行了修改。
在设计过程中，我们主要采用了Auto CAD、Solidworks软件进行辅助设计。
二设计部分1车架车架受力小，精度要求低，考虑到铝板密度小，强度对于小车也足够，而且方便加工，故本次制作选择3mm厚铝板。
由于我们是后轮单轮驱动，前导向轮与驱动轮的横向距离过大会使小车在绕行8字时轨迹不对称，即一个圆大一个圆小。
为避免这种情况我们将驱动轮与导向轮的横向距离取消。
2原动机构原动机构是把重物的重力势能转化为小车动能的装置。
要求1.驱动力适中，不至于小车转弯时速度过大倾翻。
2.启动时提供足够的加速度使小车开始行走。
3.到达终点时的速度要尽可能小，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，不仅浪费了重物的动能，下落时对车架的冲击还会影响小车的运动。
基于平面凸轮机构的双“8”轨迹无碳小车设计概述
基于平面凸轮机构的双“8”轨迹无碳小车设计概述
本文介绍了一种基于平面凸轮机构的双“8”轨迹无碳小车设计方案。
该方案主要由机构设计、运动仿真、制造及测试等环节组成。
首先，汇总了相关文献资料，了解了平面凸轮机构的基本原理及特点。
随后，基于机构学与运动学原理，进行机构设计，包括凸轮形状设计、从动件结构设计、传动方式选择等。
接下来，基于Solidworks软件进行运动仿真，验证设计方案的移动性能及稳定性。
最后，制造实物小车，进行试车测试，验证设计方案的可行性及实用性。
本设计方案采用平面凸轮机构的双“8”轨迹设计，主要由凸轮、从动件、输送链、轮轴、车架等组成。
其中，凸轮的直径影响轨迹的大小及形状，通过对凸轮形状的优化设计，实现双“8”轨迹运动轨迹。
从动件采用三角形结构，通过输送链与凸轮传动，实现从动件的往复运动。
输送链采用平面链条，具有较高的传动效率及稳定性。
轮轴采用不锈钢材料制造，具有较好的耐腐蚀性及强度。
车架采用3D打印技术制造，外形美观，具有良好的刚性及稳定性。
整个设计方案实现了无碳环保、高效稳定的运动效果。
经过运动仿真及制造试车测试，本设计方案达到了预期的设计目标，实现了良好的双“8”轨迹移动效果。
同时，设计方案具有一定的可扩展性，可应用于机器人、物流等多个领域，具有广阔的应用前景。
总之，基于平面凸轮机构的双“8”轨迹无碳小车设计方案具有较高的实用性及运动效果，可作为平面凸轮机构的一种应用示例，为相关领域的研究提供借鉴及参考价值。
“双8”字无碳小车的设计与分析
期引言“双8”字无碳小车作为第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的项目之一，仅靠1kg碳钢锤的重力势能驱动小车避障行进，对于小车的创新设计提出了较高的要求。
1设计思路依照竞赛命题，小车设计成三轮结构，后轮驱动、前轮转向，转动凸轮连带前轮连杆实现周期转弯。
小车行走动力依靠重物牵引细线直接获得，采用多齿轮啮合实现后轮作为驱动轮。
牵引细线经过顶部变比定滑轮缠绕在增速轴上，细线的拉力转换成扭矩，通过一级增速驱动后轮轴转动,两后轮采用超越离合器实现差速，驱动小车前行；前轴依靠锥齿轮转动，实现转向与行走周期的无级传动；锥齿轮轴与前主轴垂直，外部安装有凸轮，通过推动前轮连杆，带动前轮做周期性转动，实现小车双8字曲线行走避开障碍物；通过调节连杆伸出的长度来改变前轮的摆动角度，进而调节前轮转向角度以适应距离的桩距；通过百分尺精确调节转向杆长度与前轮角度保证小车行走轨迹的对称中心线为障碍物连成的直线。
在保证结构刚性的前提下，尽可能减轻车重，减少运动部件摩擦，尽量采用简洁稳定的传动链确保小车的稳定性，提高小车的行走距离。
设计过程中尽可能采用标准件如滑轨滑块，轴承，高精度测量工具如百分尺、游标卡尺来提高小车运行可靠性及微调精密度。
2小车出发定位方案利用发车架作为小车每次绕桩发车的基准，从而确定出发位置：发车架上角尺部件用于前进方向直线定位，使其与障碍物所在直线平行；通过直尺测量发车架基准点到发车线以及与侧轮与障碍物所在直线的距离，确定位置后发车架固定不动；通过改变发车架上百分尺的刻度来确定不同桩距下小车的发车角度。
通过T形挡铁贴住转向导杆，确定整车传动机构的发车起始位置。
3数据计算3.1传动设计数据各级传动比：变比滑轮i1=1.5；大齿轮到小齿轮i2=3.75；砝码下降长度（mm）/小车行走长度（mm）：400/60000小车最大理论行走长度：S=(400×2)/（6×3.14）×i2×（160×3.14）=60000mm=60m小车距出发线最大理论距离：小车距出发线最大理论距离=S/1.57=34m3.2转矩设计数据各级转矩及摩擦力矩分析：设小车最终驱动力矩M，重锤质量m=1kg，G≈10N，取铝合金齿轮传动效率η=0.96，变比滑轮传动比i1=1.5，齿轮传动比i2=3.75；绕线轴驱动力矩：M1=G×Φ/2×i1=10×6/2/1000/1.5=0.02N·m.经一级齿轮传动后传动轴驱动力矩：M2=G×Φ/2/i2/i1×η1=10×6/2/1000/1.5/3.75×0.96=0.005N·m滚动摩擦系数为f=0.01后轮半径R=80mm重心距后轮x=70mm，轮距l=170mm，则：F=Gf(l-x)/l=15×0.01×(170-70)/170=0.088N.4结构设计创新每一个轴上都装有滚动轴承，可以减少摩擦，保证运动的流畅性和准确性。
无碳小车八字绕行课件
在八字绕行的过程中，需要在适当的时候加速或减速，以适应赛道的变化。同时还需要注意控制小车的速度，以 避免在转弯时出现速度过快导致失控的情况。
CHAPTER 04
无碳小车八字绕行的优化策略
优化路径规划的方法
01
02
03
优化路径规划算法
采用更高效的路径规划算 法，如遗传算法、蚁群算 法等，以寻找最优的路径 。
调整小车的悬挂系统和车轮位置，确保小车在运动过程中保持平衡。
实验方法与步骤
步骤二：实验操作 将电源连接到无碳小车，确保小车的电机正常工作。
将测量工具放置在起点和终点之间，测量小车行驶的距离和时间。
实验方法与步骤
01
02
03
04
操作小车完成八字绕行，注意 观察小车的运动轨迹和速度变
化。
步骤三：数据记录与处理
实践教育
通过设计和制作无碳小车，可以培 养学生的实践能力和创新思维，提 高对物理原理的认识和理解。
无碳小车八字绕行的历史与发展
历史
无碳小车八字绕行的历史可以追溯到20世纪初期，当 时一些物理学家和工程师开始探索利用物理效应驱动 的小车设计。随着技术的不断发展，无碳小车八字绕 行的设计和制作技术也不断完善和提高。
精细化控制
通过增加路径规划的精细 化控制，实现小车在行驶 过程中的平稳性和准确性 。
建立动态模型
根据环境变化建立动态模 型，实现小车对环境的自 适应能力。
调整小车的机械结构
优化车轮设计
改进车轮的设计，提高车 轮的抓地力和行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ稳定性 。
调整车体结构
优化车体的结构，减轻小 车的重量，提高小车的响 应速度和稳定性。
CHAPTER 02
基于凸轮组合机构的_8_字形无碳小车创新设计_胡越铭
会产生差速 ， 为此 ， 我们采用单轮驱动 ． 单轮驱动只 利 用 一 个 轮 子 作 为 驱 动 轮 ， 另 一个 为 从 动 轮 ， 驱动轮与从动轮之间的差速是 由两后轮与地面之间的运动约束而产生的 ． 重块下落通 过 绳 和 滑 轮 带 动 主 动 轴 转 动 ， 主动 轴 通 过 齿 轮 传 动 带 动 后 轮 轴 转 动 ． 主动轴 与后轮轴之所以采用齿轮传动是因为齿轮具有 传动比稳定 、 工作可靠 、 效率高的特点 ． 综上 ， 图 ４ 给出小车结构简图 ．
３ 参数的确定
３． １ 凸轮机构的设计 图 ６ 所示一尖顶偏置直动从动件盘形凸轮 从动件从初始位 机构 ， 凸轮逆 时 针 转 过 Ψ 角 ，
（） （
＝
ｘ
）（ ）
为凸轮转角 ； 当凸轮 ｓ ｎ ｃ 为 凸 轮 转 向 符 号 系 数． 反之ｓ 图 ６ 所示 逆时针运转时ｓ ｎ ｃ＝１， ｎ ｃ＝－１． 位置 ， 从动件与凸轮轮廓 接 触 点 Ａ 在 静 坐 标 系
收稿日期 ： ０ ４ ２ ６ ２ ０ １ ３ － － 第一作者简介 ： 胡越铭 ， 本科生 ．
其中 ： Ｆ１ 为 重 物 对 绕 线 轮 即 后 轮 轴 的 拉 ； 力 Ｆｆ 为地面 对 后 轮 的 摩 擦 力 ； Ｇ 为小车所受 ， 的重力 其 作 用 点 为 小 车 的 重 心 ； Ｒ 为后轮半 径； ｒ 为 绕 线 轮 半 径； Ｎ 为 齿 轮 传 动 比； ｆ 为地 面的摩擦系数 ．
（ ） ３
３． ３ 前轮最大转角 车轮转角计算， 图７为小车转角计算参 照图．
它是凸轮转角 Ψ 的 为负 ； Ｓ 为 从 动 件 的 位 移，
ｘ ＝ｅ·ｃ ｎ ｃ（ Ｓ ＋Ｓ ｓ ｉ ｎ ｏ ｓ Ψ ＋ｓ Ψ ０） （ ） ４ ｉ ｎ ｎ ｃ· ｅ·ｓ Ｓ ＋Ｓ ｃ ｏ ｓ Ψ＋（ Ψ ｙ ＝－ｓ ０）
8字无碳小车的结构设计
参考文献
[1] 张 玉 航,黄力,王凯.8字 绕 障无碳 小 车 转向系统 的设 计 [J]. 科 技创新导 报,2014,(13):88-89.
[2] 吴 新良,刘建 春,郑 朝阳.重力驱动的 避 障 小 车设 计与制 造 [J].机 械 设 计,2014,31(10):25-28.
[3] 濮良 贵,纪 名 刚.机 械 设 计 [ M ].8 版.北 京:高 等 教 育出 版 社,20 0 6.
科技创新导报 2017 NO.18 Science and Technology Innovation Herald
D OI：10.16 6 6 0/ j.c n k i.1674- 0 98X.2017.18.110
8字无碳小车的结构设计①
工业技术
任帅 高远 邵梦莹 (南昌航空大学飞行器工程学院 江西南昌 330063)
1 运动原理
如 图 2 小 车 总 装 图 所 示 ，重 物 通 过 细 绳 缠 绕 在 前 传 动
轴。前传 动 轴 与 驱 动 轴 通 过 齿 轮 啮 合 传 动，改 变 转 速，同 时 传 递能 量。释 放 重 物后，前 转 动 轴 开始 转 动，机 构 即 开 始 运 行。左 后 轮 为主动 轮，后 轮 轴 与 驱 动 轴 通 过 联 轴 器 连 接，实 现 单侧 驱动，以 此实 现 差 速便于 转向。同 时 前传 动 轴 转 动 带 动曲柄 轮，小 车 行 走方向受曲柄 轮及其伸 缩 连 杆 控制 而呈周 期 性变化，最 终实现“8”字 轨 迹。
关键词：无碳小车 “8”字绕障 曲柄滑块机构
中图分类号：TH112
文献标识码：B
文章编号：1674-098X(2017)06(c)-0110-02
全国大学生工程训练 综 合能力竞赛 要求 设 计一台三轮 小 车，利用4 k J重力势能作为驱动，在半 张乒 乓球桌 上 绕 一 定 距离的两个 障碍 物以“8”字 轨 迹 进行 绕 行，最 终 按照绕 行 周期 的有 效个数 进行成 绩 的 评定。由于“8”字 绕 行 无碳 小 车 为 新 竞 赛 项目，相比“ S ”型 项目相 关参 考 文 献 较 少，故 该 文 从实 际出发，对“ 8”字小 车进 行 设 计 分 析，为 相 关 竞 赛 研 究 提 供 参 考及借鉴。
基于“8”字轨迹热能驱动车的结构创新设计
摘要：根据第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛热能驱动车赛项竞赛要求，设计了一款基于“8”字轨迹的热能驱动车。
热能驱动车整体运用模块化设计理念，共分为动力源、传动机构、转向机构、车身和行走机构五个模块。
借助Solidworks和凸轮设计软件对凸轮形状进行设计和优化，设计出沿既定轨迹平稳绕桩行驶的热能驱动车，最终实现液态乙醇燃烧驱动小车沿“8”字轨迹行驶。
关键词：热能驱动车；模块化设计；凸轮设计1 热能驱动车总体设计1.1设计目的热能驱动车赛项所设定的赛道场景如图1所示。
驱动车场地为一块5 200 mm×2 200 mm长方形平面区域。
图中粗实线为边界挡板和中间隔板，两块长1 000 mm 的中间隔板位于两条直线段赛道之间。
赛道上的点画线为赛道中心线，赛道设置了两个1 100 mm×1 100 mm出发区，驱动车发车时可以放置在任意一个出发区内的任何位置，按逆时针方向发车运行，图1中红线为小车运行轨迹。
在赛道中心线上放置有障碍桩，障碍桩为直径20 mm、高200 mm的圆棒，赛道中心线直线段上障碍桩的间距由现场抽签决定。
根据大赛要求，拟设计出一款可平稳运行的基于“8”字轨迹的热能驱动车。
通过斯特林发动机提供动力对小车进行驱动，实现小车的曲线绕桩行驶。
1.2设计思路根据驱动车成功绕桩的评定规则，在Solidworks中利用样条曲线对热能驱动车的运行路线进行绘制。
通过轨迹得到主要传动零件凸轮周期内的升程和降程数据，利用Solidworks和Matlab对凸轮形状进行设计和优化，同时综合考虑驱动车的整体尺寸和运行轨迹的瞬时曲率半径，对热能驱动车的其他机构进行设计和优化处理。
绘制热能驱动车的三维模型，并在Solidworks中进行运动仿真验证设计的合理性。
最终制作出热能驱动车的实物并进行调试，使其能够在规定的轨迹上平稳运行。
其总体设计流程图如图2所示。
该热能驱动车由动力源、传动区、转向区、车身和行走机构五个模块组成。
8字无碳小车
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。
解决方案 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.
3．细节设计
车身 车轮 轴承 以减小小车重力和阻力为目的
无碳小车设 计说明
1.构架部分 2.传动结构
(转向部分 驱动部分）
3.细节说明 4.体会
装配爆炸图
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.传动结构
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，利用后轮转轴上安放多个不
同半径的齿轮以及转向齿轮处的活动结构调节 8字轨迹的大小，实现轨迹间距可调性
4.体会
从这次的大赛中学到许多课本上学不到的东西， 领悟了许多平时不理解的东西，相信大家都对 这次比赛体会很深。最后，我真心希望我们学 院能够更加重视有关创新设计方面的大赛，学 院在管理、督查方面多下功夫，鼓励我们的学 生去思考、去想象、去创新、去设计、去制造、 去参赛。
与此同时也希望我们的学生能够更加努力去学习课 本上的理论知识，尤其是机械原理、机械设计、工 程力学方面的知识，这些知识在设计方面太重，切不可将两者脱离联系。李 老师给我们说过纯理论的东西根本不能用，希望我 们系的学生在学好理论知识的同时能够多去思考， 多去实践，在实践中检验真理、发展真理，真正的 做到学有所长、学有所用，而不是只会简单的应付 考试罢了！
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“8”字循迹无碳小车结构创新设计
1 设计思路
根据“8”字形路线小车的运动特点，小车转向轮应在一定角
左右周期性摆动，根据这一原理我们采用凸轮的形式来实现这一
周期性定角摆动，且选择与之相应后轮传动比来满足要求；车架
我们采用方形版结构，考虑到节约加工成本，底板重量等因素，
我们和加工中心进行联系，使用铝合金材料，采用较为方便的激
光切割进行加工；齿轮齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、
效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大的优点，因此
传动方式我们采用齿轮和动滑轮相结合 ；考虑到小车在运动过
程中后轮会产生一定的差速，对于差速的处理，本设计采用单轮
驱动。由于驱动轮越大，滚阻系数越小，行走距离远，因此选择
较大的轮驱动车体。
2 特色创新结构设计说明
我们对无碳小车进行结构设计，要保证小车能稳定的进行8
字行走，我们要保证各机构设计精确可靠，由于采用凸轮结构实
现转向功能，则对凸轮形状的设计必须考虑周全。另外微调机构
在保证平稳前行过程中也起到极为关键的作用。考虑到加工难度
及成本，设计了单轮驱动。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。下面主要对小车凸轮
设计以及微调机构设计进行说明。
2.1 凸轮设计
首先我们根据小车行走的8字轨迹形状进行凸轮的理论形
状设计，如图1所示，考虑到实际加工出来的凸轮有一定的厚度，
必将导致用理论形状加工出来的凸轮形状所走出来的轨迹与实
际轨迹存在误差，我们通过分析，将加工出来的凸轮形状作为初
步大致凸轮，然后采用调试掌握相关规律，将因凸轮厚度引起的
误差采用手动磨削的方式减小到最小，反复实验，最后得到滿意
的凸轮形状。
2.2 微调机构设计
由于前面确定了转向采用凸轮机构换向方案，为了提高准确
度，适应性，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。微调
机构可以采用下面两种方式
（1）凸轮轴向可移动一微小位移，从而调整凸轮与推杆接
触点的位置，来调节八字大小，如图2为本文所设计凸轮微调装
置。
（2）前轮底实现一定距离的前后移动，如图3所示为本设
计前轮微调机构。
3 总体方案展示及总结体会
图4为本设计的总体装配图，在本次设计过程中，通过对所
学机械设计知识的实际应用，我们对机构的运行原理和运动轨迹
线有了更深层次的了解。我们借助计算机辅助绘图、建模、进行
分析等，对 CAD 、SolidWorks 等软件有了更进一步的掌握和体
会。