无碳小车的设计任务书

无碳小车的设计任务书（共6篇）（共6篇）

1.无碳小车的设计任务书 篇一

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

院系：信息工程学院 班级：机械卓越班 队伍名称：启航队

参赛者：刘腾飞 耿玉块 指导老师：刘胜荣 时间：2012年12月30日葛小乐1

无碳小车设计方案

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。采用了PROE、CAD等软件辅助设计。

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、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮传动、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动。

我们先进行原理分析，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。小车大多是零件是标准件、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。

目录

方案设计..............................................1.1车架..........................................3 1.2原动机构......................................4

1.3传动机构......................................5 1.4转向机构......................................6 1.5行走机构......................................6

2、零部件设计....................错误！未定义书签。

3、整体设计......................................11

4、设计参数-------14

1.1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，车架用木材加工制作成三角底板式。具体设计如下

1.2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。

1.3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，传动机构驱动必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。

1.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，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。

2.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。不适合本小车设计。

3.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。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。

1.4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。

曲柄连杆+摇杆

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，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。

我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。

1.5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。

有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为

MN

对于相同的材料为一定值。

而滚动摩擦阻力

fMRN所以轮子越大小车受到R，的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。后轮为驱动轮，前轮为转向轮，为减轻重量，可以挖空轮子中间的材料。

2、小车的零部件设计 小车底板的俯视图和左视图：

转向轮的连接控制机构：

车后轮的三视图：

齿轮的三视图：

3、小车的整体设计：

4、设计参数

1）基本尺寸参数：

车长：200mm

车宽：180mm

车后轮D：110mm

车前轮d：22mm

齿轮：模数

1、齿数20/60/80（小车的其他参数以

三维图为准）

2）轨迹参数

根据小车行走路线近似的模拟为正弦曲线，由于实际的尺寸可算得振幅为0.35mm，波长为2m，所以可以近似求出轨迹方程为：

Y=0.35sinx； 求导得在每个位置上的转角的正切的大小：

Y’=0.35； 我们可以得到前轮的最大转角为36’。

而小车轨迹的弧长L=1.636m，当振幅为0.35m时，从峰顶到谷底时的弦长Lab=L*0.35*2=1.1453m，而驱动轮直径d=182m，周长C=PI*d，由转向的需要可以得转动比为i=1/4

2.无碳小车的设计任务书 篇二

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 (每间隔1米, 放置一个直径20mm、高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考量小车设计的优劣好坏。

给定重力势能为5焦耳 (取g=10m/s2) , 用质量为1kg的重块 (Φ50×65 mm, 普通碳钢) 铅垂下降来获得, 落差500±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。

2数学模型构建

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。

2.1能耗规律模型

为简化分析, 先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为1-ξ, 即小车能量的传递效率为ξ。小车轮与地面的摩阻系数为δ, 理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。则有

其中:

Ni为第i个轮子对地面的压力

Ri为第i个轮子的半径

Si为第i个轮子行走的距离

m总为小车总质量

为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化, 下面分别从轮子与地面的滚动摩阻系数、轮子的半径、小车的重量以及小车能量转换效率四方面考虑。

通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8。下图为当车轮半径分别为 (222mm, 70mm) 摩阻系数分别为0.3, 0.4, 0.5mm……时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图 (图1) 。

有上图1可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著, 因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料, 轮子的刚度尽可能大, 与地面的摩阻系数尽可能小。

同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗, 简化机构, 充分润滑。

图2为当摩阻系数为0.5mm, 车轮半径依次增加10mm时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图。

由图2可知当小车的半径每增加1cm时, 小车便可多前进1m到2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。2.2运动学分析模型

符号说明:

(1) 驱动:

(2) 转向:

当转向杆与驱动轴间夹角为α时, 曲柄转过的角度为θ1, 则α与θ1满足以下关系:

解上述方程可得θ1与α的函数关系式α=f (θ1)

(3) 小车行走轨迹

(4) 小车其他轮的轨迹

以轮A为参考, 则在小车的运动坐标系中, B的坐标B (- (a1+a2) , 0) , C的坐标C (-a, d) 。在平面坐标系中, 有

经过整理、方程求解以及设定合理的参数得到小车的运动轨迹如下图4所示。

3结语

本文根据无碳小车功能设计的要求, 在完成方案设计的基础上, 对小车进行技术设计。通过建立数学模型, 使用Matlab软件编程得到各参数改变对小车行走距离的影响和小车的运动路线。在这样的设计方法下, 可以清晰地知道各零件尺寸变化对小车行走轨迹的影响, 既节省了设计时间, 同时也保证了设计精度。

参考文献

[1]赵亮, 吴军, 郑小军.纯机械传动无碳小车创新设计[J].科技信息, 2013 (2) .

[2]刘广, 曹恺, 刘剑桥.无碳小车设计[J].企业技术开发, 2011 (7) .

[3]白雪, 唐鹏达.机械传动无碳小车的设计构想[J].工业设计, 2011 (8) .

[4]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2000.

3.无碳小车的设计任务书 篇三

0引言

无碳小车是一种通过滑轮机构将重物下落的重力势能转化为小车前进的动能以实现小车行走，并采用合理的机构，来实现行走过程中正确转向并绕过障碍的装置。小车设计注重能量利用的有效性，车体结构的合理性，行走的稳定性、匀速性，调试的可靠性等。应用了诸多数学理论进行验证，最终采用了万向节连杆机构作为转向机构，使小车控制转弯更省力、对小车躲避障碍物的周期控制更容易实现，亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦损耗小，效率高，较容易安装制造。另外，通过对小车的设计、制作和调试，提高了提出问题、分析问题、解决问题的能力，并总结了从中获得的经验和教训。

1无碳小车的制作原理

1.1命题简介

该竞赛其中的一个命题为，要求设计一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车，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)，竞赛时统一用质量为1kg的重块(50×65mm，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。在比赛中，小车出发后，小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒(擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过);重复上述动作，直至小车停止(障碍物初始间距为1m，后期在1m±100mm范围内产生一个新的障碍物间距，需调整小车以适应新距离)，最终绕过障碍物多者获胜。

1.2无碳小车设计原理

由命题得知，关键在于利用重力势能获得相当长距离的具有稳定正弦特征的轨迹。由此，来设计小车以使其满足要求。重力势能大多通过挂在绳子上的重物拖动小车的轴进而驱使小车前进，这便对绳子提出较高的要求，一般选取弹性较小，耐磨的绳子为佳。

在传动方面，根据往届赛事经验，有齿轮传动，皮带传动等。由于小车在前行较长距离(一般为20m以上)，同时需要保证精确的行走轨迹，因此，皮带由于打滑等原因不如齿轮传动。同时，齿轮由于金属材质，大大加大了车的重量，因而我们采用快速成型制造齿轮，保证了传动的精确性与质量较轻的优点。接下来，便是使用两级变速还是一级变速的问题，两级变速能够在有效的空间内实现较大的传动比，同时具有较大的惯性，能够克服赛道上的不平整路面(事实证明，这在比赛上时是相当重要的)，但由于齿轮加工精度的局限，可能会造成较大摩擦力，造成能量的浪费。而一级传动则较为轻便，结构简单，便于加工装配。

小车每绕过两个障碍物，即在前进方向上走了2m，完成一个循环，此时，绕在轴上的绳子转过一圈。因此，小车前进的理论长度即由绕线轴的直径和下落高度决定。轴的最小直径由轮子和地面的摩擦力产生的.启动转矩确定。小车的轨迹越接近于直线，摩擦力做功越少，便越节省能量。

我们发现，小车所走轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞，小车调整起来也越容易，同时，前面已经提到，也就越浪费能量。而对于不同的周期来讲，周期越小(障碍物间隔越小)，小车轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞。

为了实现上述轨迹，转向机构是重要的一环，由于“S”形避障运动是周期性的运动，恰好可以通过齿轮上的偏心，将其运动传递到前轮上。传递运动大致可以分为两类，一类通过万向节，与前轮转向机构构成四连杆机构，进而实现周期往复运动。这样的好处是刚性较好，一旦调节完毕能够形成固定的轨迹且便于加工。但是不容易调节，调节部件较多，过程繁琐。另一类通过直线轴承和滑块传递运动，当然，这样便于调节，仅需对偏心进行调节即可实现轨迹的周期变化。但是对加工精度要求较高。不过，随着学生动手能力的提高和赛事水平的不断提升，直线轴承和滑块机构会逐渐提高稳定性，创造更好的成绩。

2小车设计方案

2.1材料的选择

小车的制作，首先我们要先考虑它的材料，材料极为重要，材料密度大了，小车就重，导致摩擦力就大;材料如果较小，小车太轻，小车在绕杆的同时会发飘，导致小车的轨迹会发生变化，导致小车达不到最好的状态。所以选取适当的材料是至关重要的。由于铝-钢的摩擦系数大约为0.02，而铝的密度小，小车的质量一般大约为2.5kg，所以摩擦力较小，并且横向摩擦力足以满足小车不侧滑;有机玻璃材质轻阻力小，但是寿命短，易磨损，精度不够高，力学性能差，主要是脆性大，抗冲击性能差，受到第二次意外打击时，有机玻璃易破碎。而尼龙的摩擦系数较大，吸水性较大，影响尺寸稳定和电性能，但车体的重量太小，需要加配重，防止侧滑或侧翻，所以考虑各种原因还有计算，最终选取折中的方案，也是最佳方案，就是铝，铝做车身骨架是最好的选择。而尼龙具有机械强度高、软化点高、耐热、摩擦系数低、耐磨损、自润滑性好、吸震性和消音性好、耐油、耐弱酸碱、无毒无臭、耐候性好、比重小、高抗冲、高载重、耐撞击，所以特别适合齿轮的加工，用快速成型做出的齿轮既具备以上的优点，还容易安装，容易定位，所以齿轮的材料最好是采用尼龙。

2.2设计思路和方案

(1)动力源。将重物固定于绳子上，绳子系在大齿轮轴上，重物下落拉动大齿轮轴转动，通过齿轮啮合驱动小齿轮轴转动，进而使小车前进;

(2)差速部分。当重锤下落时，通过滑轮轴连接线驱动大齿轮转动，带动驱动轴回转，并通过传动齿轮带动后轴回转。由于小车在前进时要走S形路线，在转弯时内侧的车轮与外侧的车轮转速不一样，后面两个轮子走过的距离不同，因此两个后轮上采用了不同的连接方式，其中一个后轮采用过盈配合随轴转动，而另一个后轮采用轴承配合在轴上空转，从而实现差动。

(3)前轮转向部分。大齿轮上开一个13mm长的槽，其偏心距为11mm—24mm，将螺钉穿过槽用双螺母紧固在大齿轮上，万向节则也通过双螺母紧固在螺钉的另一头。变向连杆由使用双头螺杆连接在一起的两个万向节组成，螺杆一头为反丝，便于调节。前叉则通过另一个螺杆与万向节相连，从而形成了转向部分。由于万向节连杆与齿轮配合点存在偏心距，因而连杆可以实现周期性往复运动;前叉通过螺杆与连杆一端的万向节相连，随着杆的往复运动进而实现周期性转向;因连接杆两端的万向节，与两侧杆件的连接形成球面副，可以向多个方向转动，避免了死点位置。偏心距的合理设计实现了前轮的正确转向;两个万向节中间的螺杆则能够有效实现扭矩传递;基于此设计，小车以正弦曲线的方式向前运动，实现避障功能;

(4)调整部分。在大齿轮上开槽，通过调节偏心距实现前轮偏转角的的调节。转向角最大为30°，此时越障距离最短为0.8m，转向角最小为15°，此时越障距离最长为1.15m;万向节中间的双头螺杆也是微调机构，可以调节小车的整体轨迹。因而在调整距离时，只需调节齿轮上偏心距的大小和万向节连杆的长度即可，调节简单方便。发车角度确定采用激光笔远距离定位，精确找到合适发车角度，用时短，精度高。

(5)转向部分的计算。有e=a×α。取a=45mm，当α=15°时，e=11mm;当α=30°时，e=24mm，其中e为大齿轮开槽处的偏心距。

(6)小车其它尺寸计算。小车各个部分的关系为Δl=dsinφ、θ=arcsinΔl/l其中r1、r2，ω1、ω2为前后齿轮的半径和速，d为前齿轮旋钮的位置，主要零件的设计尺寸:前轴9mm，后轴10mm;前轮40mm，宽度8mm，后轮200mm;大小齿轮齿数比为4.13∶1，大齿轮齿数为Z1=62，小齿轮为Z2=15，模数m=1。

3小车调试与行走

在小车的实际调试和行走过程中，实践操作的经验非常重要。例如，当障碍物间隔为1m时，要求小车的行走周期为2m，而正弦曲线的周期是通过调节大齿轮偏心距来实现的，虽然通过计算很容易得出理论值，但是由于螺母与螺杆并非理论中的质点，因而在实际操作中很难实现一次性调试成功。因而在不断的实践中才能总结出规律，并熟练掌握。

在小车调试的初期，通过在小车后粘贴荧光笔来跟踪轨迹，但发现这种方法会增加小车行走的阻力影响轨迹的精度而且跟踪的曲线不具备完整性，后来改用了在车底板上放一个以一定的速度滴水的小容器，实现轨迹的跟踪。实践证明，这种轨迹跟踪方式，更加准确，并且容易清理。通过量取轨迹的周期则可以判断小车的行走周期。当轨迹的周期大于比赛要求周期时，则通过增大偏心距来减短实际轨迹的周期:相反，则减小轨迹的周期。这样便实现了小车行走周期的正确调节。

调节好周期后，小车大齿轮的偏心距便被固定住了。接下来便不再着眼于小车轨迹的1个周期了，而是着眼于小车行走轨迹的总的趋势。因为当万向节连杆过长时会使小车的轨迹成为一个整体往左偏的大弧，而万向节连杆过短又会使小车的轨迹成为一个整体往右偏的大弧。万向节连杆两端的螺纹旋向相反，在调节时，往里旋转为调短向外旋转为调长，调节方式简单，另外两端万向节与连杆通过双螺母固定在一起增加了稳定性。

在轨迹的调直过程中，通过在发车线前45cm(以行走周期为1m为例)处贴一张中心线与障碍物所在直线重合的16K的纸来定发车角。具体方法:在纸的左上角标出前轮位置，保持前轮位置不变，通过改变后轮位置改变发车角度，并随时在纸上标记后车轮位置。当小车左轮擦杆时，减小发车角，当右轮擦杆时，增大发车角，从而出直线。在实际调车过程中，很多时候不论如何改变发车角度都不能使得小车实现总体的直线绕杆，这时便要通过调节万向节连杆来微调前轮的转向角，而调节连杆长度时，微小的变化则会引起转向角较大的变化，连杆每旋转一圈长度便会改变1mm，而1mm会使转向角改变2.5度。因此螺杆要旋转的角度要视轨迹的偏离情况而定。

通过在地面上贴纸的方式，调车的精度能到20根杆，若直线距离再远，则在纸上画线便会过密，肉眼很难再进行定位。为了克服这一困难采用了一种更加精确的定发车角度的方式，即激光笔。在用纸粗定发车角之后，在距发车线20m远处放上带刻度的板子，并使板子与地面垂直，0刻度线位于障碍物所在的直线上;把激光笔固定在小车前叉的平台上，通过改变激光点所在的刻度来改变发射角度。由于贴纸法调节范围广，调节速度快，但调节精度低，所以用于角度的粗调;而激光笔调节法，调节精度高，但调节范围小，所以适合粗调完成后的精调。两种方式各有利弊，综合利用取长补短，使得小车的调节得到完善。

小车的行走过程是一个不断磨合的过程。在不断的行走练习过程中，小车的各种零件才能实现更好的配合。

4结语

4.关于无碳小车加工情况汇总 篇四

工程训练中心：

机械工程学院参加大学生综合训练竞赛共五组成员，现图纸已基本完成，需请训练中心予以加工（所需加工清单附后），部分所需材料小组自备，还需材料清单如下：

铝合金：小齿轮：直径60mm 厚度30mm圆柱 或长宽高=60x60x30的板材

大齿轮：直径210x210x15圆柱 或长宽高=210x210x15的板材

铝板：100x100x3板材40x40x3板材

60*250*10板材150*100*12板材

230*700*3板材

120*300*2板材 铝棒：直径4mm 长度100mm 铝棒

直径10mm 长度150mm 铝

直径20mm 长度180mm 铝棒 直径35mm 长度100mm 铝棒

有机玻璃：车板：长宽高=440x230x5的板材 尼龙：后轮：直径200mm 厚度30mm的圆柱

前轮：直径50mm 厚度80mm的圆柱

线轮：直径20

厚度20mm的圆柱 Q235：轴：直径20mm 长度500mm的圆柱

直径6mm 长度600mm的圆柱

直径10mm 长度350mm的圆柱

板：长宽高=85x10x10的板材

重物：直径为60mm 高度为80mm的圆柱

直径为50mm 高度为65mm圆柱（重1KG）铁丝：直径为6mm 长度为350mm的铁丝

直径为4mm 长度为300mm的铁丝

附：1.各小组成员及导师名单联系方式；

5.智能小车毕业设计任务书 篇五

学号

指导教师： 代 子 静 职称： 副 教 授

发题日期： .6.24 完成日期： 2010.11.10

题目： 电动智能小车控制系统

一. 设计的目的、意义

随科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。而智能电动车正是智能机器人的一种。智能电动小车作为工科大学生毕业设计课题，也具有不可估量的实际意义。本课题为具有较强动手能力与设计基础的大学毕业生准备。通过此课题使学生受到较全面的电子应用系统设计和应用研究的工程训练。进一步培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和技能，提高分析与解决实际问题的`能力和初步科学研究的能力。

二.设计任务

该设计任务是采用单片机为控制核心，设计出一个电动小汽车的智能控制系统。通过本课题设计，综合运用单片机及接***术、微机原理、微电子技术、传感器技术，锻炼动手操作能力，综合运用能力，学习论文的写作方法和步骤。

主要要求：

(1)通过编程来控制小车的速度;

(2)小车具有自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度的功能。

(3)小车具有自动避障功能.

三.设计要求

①根据课题进行状况的实践调研，写出开题报告。

②收集各种信息，采用模块化以进行系统方案的设计。

③写出整个系统及各个模块的设计指导思想和步骤。

四.参考文献

1 何立民,单片机应用系统设计,北京：航天航空大学出版社,2～5,46～50

2 李广弟,单片机基础,北京：北京航空航天大学出版社,,56～64

3 何希才,新型实用电子电路400例,电子工业出版社,,60～65

4 赵负图,传感器集成电路手册,第一版,化学工业出版社,,590～591

5 陈伯时,电力拖动自动控制系统,第二版,北京:机械工业出版社,206月,127～130

6.无碳小车的设计任务书 篇六

关键词：无碳小车,能量转换,机构设计

0 引言

低碳环保已经成为当代发展的重要问题之一。本文基于第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的主题———“无碳小车越障竞赛”, 对原有小车进行创新和改进, 设计出一种能够实现S型轨迹行走的新型无碳小车[1]。根据能量转换原理, 所设计的小车其行走的动能通过砝码垂直下降获得, 小车需沿着固定距离的圆棒型障碍物按照S型轨迹前进, 直至自行停止完成一次避障行走。 应用Solid Works软件进行三维建模及轨迹路径仿真分析, 并验证小车的稳定性, 提高小车的能量转化效率, 解决了小车双轮驱动过程中的差速问题。同时培养了大学生的环保创新意识, 为绿色节能环保的工作做出贡献。

1 无碳小车设计要求及方案

应用能量转换原理, 设计一种由重力势能转换为动能的无碳小车, 应满足如下设计要求:1) 驱动小车行走及转向的能量由质量为1kg的标准砝码 (50×65 mm, 普通碳钢) 下落获得, 标准砝码始终由小车承载, 不允许从小车上掉落;2) 小车应具有可调节的转向控制机构, 以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地;3) 小车车体采用三轮结构, 应具有足够的刚度和强度, 降低小车行走过程中的振动。

在满足设计要求的前提下, 整体外形设计成等腰三角形结构, 其整体结构如图1 所示。

小车机构的设计方案为:1) 驱动机构。通过定滑轮转动带动前轮驱动轴旋转, 从而驱动车轮行走。驱动轮采用单轮驱动的方式解决双轮驱动存在的差速问题。2) 增程机构。应用1:10的定滑轮组作为绕线轮, 降低机构复杂性, 提高能量转化效率。3) 转向机构。应用同步齿形带传动机构、曲柄滑块机构及齿轮齿条传动机构相结合实现小车后轮的精确导向。4) 微调机构。由小车所行走的杆距调整机构和前轮摆角微调机构组成。

2 关键性机构设计

2.1 驱动机构

无碳小车是依靠重力势能转化为动能驱动小车行走, 表1 为三轮小车驱动机构[2]的设计方案设计如下:通过对比, 选择方案3 单轮驱动前置、双轮转向后置作为小车的驱动机构, 以满足力矩损耗程度较低和机构复杂程度较小等要求。

2.2 增程机构

无碳小车动能来源于砝码重力势能, 为了在充分利用有限能量的同时尽可能增加小车的行走距离, 需设计小车增程机构。表2 为4 种增程机构设计方案。

通过对比最终选择方案4 为最佳方案。

2.3 转向机构

无碳小车必须按照S型轨迹往复运动行走, 为此需对小车设计转向机构[3]。在小车转向机构中, 需要小车转向轮随着驱动轮的行走进行往复运动。

2.4 微调机构

无碳小车微调机构的主要目的有两点:其一是保证在曲柄滑块机构中能适应于绕行不同杆距, 该机构应用细牙螺杆与螺母配合实现曲柄大小调节;其二是调整小车左右偏角。

3 仿真分析

应用Solid Work对无碳小车进行三维模型建立, 通过对轨迹路径的仿真分析, 并对小车驱动轴的应力分布情况进行静力学分析, 保证其承载强度在有效范围内。

1) 小车轨迹仿真分析。如图2 所示为小车路径仿真分析结果, 经分析可知, 无碳小车行走轨迹符合设计要求, 而且运行过程较为稳定, 能够按照S形轨迹行走, 因此验证了小车整体设计结构较为合理[4]。2) 小车驱动轴静力学分析。根据建立好的模型很容易建立有限元模型, 将其转换成网格模型便于进行分析[5], 经分析可知在轴两端加上一定的力后, 驱动轴受力均匀, 不会产生断裂现象, 证明了设计的合理性。

4 试验验证

无碳小车经过前期研究、设计、仿真分析和后期加工、装配及调试等工序最终完成实物的制作。通过对小车进行实际操作验证, 最终无碳小车在1kg砝码下落400±2mm的重力势能作用下, 可实现700~1300mm间任意杆距的绕行, 小车实际行走的垂直距离为3500mm, 满足设计要求。

5 结语

本文通过对小车的设计任务进行分析, 并结合原有小车的结构特点, 对小车的势能转换机构、前轮驱动机构、后轮转向机构、微调机构等进行设计, 计算出小车的受力、阻力和做功情况。通过Solid Works Simulation软件对小车进行分析, 经验证所设计无碳小车运行平稳, 为无碳小车的结构设计提供一定参考。

参考文献

[1]张宝庆, 肖富阳, 黎晓琳, 等.重力势能小车“轨迹法”创新结构优化设计[J].机械传动, 2012, 36 (3) :32-34.

[2]王鹏博, 蓝建, 张国超, 等.一种三轮无碳小车的车体结构设计[J].机械工程师, 2014 (7) :127-128.

[3]王建军, 朱海龙, 尹洪友.无碳小车8字转向机构设计[J].机械制造, 2014 (598) :17-19.

[4]吴新良, 刘建春, 郑朝阳.重力驱动的避障小车设计与制造[J].机械传动, 2014, 31 (10) :25-28.