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
学校:江西理工大学
学院：机电工程学院
参赛组员：陈增耀、陆勇、赖志雄
指导老师：黄跃飞老师
时间:2012.11.08
无碳小车设计方案
一、 设计主题：
1.设计布置方案
图1 无碳小车示意图
2.功能设计要求
以重力势能驱
动的具有方向控
制功能的自行小
车。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。该无碳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）。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（￠50×65 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。
二、设计概述
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。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、转向机构采用曲柄连杆、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钉。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，借助电脑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。
三、 设计参数和原理
1、设计原理：
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作成三角底板式。可以通过回收废木材获得，已加工。
小车底板
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。
原动架
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.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。
齿轮组
转向机构采用曲柄连杆+摇杆机构，该机构运动副单位面积
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。
曲柄摇杆机构
5)微调机构
由于场地的不同，小车的行进轨迹可能会发生偏移，为了使小车适应不同场地的需求，我们给小车设计了一个微调机构，综合各方面的因素，使得小车真正实现微调，我们选用了丝杆机构，通过丝杆（微调螺母）使得连接转向机构的滑移小圆柱能够改变转速，从而改变前轮的转向时间。
微调螺母
2、设计参数
1 )基本尺寸参数:
车长：350mm车宽：200mm车后轮D=182mm车前轮d=60mm
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
根据小车的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0.35m，波长为2m，所以可以近似的求出轨迹方程为：
Y=0.35sinx；
求导得在每个位置上的转角的正切大小：
Y’=0.35；
我们可以的前轮的最大转角为为36。。
2 而小车轨迹的弧长L= 1+cosxdx=1.636m，当振幅为0.35m时，0π从峰顶到谷底时的弦长Lab=L x 0.35x2=1.1453m，而驱动轮直径d=182mm，周长C=π*d=由转向的需要可得传动比为i=1/4。
3、小车结构的合理选择及优点
1）尺寸的合理选择
在宽两米的赛道上行走，考虑到在行驶的过程中不能撞桩，同时在小车发生小范围的偏移而不会撞桩以及小车轨迹的计算我们合理的选择了宽200mm的小车车宽、以及小车行驶的轨迹最远处距离桩350mm。
2）机构的选择
在能够实现指定运动的机构选择时，我们秉持着耗能少的
原则选择传动机构越简单越好，我们选用了仅三个齿轮的齿轮组，减少了由于传动过程较繁琐而发生的能量损耗，同时为了使行驶的过程由于转弯而损耗的能量较少，我们选择正弦曲线的行进路线
3）工艺制造
在小车设计时考虑到小车行进过程会产生摩擦，为了使摩
擦损耗的能量尽可能的少，在小车结构强度足够的情况下尽量地将小车的重量减轻，把不需要的部分镂空，当剩余的重量不足的情况下我们加一小块重物维持平衡。同时将小车的轮子做窄，做光滑，减小摩擦系数，减少摩擦减小能量损耗。
4）线轮的选择
如上图所示，重物的牵引带动A轮的转动，A轮的转动带动B轮，再根据B、D之间的齿轮粘合带动C1，C2和E齿轮的转动，E轮带动F轮的转动，从而使G杆左右运动的同时，前后运动，杆的偏转，使得H轮偏转，根据C1，C2轮和H轮的合运动，小车就可以按照要求一边行走一边转弯。我们将线轮做成锥型线轮（梯形圆线轮），如下图所示
图三 梯形原动轮
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、无碳小车零件和总体结构
1、零件图：
长杆 传动杆
驱动轮
滑轮
圆盘 齿轮
摇杆 底板
2、无碳小车整体效果图
五、 后续优化设计构想
优化项目：转角参数、轨迹参数、轨迹设计、两轮距离的确定、轮距桩的距离、平衡问题。