S型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

1.4 小车的设计方法

二 方案设计

2.1 路径的选择

2.2自动转向装置

2.2.1 前轮转向装置

2.2.2 差速转向装置

2.2.3 小结

2.3 能量转换装置

2.4 车架

2.5 微调部分

三 参数的设计

3.1 路径参数的确定

3.2 自动转向装置参数的确定

3.2.1 前轮转向装置参数的确定

3.2.2 差速转向装置参数的确定

3.2.3 小结

3.3 能量转换装置参数的确定

3.4 车架参数的确定

3.5 微调部分参数的确定

四 小车的工程图

4.1 小车部分零件工程图

4.2小车各装置工程图

4.3小车总装配图

五 评价分析

5.1小车优缺点

5.2 小车的改进方向

六 附录

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。

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。

2.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。

3.要求小车为三轮结构

4. 小车有效的绕障方法为：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。

1.4小车的设计方法

首先，小车的设计一定要做到目标明确，作品的设计需要有系统性规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料 、加工 、制造成本等方面因素。其次，为了降低小车的能量损耗，我们设计的小车主要利用齿轮传动，因为齿轮的能量利用率达到95%，最后，做到控制调节路径的功能，由于齿轮便于安装等特点，所以也能运用齿轮传动达到目的。

二 方案设计

通过对小车的功能分析，小车需要完成自动避开障碍物，驱动自身行走，重力势能的转换功能。所以我们将小车的设计分为以下部分，路径的选择，自动转向装置，能量转换装置和车架部分。

2.1路径的选择

因为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。为了在通过障碍物时，行进的距离更短，设计了如图3的路径。即以摆线的方法通过障碍物，然后以相切的直线到达下一障碍物，我们的路径是圆弧和直线的结合。

图3：无碳小车路径

2.2自动转向装置

为了能更好的让小车在预计的轨道上行驶，小车的自动转向需要考虑到前轮的自动转向和后轮的差速转向。所以我们设计了自动转向装置和差速转向装置。

2.2.1前轮转向装置

通过重物的下落，带动齿轮轴的旋转，利用齿轮轴的旋转，实现前轮的转向。并在齿轮轴上安装齿轮，考虑到加工和经济效益的原因，为了能实现较大的传动比，需在齿轮的带动下加入一个定轴齿轮系。在定轴轮系中，其中的一个齿轮和一连接杆铰接在一起，连接杆在铰接上一根直角杆，直角杆放置在水平滑槽中，组成组成水平滑动装置，实现杆在水平方向上的来回摆动。直角杆的另一端固定在前轮上，这样随着随着直角杆的来回摆动就可以实现前轮的转动。前轮转向示意图如图四。其实，前轮转向装置分为两部分，一部分为齿轮的传动达到一定的传动比，令一部分为齿轮所带动的水平滑动机构。

图四: 前轮转向示意图

1

图五: 前轮转向示意图2

图六:前轮滑块部分

需要注意的是，直角杆的两杆连接部位有一个滑块，是为了能让直角杆做水平运功。在齿轮轴转动一圈的时候，小车行进一个周期，转弯两次，即直角杆完成一次前后摆动即可。并且需要在拐弯时直角杆摆动，在直线运动时，直角杆不动。小车前轮不转弯。

2.2.2差速转向装置

我们知道，小车在以弧线段转弯的过程中，两后轮的速度是不一样的，为了能让小车按照预期的轨道行驶，我们设计了差速转向装置。并且，在转弯过程中，加入了差速转向就会使能量损耗减小，从而增加小车的行程。差速转向装置示意图如图七。

图七:差速转向装置

在此装置中，主要是运用两阶梯齿轮相互啮合，在直线行进中，阶梯齿轮的啮合相同，在摆线行进中，阶梯齿轮的啮合正好相反。而齿轮轴上的阶梯齿轮为不完全齿轮，才能使得齿轮间的相互啮合顺利进行。主动阶梯齿轮转一圈时，后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离。

2.2.3小结

不管是前轮的转动，还是差速转向，单独来看都可以满足预期的轨迹。但是，为了减少能量的损耗，轨迹的精确性，我们把两个机构都加入了小车中。诚然，差速转向对机构的精度要求很高，这就使转向装置的零件加工费用增加，但是加入了前轮转向装置后，就减小了对转向装置的精度。考虑到两个机构的组合会使能量损耗增加，但我们利用的都是齿轮传动，能量损耗率很小，前轮主要负责转向，后轮主要负责驱动，相互影响也很小。综上所述，我们加入了前轮转向和差速转向。

2.3能量转换装置

为了能让小车行进的更远，怎么将一定的总能量尽可能以高利用率的形式转换是非常重要的问题。

为了减少能量的损耗，我们利用定滑轮，在下落过程中带动齿轮轴转动，从而使整个小车前进。易知，下落过程中，轮子所带动轴半径的不同会导致轴转动的速度不同。太小的半径提供的力偶距太小而导致小车禁止不懂，太大的半径会使重物掉落的加速度太大而增加能量的损耗，理想的状态时重物匀速下落，这要就可以使小车前进的路程达到最大。所以在此装置中，我们加入了可滑动圆锥筒型装置，即可通过滑动圆锥筒改变提供力偶距的大小，使小车行进的路程达到最大。能量转换装置示意图如图八。

图八:能量转换装置

2.4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，美观等因素，车架采用木材加工制作成三角底板式。

三 参数的确定

3.1路径参数的确定

在上面的讨论中，我们的路径是摆线和直线的组合，为了能让小车更顺利的转弯，转弯角度不能太小，为了能让小车行进的更远，必须使小车转向的半径不能太大。所以，确定了曲线的半径为R 300mm，小车的宽度为a 150mm，小车转角 36.7582 ，经过MATLAB拟合的曲线如图十。

轨迹方程为

对方程求积分，得到曲线的长度为

))))A1A2 A3A4 192.47mm；

B1B2 B3B4 144.35mm；

C1C2 C3C4 240.58mm；

曲线的长度为

A2A3 A4A5 854.40mm；

B2B3 B4B5 854.40mm；

B2B3 B4B5 854.40mm。

3.2自动转向装置参数的确定

自动转向装置参数的确定包含前轮转向装置参数的确定和后轮差速转向装置参数的确定。参数的确定有利于判断小车的设计是否合理，小车能否完成预计的轨道等实际问题。这里，我们假设齿轮轴每转一周，小车行进一个周期。

3.2.1前轮转向装置参数的确定

前轮转向装置是为了更好的按照规定的轨迹行进，我们把前轮安装在车架中间，则行进的轨迹为A1A2A3A4。前轮自动转向装置简图如图十一。

图十一：前轮自动转向装置简图

又因为前轮转弯时需要行进的距离为S2 192.47mm，直线需要行进的距离为L2 854.40mm，对应的，小车转弯时，齿轮轴上的齿轮z1旋转的角度为 0 33.1 ，小车直线时，齿轮z1旋转的角度为 146.9 。此时齿轮z1为不完全齿轮，只有 0 33.1 才有齿。而齿轮轴旋转了33.1°的时候，齿轮z4需要旋转180°。从而传动比i14 180 5.44。 33.1

由于i14 z1 5.44，传动比较大，所以加入了齿轮z2和z3，根据已知的传动比，为z4

了便于加工等原因，求得z1 30;z2 20;z3 54;z4 15。因为 0 33.1 和z1 30，加工不方便也不符合现实，我们进行了修正，将z1 33;z2 22;z3 50;z4 15。这样就考虑到实际情况也满足预期的轨迹。

我们设计小车总长度为150mm，而齿轮系的长度以达到s z1z2z3z4 16.5 11 25 7.5 60mm，所以连杆和直角杆的总长为90mm，2222

我们将在距离齿轮z4中心为5mm的地方装一个销钉。所以直角杆水平摆动的距离为所以我们取连杆的长度为30mm，直角杆的一端长度为50mm。 10mm。所以可以得到直角杆另一端的长度为l 5 tan

2 5 tan19.77 15.1mm。

3.2.2差速转向装置

在差速转向装置中，需要满足在直线行进中，阶梯齿轮的啮合相同，在摆线行进中，阶梯齿轮的啮合正好相反，并且两后轮所行进的轨迹满足曲线B1B2B3B4和C1C2C3C4,同时主

动阶梯齿轮转一圈时，后轮轮子行进的距离应是一个周期长度的距离。 首先，由车轮转弯运动分析图，

图十二：车轮转弯运动分析图

可以得到： 数学表达式：02io1V1r aW1 V2rW2Woio2o1Wo io1r a ir 得出：o2

式中，Wo表示齿轮轴的转速，W1和W2分别表示左右两轮的转速。io1和io2分别表示左右侧传动链的传动比。有因为从图中和我们所选择的路径可以得到r 22.5mm，a 7.5mm。 io1r a5 ir3。 所以我们得到左右侧传动链的传动比为o2

之后，进行齿轮的分析。后轮差速转向装置简图如图十三。

图十三：后轮差速转向装置简图

Z1Z3

iiZZ由图可知左右侧传动链的传动比o1，o2为2和4的相互组合。即传动比是变化的。

Z1

Z25 33

Z当小车行进在第一个转弯口时，1轮的速度小，此时可以得到：4,为了使齿轮能

够够相互啮合，有Z1 Z2 Z3 Z4。通过LINGO软件进行计算，我们得到很多组解。为Z1Z3

ZZ了使小车的设计更加合理，左右侧传动链的传动比2和4不能太大，太大会导致在相同

模数条件下Z1和Z3的齿数过大，也不能太小，太小会因为加工精度的原因产生巨大的误差。从路径参数的选择中，我们知道了一个周期小车行进的总长为S 209.3731mm。我们也知道，在齿轮轴转动一圈的时候，小车前进的路程为S 209.3731mm，所以通过选用合Z1

Z适的传动比2，能够使小车后轮的半径在一个合理的范围内，综上所述，最后，我们选择

的是Z1 100;Z2 20;Z3 90;Z4 30;R轮 83.3mm，为了减小齿轮的半径，以上所有

的齿轮模数都为m 1mm。

最后，我们要将小车两后轮的运动轨迹调整到预期的水平，实现差速转向。即最后需要满足的是左右两轮传动比的相互转换。在一个周期内，两轮的总长度是相同的。在将每一个周期分为两个部分。对1轮来说，转弯时需要行进的距离为S1 144.35mm，直线需要行进的距离为L1 854.40mm，此时齿轮轴所转过的角度为180°，并且1轮的速度小于2轮，此时应是Z3和Z4啮合，所以转弯时Z3对应的旋转的角度为 1 26.05 。对2轮来说，转弯时需要行进的距离为S3 240.58mm，直线需要行进的距离为L3 854.40mm，此时齿轮轴所转过的角度为180°，并且2轮的速度大于1轮，此时应是Z1和Z2啮合，所以转弯时Z1对应的旋转的角度为 2 39.55 。由此分析可知，当左右两阶梯齿轮夹角为 2 39.55 时，可以满足行进的轨迹为预期轨迹。

综上所述，可以得到我们选择的是Z1 100;Z2 20;Z3 90;Z4 30;R轮 83.3mm，模数m 1mm，Z1和Z2为不完全齿，左右阶梯齿轮在安装时夹角为 2 39.55 。

3.2.3 小结

我们知道，不管是前轮转向装置还是差速转向装置，都必须同时满足，后轮在转弯的同时，前轮也需要转动。我们从前两问算出的，得到齿轮z1为不完全齿轮，只有 0 33.1 才有齿（一个周期中有两个 0 33.1 ），而由差速转向知道左右阶梯齿轮在安装时夹角为 2 39.55 ，虽然看起来 与 不同，但是，我们发现 是 和 的平均值，而通过计00212

算我们也知道，只要将 0安装在 2中间即可。

3.3能量转换装置的参数确定

我们知道，不同圆锥筒半径提供不同的力偶距，使小车前进的速度不同。我们选定R1=10mm，R2=40mm,由于有了前轮转向装置，齿轮z1距离齿轮轴中心的距离为15mm，所以圆锥筒最长宽度为30mm。且圆锥筒的母线与中心线的夹角为45°。则圆锥筒直径变化范围为20-80mm。

为了固定绳子的环绕，加入了夹角为45°的小片。利用橡皮筋固定。

3.4车架装置参数的确定

在我们的设计中，已经知道两后轮的距离为150mm，前后轮的距离为150mm，为了方便加工并考虑到经济条件，我们选用的是梯形板，下底长为130mm，上底长为20mm，高为160mm。

3.4微调装置参数的确定

差速转向装置是齿轮通过啮合带动的，误差不会太大，且稳定性较高。而前轮转向装

置中，是受杆的带动，受到杆长和外界的影响较大，而前轮转向装置对小车行进产生了巨大的影响。所以需要缴入微调装置调节微调杆长，调节杆长后于预期的轨道重合。

四 小车的工程图

4.1 小车部分零件工程图

4.2小车各装置工程图

4.3小车总装配图

五 评价分析

5.1小车优缺点

优点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少。

（2）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。

（3）采用磁阻尼，小车稳定性提高，不致使车速过快。

缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，避障稳定行差，时而偏左，时而偏右。

5.2 改进方向

首先，对于路径的选择，我们就可以改进，选择更好的路径。对选择路径的要求就是使小车的转角适中，在一个周期中行进的距离不能太长，在过弯时，圆半径不能尽可能的大，使过弯时小车更安全。这其实是一个求最优解的过程，可以通过LINGO软件进行编程，最后得到一组最优解。而我们是比较主观的选择了半径和车宽。因为我们算出几个值后，发现条件基本符合。

接着,可以利用微调装置.在实际中,由于加工精度的原因，使小车的零件达不到要求，行进出来的路径与预期路径相差很大，差速转向装置是齿轮通过啮合带动的，误差不会太大，且稳定性较高。而前轮转向装置中，是受杆的带动，受到杆长和外界的影响较大，而前轮转向装置对小车行进产生了巨大的影响。所以需要缴入微调装置调节微调杆长，调节杆长后于预期的轨道重合。

其次，对于圆锥筒来说，我们所设计的圆锥筒的半径变化是主观的，由于不知道整个小车的重量而没有确定小车前进所需要的最小力矩。而当我们做出了小车以后，知道了整个小车的质量，就可以确定车前进所需要的最小力矩，从而确定圆锥筒的半径变化范围。

最后，小车的调节比较繁琐，不方便，如果加入了可调节式齿轮机构的话，就可以很好的应用于很多种路况，而不是通过固定的相同距离的障碍物。小车最大的缺点是精度要求非常高，改进小车的精度要求，使能调整简单，小车便能达到很好的行走效果。

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