无碳小车设计方案
小车设计
1：工作原理
如图（1）所示为小车的示意图：
图（1）
先由重物长带（1）上，由于重力的作用，带向下运动，带动轮轴转动，这时候，车轮转动，同时，轮轴通过短带（2）带动轮盘（3）的转动，轮盘（3）带动导向轮（4）的右边的转向杆（5）前后摆动，实现车的转向。
图（2）
一）：传动的选择及其原理：
可以利用带传动，因为带传动比较容易实现，同时也容易保证较好的传动比。如图（2）传动：
二）：传动比与路程的设计计算：
由于带传动的过程中，圆周走过的路程的相同的所以下面的车轮轴也走过了 S轴圆周= S落差=500mm
因为R车轮/R轴=S车/S落差，那么可以设计自己不同的轴来保证行走最远的距离。
取 R车轮/R轴=S车/S落差=8
取 R轴=15mm
则 R车轮=120mm。
则车可以行走距离为 S车/=500*8=4000mm
图（2）
一）：转向装置的选择：
选择采用空间四杠机构来实现转向，其原理是利用曲柄摇杆机构曲柄转一圈，摇杆转动一定角度，原理如图（2）：
在连杆与小车导向杆之间利用球铰连接，因为要实现不同方向的转动。
二）：工作原理：
用车轮轴带动轮盘（1），用轮盘（1）作为四杠机构的曲柄，杠（2）是其连杆，杠（3）是摇杆，轮盘（1）转动一圈，杠（3）摆动一定的角度，通过行使的路程，计算好每个转弯的的位置，以实现转弯。
三）：计算：
设计轮盘（1）每转动一圈，小车穿过一个障碍物，所以小车走1m车轴转动圈数为： 1000/（3.14*120）=2.65
轮轴带轮盘（1）传动比为 R轮盘（1）/R车轴=2.65:1
所以带轮盘（1）直径为 R轮盘（1）=2.65*15=39.8mm
设计工艺
（1）小车的地板采用的是硬制透明的塑料，它可以减轻小车的重量，减少与地面摩擦而产生的能量损失。
（2）皮带可以采用拉的相对比较紧些，这样就比较容易拉动周的转动。
（3）所有转动副连接处，都采用球轴承，可以减小摩擦，同时可以保证运动的准确性。
（4）后轮作为驱动轮，需要与地面之间有相对比较大的摩擦力，这样可以更好的带动小车的运动。
（5）在连杆与小车导向杆之间利用球铰连接，因为要实现不同方向的转动。
（6）前轮的支撑杆子要垂直。并且要可以灵活绕着轴线转动。这样才能很好的实现转弯。
（7）支撑长皮带轮的杠子要与后轮的轴线垂直。
成本分析
（1）皮带：计元
（2）底盘：计元
（3）车轮：后轮元，导向轮(前轮) 元 ,共计元
（4）空间曲柄摇杆机构：共计元
（5）带轮：计元
（6）其它：装皮带上的小盒，计元
（7) 成本总计：共计元
管理方案设计
1：人力资源配置
小组共四人组成：学生三名，导师一名。导师统筹整个无碳小车的设计，组员们在导师的指引下一起探讨和设计、制作方案。
2：进度计划与控制设计方案
方案初定于11月10日，11月15日之前提交设计方案。得到批准后立即开始加工设计，预计11月末完成比赛作品与无碳小车的调试工作。
3：质量管理设计
完全按照小车需要的精度与要求进行小车零部件加工，特殊部位进行特殊加工。使小车能尽可能达到走的更远的目标。
无碳小车设计说明书一等奖作品
第二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 参赛者：龚雪飞赵鹏飞刘述亮 指导老师：朱政强戴莉莉 -1-16
摘要 第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求经过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；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。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发创造理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。 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。经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，经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MATLAB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。 小车大多是零件是标准件、能够购买，同时除部分要求加 工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都能够经过手工加工 出来。对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。因为小车受力都 不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。调试过程会 经过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验 证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计微调机构灵敏 度分析 目录 摘要 (3) 一绪论 (7) 1.1本届竞赛命题主题 (7) 1.2小车功能设计要求 (7) 1.3小车整体设计要求 (8)
根据本届竞赛题目对无碳小车（以下简称：小车）功能设计、徽标设计的要求，我们首先确定如下的设计思路： 1、根据能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转 化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以小 车前进能量来源直接由重物下落过程中减少的 重力势能提供为宜。 2、根据小车功能设计要求（小车在前行时能够自动 避开赛道上设置的障碍物），小车前进的路线具 有一定的周期性；考虑到小车转向时速度有损 失，小车前进的线路是命题设计要求的最优解。 3、结构的设计与成本分析、加工工艺设计统筹考 虑，力求产品的最优化设计。 4、徽标反映本届竞赛主题：无碳小车
以下是具体的设计方案介绍： 一、徽标设计（图1） 图1 （1）设计说明： 整个徽标是一个椭圆形的圈，包围着一个车轮，车轮下面写着“No Carbon”的字样。其中，车轮代表着我们所做的无碳小车。其后面是由众多抽象的“S”形条纹组成，代表着我们的无碳小车由所要求的“S”形跑到飞驰而出。其下的“No Carbon”字样简单明了地说明了这届大赛的主题，并且外面的椭圆圈，代表着能量的意识，说明了势能与动能相互转换的过程。最后，以整体上看，整个图形像一只眼睛。看着远方，对未来全球实现无碳充满希望。 （2）材料：45钢 （3）制作：激光打标机喷漆 外圈红色R：255 G：0 B：0 内圈红色R：170 G：0 B：0 “No”R：85 G：85 :B：:85 “Carbon”R：170 G：0 B：0
车轮R ：255 G ：85 B ：85 “S ”R ：255 G ：85~170 B ：0~85 二、小车动力、动力—转向、转向系统 1、小车的动力系统（图2） （1）方案： 根据竞赛命题要求（小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均重物下落减少重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量形式）及能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以以绳拉力为动力为宜。拉力作用于锥型原动轮（以下简称：原动轮）上，形成力矩，力矩对该原动轮产生转动效应，通过一系列齿轮的传动，将动力输出，使后轮转动，小车前进。 （2）以上方案作用： ①由于设计该小车的前进过程是 静止—加速—匀速—减速 的过程，所以开始时拉力的作用点处在原动轮半径较大处，并且随 着小车的前进，拉力作用点距离原动轮的轴线的距离呈递减的线
无碳小车说明书
目录 1 引言 (1) 1.1 小车功能设计要求 (1) 1.2 小车设计思路 (1) 2 设计方案 (2) 2.1 底板 (3) 2.2 原动机构 (4) 2.3 传动机构 (4) 2.4 转向机构 (5) 2.5 行走机构 (6) 2.6 调节机构 (6) 3 技术设计 (7) 3.1 功能关系及驱动力矩分析 (7) 3.2 小车轨迹计算 (8) 3.3无急回特性曲柄摇杆机构分析 (9) 3.4相关参数确定 (10) 4 小车调试及性能评估 (11) 5 小车改进方法及评价分析 (12) 5.1 小车的改进方法 (13) 5.2 小车优点 (13)
5.3 小车缺点 (12) 6 部分装配图 (13) 7 结论 (15) 致谢语 (15) 参考文献 (16) 附图
1 引言 1.1小车功能设计要求 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评定成绩。 给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的重块铅垂下降来获得，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，不可使用任何其它的能量形式。 1.2小车的设计思路 小车的设计一定要做到目标明确，经过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。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、制造成本等给方面因素。 小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发创造理论方法。采用了Inventor、UG、CAD等软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程（如图1）
S型无碳小车-结构设计方案
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛（广西赛区） The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition（Guangxi Division） 结构设计方案Structure Design Scheme 编 号 （此栏由赛务 工作人员填写） 第一幅照片（小车正面） （注意照片的放置方向与页面方向一致， 照片上不允许出现参赛学校信息，阅后删除。）
第二幅照片（小车侧面） （注意照片的放置方向与页面方向一致， 照片上不允许出现参赛学校信息，阅后删除。） 装 学校名称：
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛（广西赛区） The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition（Guangxi Division） 结构设计方案Structure Design Scheme 参赛项目 S 1、设计思路 1.根据比赛要求，为使无碳小车达到绕桩前进的目的，无碳小车应实现两个功能：重力势能转换为小车的动能和转向轮周期性的转向。小车结构有原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身及其他辅助零件。原动机构的作用是将重锤的重力势能转化为小车前行的驱动力，能实现这一功能的方案有多种，但就效率和简洁性来看绳轮最优。传动机构要求能量损耗少、传动比精确，故优先选用齿轮机构。转向机构要求控制精度高、摩擦损失小，选用空间曲柄摇杆机构。微调机构是小车柔性的体现，调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距，无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调。为减轻车身质量同时保证小车刚度要求，小车采用铝板作为底板材料，上面安装轴承座以支撑输入轴、驱动轴、吊挂重物的立杆等，小车转向轮的支撑架也固定在底板上。 2..通过计算并确定两齿轮的的传动比i，并实现小
大学机械设计制造及其自动化特色专业 实践报告 设计项目：工业产品力学分析实践、工业产品材料分析与设计实践 班级： 实践小组名称： 报告撰写人： 提交日期：2012/6/17 大学机电工程系
目录 1 设计任务 (4) 1.1无碳小车整体动力学分析报告 (4) 1.2无碳小车各构件材料力学性能分析报告 (4) 1.3无碳小车典型零件材料组织分析 (4) 2 设计过程 (4) 2.1 机构设计 (4) 2.2 机构简图分析 (5) 2.2.1主要机构组成 (5) 2.2.2原理 (5) 2.2.3自由度分析 (5) 2.3 机构立体图分析 (6) 2.3.1车架 (8) 2.3.2原动机构 (8) 2.3.3转向机构 (8) 2.3.4行走机构 (9) 2.4 参数分析模型 (9) 2.4.1 动力学分析模型 (9) 2.4.2运动学分析模型 (10) 2.4.3急回运动特性、传动角、死点分析 (11) 2.4.4灵敏度分析模型 (12) 2.4.5参数确定 (13) 2.5零部件设计 (13)
3设计结果与总结 (14) 4参考文献 (14) 附：Matlab编程源代码 (15)
1 设计任务 1.1无碳小车整体动力学分析报告 含无碳小车各机构运动学分析（运动轨迹计算、机构各构件长度尺寸确定等） 无碳小车动力学分析，各运动副摩擦分析、各构件受力分析。 要求Matlab编程计算（附源代码） 1.2无碳小车各构件材料力学性能分析报告 含各构件强度分析、刚度分析 基于结构安全的无碳小车各构件结构优化方案。 要求Matlab编程计算（附源代码） 1.3无碳小车典型零件材料组织分析 取无碳小车中典型金属材料进行材料组织分析，给出3种以上材料试样制作方法、组织 照片等。 2 设计过程 2.1 机构设计 行进动作分解 小车主要由四个机构组成：发条动力机构、齿轮传动机构、曲柄连杆机构、连杆前轮转向机构。
目录 一任务书 (1) 二方案设计分析 (2) 2.1车架 (3) 2.2原动机构 (4) 2.3传动机构 (4) 2.4转向机构 (4) 2.5行走机构 (6) 2.6微调机构 (7) 三运动参数及构件尺寸计算 (7) 3.1建立数学模型及参数确定 (7) 3.1.1能耗规律模型 (8) 3.1.2运动学分析模型 (9) 3.1.3动力学分析模型 (13) 3.1.4参数确定 (14) 四设计总结 (15) 五参考资料目录 (15)
二设计方案分析 通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。下面为我们设计图框（图一） 图一
在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。 图二 2.1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。
2.2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。 基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构。我们可以通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力 2.3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。 2.4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
无碳小车结构设计 方案
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛 The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition 结构设计方案 Structure Design Scheme 编 号 （此栏由赛务工作人员填 写） 装 订 学校名称：湖南文理学院芙蓉学院 参赛项目：无碳小车
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛 The 5th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition 结构设计方案 Structure Design Scheme 参赛项目 无碳小车S 型赛道 4、结构设计创新特色说明 小车设计一定要做到目标明确,经过对命题的重复研究得到一些启发,今年的命题相对于往年, 有较大的改变,规则改为经现场公开抽签，在±200～300mm 范围内产生一个“S ”型赛道第一轮障碍 物 间 距 变 化 值 和 变 化 方 向 。 竞赛小车在前行时能够自动绕过赛道上设置的障碍物，如图2。赛道宽度为2米，障碍物为直径20mm 、高200mm 的圆棒，沿赛道中线从距出发线1米处开始按间距1米摆放，摆放完成后，将偶数位置的障碍物按抽签得到的碍物间距变化值和变化方向进行移动（正值远离，负值移近），形成的即为竞赛时的赛道。这样一来就不能借鉴往年的方案,同时还必须综合考虑材料、加工、制 造、成本等各方面因素考虑。 小车的传动比和转向机构的设计是小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴参数化设计，优化设计，系统设计等现代设计创造理论，采用CAD,PROE 等软件辅助设计设计流程如下图： ’ 产品名称 小车 共 7 页 第 2 页 编 号 装 订 学校名称：湖南文理学院芙蓉学院 参赛项目：无碳小车
第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛 无碳小车设计 参赛者: 张雪飞赵鹏飞刘述亮 指导老师: 朱政强戴莉莉 -1-16 摘要 第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为” 小 无碳车”。在设计小车过程中特别注重设计的方法, 力求经过对命题 的分析得到清晰开阔的设计思路; 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。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发创造理论方法；采用了MATLAB PROE等软件辅助设计。 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。经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, 经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 MATLAB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。 小车大多是零件是标准件、能够购买, 同时除部分要求加工精度
机械原理课程设计报告书 设计题目: 竞赛题目无碳小车的设计 课程名称：《机械原理课程设计》 学生姓名： 学生学号： 所在学院：海洋信息工程学院 学习专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：宫文峰 2015年12月11日目录 (2) 第一章概述 (3) 课程设计任务与目的 (3)
第一章概述 机械原理课程设计是机械类各专业学生第一次课程设计，是重要的实践性教学环节，对于培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、解决工程实际中机构分析和设计能力等有着十分重要意义。 本次课程设计以第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”题目为基础，进行创新设计。设计对题目进行了从新分解，运用课程内所学知识，通过查阅资料结合前人经验，从几个方面进行方案的设计与分析选择，依据机械机构的设计理念，设计出一个完全依靠重力势能提供动力，以平面转向机构实现周期性转向自动避让障碍物的轻质小车方案。 课程设计目的与任务 课程设计目的 1）综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入和归纳； 2）培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神； 3）加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求进行创新思维、
综合和工艺制作等实际工作能力； 4）提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资料能力； 5）为将来从事技术工作打基础。 课程设计任务 结合一个简单或中等复杂程度的机械系统，让学生根据使用要求和功能分析，开拓思路，敢于创新，巧妙地构思其工作原理和选择工艺动作过程；由所选择的工作原理和工艺动作过程综合应用所学过的各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进行机构的选型、创新与组合，构思出各种可能的运动方案，并通过方案评价、优化筛选，选择最佳方案；就所选择的最佳运动方案，应用计算机辅助分析和设计方法（也可以使用图解法）进行机构尺度综合和运动分析；由运动方案和尺度综合结果绘制机构系统运动简图。无碳小车设计的目的与任务 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。该给定重力势能由质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不从小车上掉落。图1为小车示意图。 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，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。 第二章选题介绍 选题背景、意义 本设计源于6年第五届全国大学生工程能力综合训练竞赛“无碳小车”，该竞赛要求以
作品设计说明书
摘要 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、原动机构采用了带轮轴、传动机构采用带轮、转向机构采用凸轮机构、行走机构采用双轮驱动。 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MATLAB分别进行了能运动学分析和动力学分析，进而得出了小车的具体参数，和运动规律y 以及确定凸轮的轮廓曲线；接着应用Solidworks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。调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。 关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计
目录
小车改进方向 (21)
一绪论 命题主题 根据第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。 小车功能设计要求 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（间隔范围在700-1300mm，放置一个直径20mm、长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评定成绩。 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，普通碳钢制作）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。
“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。 4.不同场地对驱动力的要求不同，因此原动机构需要能调节驱动力。
机械设计课程设计 计算说明书 题目。。。。 专业班级。。。 学号。。。 学生姓名。。。 指导教师。。。
。。。 。。。年。。月。。日
机械设计课程设计任务书 学生姓名。。。专业班级。。。。班学号。。。 指导教师。。。职称教研室。。。 题目无碳小车设计 方案与要求 “无碳小车”以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。功能设计要求是给定一重力势能，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如上图所示。小车在前行时能够在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm)上，绕两个障碍物按“8”字形轨迹运行。障碍物为直径20mm|、长200mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩。给定重力势能为5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。要求满足：①小车上面要装载一件外形尺寸为Φ60×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于400克；在小车
行走过程中，载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于Φ30mm。 要求完成： 1.装配图1张（A2）。 2.零件工作图2张（齿轮和轴两个零件）。 3.设计说明书1份，6000-8000字。 开始日期2014 年12 月15日完成日期2015 年01 月02 日 2014年11 月20 日
江苏大学专业综合实践
小车照片
The car photos
注：该模板用于工艺成本、加工工艺及工程管 理方案的照片页。
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江苏大学专业综合实践
工程管理方案
共2 页 第 1 页 编 号 产品名称 小车 生产纲领 500 件/年
Project Management Plan
零件名称
生产批量 42 件/月
1、生产过程组织(包括设备配置)
车床组
①生产过程空间组织设计：
车床 车床
生产过程空间组织设计主要是按专业化分工原则把生产工作组织起来，使产品生产过程能 车床 车床
铣床组
铣床 铣床 铣床 铣床
钻床组
钻床 钻床 钻床 钻床
有效运行。专业化分工的类型包括三种形式：工艺专业化，产品对象专业化，成组生产。空间
组织设计的重点是设施布置，与专业化分工对应，也有三种类型：（1）工艺原则布置（2）产
品原则布置（3）成组原则布置。该无碳小车每月 42 台的生产批量，属于中小批量的生产方
式。从一定的生产组织柔性考虑，选择按工艺原则布置设施，设备按机群布置较合适。生产
工艺主要包括车、铣、钻、钳、磨。加工设备为:C6136 车床、X62W 万能铣床、Z406 台钻、线切割机床 DK7725e 等。生产空间
的机群布置如图所示。
②生产过程时间组织形式：
由于生产空间按工艺原则布置，生产过程的时间组织选择顺序移动的方式。可以使设备连续加工，又能适当的缩短生产周
期。其特点是当一批制作在前道工序上尚未全部加工完毕就可以将已加工的部分制作转到下道工序能够连续地、全部地加工完
该批制作。确定生产时间：无碳小车月产 42 台，按照一个月工作 21 天，每天一班工作 8 小时，时间利用率设为 90%，计算该
零件的生产节拍为：
r=T/M=T0*v/M=21*8*60*90%/42=216min/台
其中，r-节拍，T-计划期有效工作时间，M 计划期制品产量，T0-制度工作时间，v-时间有效利用系数。
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2015(第四届)山东省大学生工程训练综合能力竞赛 结构设计报告 总 5 页 第 1 页 产品名称：无碳小车 编号 1.设计概述 设计原则： 整车的重心要低，操作、调整方便灵活；结构尽量简单，传动件数少；质量小，足够的刚度，运动平稳。 2.设计方案 通过对小车的功能分析，小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为六个部分进行模块化设计，分别是：车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 和微调机构，下面将详细介绍这六个模块。 2.1车架 车底板因不需承受很大的力，精度要求不是很高，考虑到加工方便、质量轻、成本低等因素，底板选用厚度为6mm 的铝板,尺寸定为143.5mm × 115mm 。小车运行起来按避障要求左右转向,引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动,可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心,为此将小车底板折弯,满足整车重心降低的需要。 2.2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。小车对此机构主要有以下要求： 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。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。由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样，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。因此还需要能根据不同的需要调整其驱动力。 在此结构中应让重块保持一定高度的支架以及重块带动车体的连接部件，考虑到立柱在满足一定强度的基础上需尽可能的轻，我们选用φ6铝棒材料。为了避免小车在行驶过程中，重块晃动过大，极易造成翻车现象， 通过多次的改进最终采用的是四根立柱，既轻便又稳固，达到预期效果。 至于滑轮，由于车体及车轮均采用铝板而不是材质较轻的雅格利板、碳板，车体较重，小车不易起动。定滑轮即稳定又容易改变力的方向，故选用了定滑轮。 2.3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驱动轮上。它的优劣直接决定了小车的性能，能量是否充分利用，转向是否精确皆取决于此。我们决定采用齿轮传动，它具有结构紧凑、可靠性好、效率高、传动稳定等特点。由于小车只绕8字走三圈，需提高小车的速度，减少能量的损失。 因此传动机构选择了传动比5:1的一级齿轮传动。在齿轮材质的选择上，综合考虑到齿轮材质轻、价格便宜、规格齐全并能满足小车所需齿轮强度要求，故采用铝制齿轮。 学校 名 称： 参赛项 目： 8子 型赛 道常 规 赛 装 订 线
无碳小车设计方案 设计人：张庆辉、杨志鹏、王浩 指导老师：黄新平 设计时间：2012年11月25日
无碳小车方案设计 摘要： 通过对小车的功能分析，我们发现小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物等三方面功能。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。首先我们针对车架的选择进行了讨论分析，我们确定的车架形式有两种一种是三角底板式，另一种是骨架式的，考虑到车架的受力平衡问题以及稳定性问题，我们最终选择了三角底板式车架；确定车架后我们接着进行了原动机构的设计，经过讨论我们确定了三种原动机构，它们分别是绳轮式原动机构、弹簧储能式原动机构和链轮式原动机构。鉴于弹簧储能式原动机构和链轮式原动机构制造起来比较困难，我们选择了绳轮式原动机构。对于传动机构我们选择了直齿圆柱齿轮，一是制造比较方便，二是采用标准件时比较容易购买。对于转向机构我们选择的是曲柄连杆+摇杆机构。而行走机构我们选择了单轮驱动机构，目的在于保证运动的准确性。微调机构我们采用的是微调螺母。 正文： 接下来我们将具体介绍实现各个功能的不同部分的选择
车架 车架需承受较大的力，而精度要求不是很高。考虑到重量加工成本等，车架采用304L不锈钢板加工制作成三角底板式，304L不锈钢板耐蚀性、外观、加工性、强度等特性远远超过其它材料，并且也是目前最常用的钢材，因此材料比较容易获得，可以通过回收实习工厂加工废料获得。 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机械能即小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，但从效率和简洁性的分析来看绳轮式原动机构相较于弹簧储能式原动机构和链轮式原动机构更具有优势。除此之外，小车对原动机构还有其它方面的具体要求：1、驱动力应适中，以防止小车在拐弯时不至于因速度过大而发生倾翻现象，或由于重块晃动影响行走路线。 2、小车到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车造成过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化为小车前进的驱动力，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身仍然存有较多动能，这样会使能量利用率不高。 3、由于不同的场地对轮子的摩擦不一样，在不同的场地小车需要的动力也不一样,因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。 4、机构设计尽可能简单，提高效率。
“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。 4.不同场地对驱动力的要求不同，因此原动机构需要能调节驱动力。
无碳小车产品设计说明书 产品名称：飞轮驱动式无碳小车 设计团队：小组成员：李进、肖衡、谢中成指导老师：韩传军、任海涛设计思想：看到此次竞赛主题，我团队认为；能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心，我们展开了一系列的理论分析与验证，经过反复比较，最终确定了我们的设计思路：飞轮驱动与仿自行车式转向。 驱动方面，最开始，我们想到了发条，认为将重物下落的重力势能储存在发条中，在逐渐释放，能够很好地利用能量。与此同时，经过研究玩具小车的驱动机构，我们认为，可以想办法将发条与弹簧结合起来使用，通过二者驱动的时间差来达到将重物能量利用最大化的目的。但是，发条在储能和释放能量时都会消耗能量，因而能量利用率不高；并且，如何让弹簧与发条分时驱动也是一个我们始终无法解决的问题；而且，发条在释放能量后还会有阻碍驱动轮转动的问题，要解决这个问题会将小车结构弄得很复杂，因而，我们最终放弃了这种想法。而后，通过联系农村稻麦收割机的启动实例，我们想到了利用飞轮驱动，飞轮驱动结构简单，并且能够很好地解决发条能量释放后阻止驱动轮转动的问题；于此同时，我们也想到了将飞轮与弹簧联合驱动的方案，这种方案能够将能量尽可能地利用，并且只要通过传动比让弹簧驱动给后轮的速度大于飞轮能量释放后后轮的速度，就能让小车平稳前进。但是这个方案仍然存在结构复杂并造成能量消耗打的问题，经过综合考虑权衡，我们最终确定飞轮单独驱动小车的方案。 转向方面，我们主要是仿照自行车转向的方案，利用等宽凸轮控制小车自动转向。 工作原理： 主要构件如下图所示，包括储能飞轮、驱动后轮、传动齿轮、“曲柄”圆轮、连杆、转向“摇杆”和转向前轮。
重庆大学工程训练综合能力竞赛 ——无碳小车设计方案
1摘要 本作品是依据竞赛命题主题“无碳小车”，提出一种“无碳”方法，带动小车运行，即给定一定重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。该小车通过微调装置，能够实现自动走“8”字及直线绕障。此模型最大的特点是通过两个不完全齿轮驱动前轮摆动，进行可调整的周期性摆动，使前轮的摆动节拍具有可调性。本文将对无碳小车的设计过程，功能结构特点等进行详细介绍。并介绍创新点。 2引言 随着社会科技的发展，人们的生活水平的提高，无碳对于人们来说，显得越来越重要，建设无碳社会，使得生活更加的环保，没有任何的污染。节能、环保、方便、经济，是现代社会所提倡的。现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领域，像交通，家具等，这也是我国当今所要求以及努力的方向。针对目前这一现状，我们设计了无碳小车模型，用重力势能转化为机械能提供了一种全新的思路，以便更好的解决以上问题。 3目的 本作品设计的目的是围绕命题主题“无碳小车”，即不利用有碳资源，根据能量转化原理，利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。这种模型比较轻巧，结构相对的简单，能够成功的将重力势能转化为小车的动能，从而完成小车前行过程中的所有动作。 4工作原理和设计理论推导 4.1总体结构 无碳小车模型的主要机构有驱动机构、转向机构、行走机构及微调机构。主要部件如下图的小车整体模型
4.2设计理念及说明 4.2.1无碳小车模块机构介绍 ◆驱动机构： 本方案采用绳轮作为驱动力转换机构。我们采用了梯形轮使能量转化过程中有更合适的转矩使驱动力适中，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。同时做到了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，提高了能量利用率。绳轮机构简单，传动效率高，且在针对不同场地导致的所需动力不同的情况，可通过调节绕绳位置来改变转矩，使动力改变，增强适应性。 ◆转向机构： 如图，本方案采用了摇杆加两个完全相同的不完全齿轮，实现可变周期性转向。考虑到摩擦、制造、安装误差的敏感性等因素，我们最终选用了摇杆加不完全齿轮的方案。考虑到适应场地的需求，我们将原来的一个不完全齿轮改为两个，实现了不完全齿角度差的可调性。
无碳小车设计计划书 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”。命题与高校工程训练教学容相衔接，体现综合性工程能力。命题容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。 1.2小车功能设计要求 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评定成绩。 给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为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。 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。要求满足：①小车上面要装载一件外形尺寸为φ60×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于φ30mm。
1.3小车整体设计要求 小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。 1.4小车的设计方法 小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。作品的设计需要有系统性规性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。 小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法。采用了MATLAB、PROE 等软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程（如图一）
无碳小车 设计说明书 2011-5-20
目录 一：摘要;：……………………………………………… 二：引言：……………………………………………… 三：任务和要求……………………………………………… 3.1设计思路……………………………………………… 3.2基本原理……………………………………………… 四：方案设计及论证……………………………………………… 4.1机械方案设计……………………………………………… 4.1.1传动系统……………………………………………… 4.1.2转向系统......................................................4.2工艺方案设计 (7) 4.3小车整体及外观设计 (8) 4.4最终方案 (8) 五：材料及成本分析 5.1小车整体材料种类 (9) 5.2小车各部位材料选择 (9) 5.3小车经济成本分析 (9) 六：参考文献……………………………………………… 七：无碳小车徽标………………………………………………
摘要 是依据竞赛命题主题“无碳小车”，提出一种“无碳”方法，带动小车的运行，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计了一种可将该重力势能转化为机械能并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，放置一个直径为20mm，高为200mm的弹性障碍圆棒）。此模型最大的特点是将重力势能转化为齿轮的转动，进而根据大小齿轮的粘合带动驱动轮和转向轮，从而按照规定的路线完成任务。本文将对无碳小车模型的设计过程，结构功能特点等进行详细的介绍。 关键词：无碳小车齿轮粘合驱动轮转向轮安全高效方便灵活创新理念。