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转向系统
方案：
分析运动轨迹：S型转向。
A杆连接飞轮，在zoy平面随着飞轮运动而前后运动。
件D与B通过螺钉C连接，B右端
连接转向轮。
当A杆向前运动时，顶住D杆使杆B杆和转向轮逆时针转动。
当A杆随飞轮向后运动时，拉住D杆使B杆和转向轮顺时针转动。
由于BD杆长度限定，在转向过程中会出现两个偏角，分别是A杆顶端沿X轴方向的偏转，这个问题通过在B杆到连接D杆的位置预留一段长度。
第二个偏角是BD杆顺时针逆时针转动时，BD杆与A杆不再是垂直关系，这个问题通过A顶端空内径比D杆外径稍大来解决。
（注：文件素材和资料部分来自网络，供参考。
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）。
目录一、设计任务书 (1)二、总体结构设计 (1)三、总传动比的设计与分配 (2)四、转向轮轴运动参数的计算 (2)五、对轴进行结构设计与校核 (2)七、润滑剂的选择 (2)八、工艺设计方案 (2)九、成本分析方案 (2)十、工程管理方案 (4)十一、徽标设计 (5)十二、参考文献 (6)十三、心得体会 (6)一、设计任务书命题：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: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（￠50×65 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￠60×20 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￠30mm。
二、总体结构设计根据本届大赛命题要求，我们首先确定如下设计思路：1．驱动机构根据能量守恒定律，要尽可能多的利用重物的重力势能，就必须简化结构，因此该系统不设储能装置，直接由重物通过细绳拉动后轴驱动。
2．转向机构控制转向是该小车的核心问题之一，普通凸轮只能控制转向轮规则摆动，在不需要转向的时候小车仍会转向，因此我们在此处将凸轮机构进行了进一步的优化，通过引入“太空豆”控制转向信号，使得前轮在我们需要的时候转向,并以此实现小车的预编程功能。
a型无碳小车课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生理解无碳小车的基本原理和设计理念，掌握相关物理知识，如能量转换、简单机械结构等。
2. 学生了解并掌握无碳能源的特点和应用，如太阳能、风能等。
3. 学生掌握基本的电路知识，能够分析并理解无碳小车电路的组成和原理。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计并制作一个简单的a型无碳小车。
2. 学生通过实践操作，培养动手能力、团队协作能力和问题解决能力。
3. 学生能够运用科学方法进行实验，收集和处理数据，优化无碳小车的设计。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对科学技术的兴趣，增强环保意识，认识到无碳能源的重要性。
2. 学生在学习过程中，培养积极探究、勇于创新的精神，提高自信心和成就感。
3. 学生通过团队合作，培养集体荣誉感，学会尊重他人，提高沟通能力。
课程性质：本课程为科学实践活动，结合物理、能源等学科知识，注重实践操作和团队合作。
学生特点：六年级学生具有一定的物理知识基础，动手能力强，对新鲜事物充满好奇。
教学要求：教师需引导学生将理论知识与实践相结合，关注学生在活动中的参与度和合作精神，以提高学生的综合能力。
通过分解课程目标为具体的学习成果，使学生在实践中掌握知识，培养技能和情感态度价值观。
二、教学内容1. 引入无碳能源概念：通过课本相关章节，介绍无碳能源的定义、分类及其在生活中的应用，让学生了解无碳能源的重要性和发展趋势。
- 教材章节：《能源》单元，无碳能源章节2. 学习无碳小车原理：结合物理知识，讲解无碳小车的工作原理，包括能量转换、简单机械结构等。
- 教材章节：《物理》单元，能量转换、简单机械章节3. 设计与制作无碳小车：引导学生运用所学知识，进行无碳小车的设计与制作，注重实践操作和团队协作。
- 教材章节：《科学实践活动》单元，设计与制作项目4. 实验与优化：组织学生进行无碳小车的实验，收集数据，分析问题，对小车设计进行优化。
- 教材章节：《科学实践活动》单元，实验与探究章节5. 成果展示与评价：安排学生展示自己的无碳小车，进行自评、互评和教师评价，总结经验教训。
设计方案说明书
一、能量转换设计方案
将给定的重力势能通过滑轮组合等转化为小车所需要的能量。
首先，通过滑轮的配合保证小车的动力来源以及速度的稳定。
重物与定滑轮1连接，通过定滑轮2与皮带轮3连接（绳缠绕在皮带轮上），皮带轮3固定在小车车轴上。
当重物下落时，重力势能通过滑轮组带动皮带轮运动，从而使车轮转动，具体情况如下图所示：
图一小车能量转换示意图
二、运动方向设计方案
利用凸轮机构来控制小车的前进方向，以躲避障碍物。
在小车前进过程中，为躲避障碍物需走S型路线，这就需要在小车行走过程中，在特定的位置改变小车的前进方向，通过一组凸轮机构即可实现小车的转弯。
车轴带动凸轮1转动，然后将运动轨迹通过导杆2 传递给滑块3，滑块3带动车轴4运动（车轴4做周期性摆动），从而达到小车改变方向的目的。
图二小车运动方向改变示意图。
八字形无碳小车课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解八字形无碳小车的基本概念、设计原理和制作方法，通过实践活动提高学生的科学探究能力、动手能力和团队协作能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解八字形无碳小车的结构特点和运动原理。
（2）掌握无碳小车制作的材料选择、设计和组装方法。
（3）了解无碳小车在环保领域的应用和意义。
2.技能目标：（1）能够运用科学知识分析和解决无碳小车制作过程中遇到的问题。
（2）具备动手实践能力，独立完成无碳小车的制作。
（3）培养团队协作精神，学会与他人共同探讨和解决问题。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对科学的兴趣和好奇心，提高科学素养。
（2）培养学生关爱环境、珍惜资源的意识。
（3）培养学生勇于创新、克服困难的精神。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括八字形无碳小车的概念、设计原理、制作方法和实践操作。
具体安排如下：1.第一课时：八字形无碳小车概述（1）介绍八字形无碳小车的定义和特点。
（2）讲解无碳小车的工作原理和应用领域。
2.第二课时：无碳小车设计原理（1）讲解无碳小车的设计原则和方法。
（2）分析无碳小车的结构组成和功能。
3.第三课时：无碳小车制作方法（1）介绍无碳小车的制作材料和工具。
（2）演示无碳小车的制作过程。
4.第四课时：实践操作（1）学生分组制作无碳小车。
（2）进行无碳小车比赛，检验学习成果。
三、教学方法本课程采用讲授法、实践操作法和小组讨论法相结合的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性。
1.讲授法：讲解无碳小车的相关概念、原理和制作方法。
2.实践操作法：学生动手制作无碳小车，提高实践能力。
3.小组讨论法：分组讨论制作过程中的问题和解决方案，培养团队协作能力。
四、教学资源1.教材：选用符合课程内容的八字形无碳小车教材。
2.参考书：提供相关领域的参考书籍，丰富学生知识体系。
3.多媒体资料：制作PPT、视频等资料，直观展示无碳小车的制作过程和原理。
4.实验设备：准备无碳小车制作所需的工具和材料，如剪刀、胶带、电机等。
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。
机械原理课程设计题目越障无碳小车姓名学号专业班级所在学院机电与信息工程学院二○一四年九月九日一.设计题目：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是按照能量转换原理，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（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来取得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一路运动，不允许从小车上掉落。
图1为小车示用意。
图1：无碳小车示用意要求小车行走进程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换取得，不可利用任何其他的能量来源。
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。
要求竞赛小车在前行时能够自动交织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用意二机构运动简图及设计方案机构运动简图：具体设计方案：由于小车的运动轨迹为下图所示咱们利用了最简单的齿轮连杆机构设计小车的行走与转向，利用齿轮啮合传动实现小车移动；利用曲柄连杆实现前轮转向。
小车运动进程分析简图：重物下落，重力势能转化为动能，提供驱动绕绳处驱动轮旋转驱 动大齿轮与偏心轮旋大齿轮旋带动小带轮偏心轮旋转，使连杆沿一条直线前后推动摇杆被连杆推动使其在 一定范围内进行摆动小齿轮旋转驱动后轮 转轴进行旋转驱动后轮转动，使后轮旋转，带动小车能往前运动摇杆摆动使前轮左右摆动使小车左右转动前后轮协调使小车在前进过程S 形曲线绕过障碍三、基础数据（参数）重物下降速度V滑轮半径R0驱动轮半径R驱动轮角速度ω齿轮1角速度ω1齿轮1齿数z1齿轮1模数m1齿轮2齿数z2齿轮2模数m2齿轮2角速度ω2后轮角速度ω后出动比i=1/3曲柄A长度A滑动推杆B长度B摇杆C长度C四．完成设计所用方式及原理简单说明设计总图如图所示：如图示，滑轮上的绳一端连接重物，一端连接驱动轴。
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。
能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。
凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。
在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）因此不采用曲柄连杆+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。
缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。
在本小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大故机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，利用MATLAB进行参数化设计并不困难，加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。
对于安装误差的敏感性问题我们可以增加微调机构来解决。
曲柄摇杆结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低。
其急回特性导致难以设计出较好的机构。
差速转弯差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。
小车通过差速实现拐弯避障。
差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。
和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。
（由于加工和装配的误差是不可避免的）综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。
2.5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δ⋅=N M对于相同的材料δ为一定值。
而滚动摩擦阻力R N RM f δ⋅==，所以轮子越大小车受到的阻力越小，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。
由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。
对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。
双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。
双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。
差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。
单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。
但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。
单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。
就如一辆自行车外加一个车轮一样。
从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。
其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。
综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案，如果规则允许可以采用单轮驱动。
2.6微调机构一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。
微调机构就属于小车的控制部分。
由于前面确定了转向采用曲柄连杆+摇杆方案，由于曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。
这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹。
由于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。
因此我们设计了一种机构简单的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过试验比较得到最优的小车。
三运动参数及构件尺寸计算技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。
设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。
3.1建立数学模型及参数确定3.1.1能耗规律模型为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。
设小车内部的能耗系数为ξ-1，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⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==∑∑==3131*i i i i R N g m N mgh s i i 总ξδ i N 为第i 个轮子对地面的压力。
i R 为第i 个轮子的半径。
i S 为第i 个轮子行走的距离总m 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1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.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间。
当车轮半径分别为（222mm ，70mm ）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.....mm 时小车行走的距离与小车内部转换效率计算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。
当摩阻系数为0.5mm时计算可知当小车的半径每增加1cm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。
3.1.2运动学分析模型符号说明：驱动轮半径驱动轮A与转向轮横向偏距驱动轮B与转向轮横向偏距驱动轴（轴2）与转向轮中心距离曲柄轴（轴1）与转向轮中心距离曲柄的旋转半径摇杆长连杆厂l轴的绳轮半径r2驱动：当重物下降dh 时，驱动轴（轴2）转过的角度为2θd ，则有22r dh d =θ则曲柄轴（轴1）转过的角度i d d 21θθ=小车移动的距离为（以A 轮为参考）2θd R ds ⋅=转向：当转向杆与驱动轴间的夹角α为时，曲柄转过的角度为1θ则α与1θ满足以下关：()()1221211222cos sin sin cos 1θθαα⋅+⋅-⋅++-⋅=r r c b c l解上述方程可得1θ与α的函数关系式()1θαf =c 、小车行走轨迹只有A 轮为驱动轮，当转向轮转过角度α时，如图：则小车转弯的曲率半径为1tan a b+=αρ小车行走ds 过程中，小车整体转过的角度ρβdsd =当小车转过的角度为β时，有⎩⎨⎧⋅=⋅-=ββcos sin ds dy ds dx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()()0,21a a B +-C 的坐标()d a C ,-在地面坐标系中，有⎩⎨⎧⋅+-=⋅+-=ββsin )(cos )(2121a a y y a a x x A B A B⎩⎨⎧-⋅+=-⋅-=ββββsin cos sin cos 11a d y y d a x x A C A C为求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参数的到了小车运动轨迹。
图五3.1.3动力学分析模型驱动如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为T ，有)(a g m T -=产生的扭矩122λ⋅⋅=r T M ，（其中1λ是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。
