工程训练大赛无碳小车说明及其计算共33页文档

第三届福建省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：邓磊林源兴趣詹发星指导老师：***学校：福建工程学院地点：福建福州时间：2015年1月1-2日摘要第三届福建省大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车越障竞赛”，并为接下来的第四届国赛做好准备。

我们在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通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发明理论方法；采用了MATLAB、PROE、CATIA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。

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、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用双轮驱动、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、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。

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。

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小车整体设计要求二方案设计2.1 路径的选择2.2 差速问题解决2.3 重物与后轮的连接问题2.4 转向装置三参数的设计3.1 路径参数的确定3.2 其他参数四小车的工程图4.1小车各装配图4.2小车CAD工程图五功能分析六选材与加工分析一绪论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。

在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通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发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。

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。

北华航天工业学院第四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：夏洪伟孙传远肖洋指导老师：韩伟娜第四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：夏洪伟、孙传远、肖洋指导老师：韩伟娜目录第1章方案设计..................................................................................................... - 1 -1.1 车架................................................................................................................ - 3 -1.2 原动机构...................................................................................................... - 3 -1.3 传动机构...................................................................................................... - 4 -1.4 转向机构........................................................................................................ - 7 -1.5 行走机构........................................................................................................ - 9 -1.6 微调机构........................................................................................................ - 9 -第2章技术设计................................................................................................... - 11 -2.1运动学分析模型........................................................................................... - 11 -2.2参数确定....................................................................................................... - 13 -2.3零部件设计................................................................................................... - 13 -附录................................................................................................................... - 15 -第1章方案设计通过对小车的功能分析，“无碳小车越障竞赛”通常主要由车体、能量转换、传动和转向等部分组成。

无碳小车设计说明书学院：行知工学分院班级：机械132班学生姓名：学号：指导老师：完成时间： 2015 年 6 月 15 日1.绪论1.1小车的设计命题设计一种小车，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），设计时统一用质量为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。

如图1.1所示。

图1.1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。

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，具体设计、材料选用及加工制作均由学生自主完成。

1.2小车的整体设计要求小车设计过程需要完成：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，提出合理的工程计划。

设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。

命题中的制造工艺能力项要求综合运用加工制造工艺的知识。

1.3小车的设计方法在小车的设计方法上，我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发明理论方法。

采用CAXA、SolidWorks2012等辅助软件设计。

2.设计方案2.1尺寸设计由于小车实在平面上运行，转弯半径较小，所以定小车的宽度为150mm，长度为150mm，使其能拥有更佳的灵活性。

如图2.1所示。

图2.12.2最大转角因为小车长为150mm，当绕过最大偏移距离为500mm的圆弧时能得到最大转角，如图3.2所示，即可得最大转角位26.897°.如图2.2所示。

.. 图2.2设曲柄长度为10，已知最大转角位26.897°，由图2.3所示可知可得最大偏移距离图2.3偏移距离L=10/tan（26.897°）=19.71mm2.3后轮直径设计传动机构的功能是把动力和运动传递到转弯机构和驱动轮上。

目录1.摘要 (1)2.引言 (1)3目的 (1)4工作原理和设计理论推导 (1)4.1总体结构 (1)4.2设计方案介绍与计算分析 (2)4.2.1无碳小车模块机构介绍 (3)5. 设计总结 (8)6.附件1.摘要本作品是依据工程训练综合能力竞赛命题主题“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“S"字直线绕障。

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总体结构图 1 无碳小车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2所示为小车整体模型。

图 2 无碳小车模型4.2设计方案介绍与计算分析4.2.1无碳小车模块机构介绍1.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。

目录前言第1章、绪论 (4)1.1 参赛主题 (4)1.2 功能分析 (4)1.3 设计方法 (4)第2章、轨迹和行走机构选型与计算 (6)2.1 轨迹和行走机构选型 (6)2.2 轨迹参数计算 (7)第3章、控制机构选型与计算 (10)3.1 控制机构选型 (10)3.2 放大机构的设计 (12)3.3 凸轮的设计 (13)第4章、传动机构选型与计算 (16)4.1 传动机构选型 (16)4.2 齿轮系的设计 (16)4.2 尺寸参数校核 (17)第5章、动力机构选型与计算 (19)5.1 绕绳轮安装位置分析 (19)5.2 力分析 (20)5.3 前轮转向阻力矩的计算 (23)5.4 弹簧劲度系数的计算 (23)5.5 尺寸参数的获取 (23)5.6 质量属性参数的确定 (26)5.7 参数的计算 (27)5.8 绕绳轮最大半径的确定 (29)第6章、微调机构简介 (30)第7章、误差分析及效率计算 (31)7.1 误差分析 (31)7.1.1 设计误差 (31)7.1.2 参数误差 (31)7.1.3 加工与装配误差 (31)7.2 传动效率的计算 (32)7.2.1 动力机构效率的计算 (32)7.2.2 传动机构效率的计算 (33)7.2.3 控制机构效率的计算 (34)第8章、仿真分析 (35)第9章、综合评价及改进方案 (37)9.1 综合评价 (37)9.2 改进方案 (39)第10章、参考文献 (40)第11章、附录 (40)11.1 机构运动简图及装配图 (40)11.2 小车三维装配图及爆炸图 (42)第1章、绪论1.1 参赛主题第三届全国大学生工程训练大赛的竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。

这次竞赛包含两个竞赛项目。

第一个项目与往届竞赛相同，为小车走“S”形线路绕杆。

竞赛项目二为小车走“8”字形线路绕杆。

通过商量，我们选择的竞赛项目为项目二。

1.2功能分析根据本次竞赛规定，竞赛项目二是小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。

无碳小车说明书（本小组选择的竞赛项目是竞赛项目二）一、小车整体说明小车整体结构上面，我们根据小车功能要求和机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分），把小车分为驱动部分、转向部分两个模块进行分析和设计。

在此基础上，小车采用三轮机构，后轮驱动，前轮转向，重物下落的过程中通过齿轮传动机构，将重物的重力势能转化为小车运动的动能，在后轮驱动下，再通过转向机构中的凸轮传动，将后轮的行走转化为前轮的转向，以便达到预期的要求。

考虑到竞赛项目二要求的桩距是（400±100）mm，小车车身在允许范围内应尽可能小，并且行走的轨迹也要尽可能的短，这样才能够避免小车车身碰到障碍物或者小车驶出乒乓球桌。

二、驱动部分原理分析：根据小车功能要求，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。

该自行小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。

以小车绕行的圈数、以及碰倒或避开障碍的多少来综合评定成绩。

在设计要求中，驱动部分是将物块重力势能转化为小车的动能，并在有限的动能下，使小车能够移动尽可能多的距离，让成绩达到尽可能好。

机构分析：为达到既定要求，首先，在驱动机构上，我们通过一个绳轮驱动机构将重物的重力势能转化为小车后轮的驱动动能，具体就是将绳子绕过高40cm的定滑轮，一端连在重物上，另一端固定的绕在驱动轴上，通过重物下落带动驱动轴转动，进而实现后轮的驱动。

然后，为了使小车运动的距离达到尽可能长，我们使用了一个齿轮传动机构，通过齿轮的运转和传递，使得在绳长确定即能量一定的情况下，小车后轮转动的圈数越多，进而尽可能的增加绕行的圈数，但在这个过正中，不能因为摩擦力的情况而发生自锁现象，在这些情况下，我们抉择出最佳的传动比和传力绳。

驱动结构简图如下三、传动转向部分要实现尽可能多的使小车重复完成绕八字运动，传动及转向结构是关键，此处我们来分析一下转向机构。

无碳小车越障竞赛比赛说明[范文模版]第一篇：无碳小车越障竞赛比赛说明[范文模版]无碳小车越障竞赛比赛说明1.竞赛主题本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。

要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一台符合本命题要求的可运行的机械装置，并进行现场竞争性运行考核。

每个参赛作品需要提交相关的设计、工艺及创业企划书3个文件及长度为3分钟的关于参赛作品设计及制作过程的汇报视频。

2.竞赛命题本届竞赛命题为“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，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1.1为小车示意图。

图1.1 无碳小车示意图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。

其中一轮为转向轮，另外二轮为行进轮，允许二行进轮中的一个轮为从动轮。

具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成。

3.竞赛安排每个参赛队由3名在校本科大学生组成。

3.1 本校制作参赛队按本竞赛命题的要求，在各自所在的学校内，自主设计，独立制作出一台参赛小车。

3.2 集中参赛1)携带在本校制作完成的小车作品参赛。

2)报到时提交参赛作品的结构设计方案、加工工艺方案及创业企划书共3个文件（分别提交纸质版文件一式2份、电子版文件1份），文件按本竞赛秘书处发布的统一格式编写。

3)提交1份3分钟的视频，(格式要求：MPEG文件，DVD-PAL 4:3，24位，720 x576，25 fps，音频数据速率 448 kbps杜比数码音频 48KHz)，视频的内容是关于本队参赛作品赛前设计及制作过程的汇报及说明。

北华航天工业学院第四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：夏洪伟孙传远肖洋指导老师：***第四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：夏洪伟、孙传远、肖洋指导老师：***目录第1章方案设计..................................................................................................... - 1 -1.1 车架................................................................................................................ - 3 -1.2 原动机构...................................................................................................... - 3 -1.3 传动机构...................................................................................................... - 4 -1.4 转向机构........................................................................................................ - 7 -1.5 行走机构........................................................................................................ - 9 -1.6 微调机构........................................................................................................ - 9 -第2章技术设计................................................................................................... - 11 -2.1运动学分析模型........................................................................................... - 11 -2.2参数确定....................................................................................................... - 13 -2.3零部件设计................................................................................................... - 13 -附录................................................................................................................... - 15 -第1章方案设计通过对小车的功能分析，“无碳小车越障竞赛”通常主要由车体、能量转换、传动和转向等部分组成。