无碳小车结构设计方案

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。

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。

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。

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。

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。

无碳小车结构设计报告一、设计概述根据题目要求，为达到“8”字绕行的目的，无碳小车应实现两个功能：重力势能的转换和周期性的转向。

据此可以将小车分为驱动机构和转向机构两部分。

驱动机构要求能量损耗小、传动比准确，优先选用齿轮机构。

转向机构因为轨迹重复性要求高，采用齿轮和拉杆结合控制前轮转向来满足小车走周期性“8”字要求。

二、设计方案1.小车以钢板做的底板为主体，上面安装三根吊挂重物的立杆。

2.使用滑轮机构将重块的能量通过细绳以转矩的形式传递到输入轴。

3.输入轴通过一级齿轮传动将能量传到驱动轴，带动驱动轮并驱使小车向前运动。

4.输入轴转动一圈，带动转动的大齿轮转动四分之一，使与之啮合的小齿轮转动二分之一，用连杆机构链接，使前轮走了一个圆时实现转向，从而小车走了“8”字形运动。

三、相关计算驱动机构转向齿轮（控制方向）转向机构（控制周期）1主动轮2驱动轮3主动轮4从动轮传动比2.5:1传动比1:2 主要零件尺寸：前轮半径后轮半径驱动1半径驱动2半径转向3半径转向4半径转向1半径转向2半径5mm 50mm 35mm 14mm 35mm 14mm 30mm 30mm厚度为10mm 厚度为6mm 设为转角30度，两个障碍物的距离为300毫米：设为小车的轨迹半径为x，则150*150-75*75=16875,对其开方约得130毫米。

由此可知，小车的轨迹为3.14*2*130*2=1632.8毫米，车轮要转5圈，所以轴的周长为2毫米才能保证小车在理论上转了8圈。

四、整体装配图五、作品创意1.优化各零件布局，降低小车重心2.三根立杆防止小车运行中重块摞动3. 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，此种方式效率高、结构简单。

在不考虑其它条件时这是最优的方式。

4.曲柄连杆面积所受压力较小，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5.小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少六、心得与体会在设计无碳小车的环节中，我们在此过程当中反复探索、不断前进。

㈠无碳小车设计思路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㈡无碳小车设计方案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。

无碳小车机构设计方案一：设计目标：1：重力势能最大限度的转化为小车的动能;2：小车能够自动的转向绕开障碍物;3：行驶的距离最大化；二：设计思路：1：小车的动力来自于重物下落的重力势能。

用皮带将重物与驱动轮轴连接，通过重物下降使皮带带动后轮轴旋转，从而实现小车的运动。

然而重物下落不可避免的要与小车碰撞从而造成能量损失。

为使重力势能最大限度转化为动能（重物与小车碰撞时速度最小或为零），则需要重物的下降过程是静止——加速——匀速——减速——静止。

而这样的过程要通过改变主动力矩实现。

具体是通过一根大小合适的锥形轴，改变动力线缠绕的半径。

从而改变主动力矩，使其与摩擦阻力矩之间的大小发生转变。

2：要使小车自动转弯，首先需要将后轮的运动传递给转向机构，其次需要设计一套装置利用后轮传递过来的运动实现前轮的偏转与还原。

最后为达到有规律的自动转弯，需进行运动参数计算，得到行驶路线图，通过小车行驶一个周期的距离前轮偏转两次，设定传动比，设定转向部件尺寸与安装位置。

3：行驶距离最大化，是需要各种其他损失最小化。

可以让小车的路线为直线——曲线——直线，即通过一个装置使小车在需要转向时转向并快速回复直线行驶，以避免曲线行驶造成的能量消耗。

也可以在小车结构尺寸设计时在满足其它条件后尽量减小尺寸，从而减小小车的重力和阻力。

三：详细设计方案1）小车结构尺寸如图所示2）机构分析1：动力机构：后轮的主运动通过缠绕在锥形轴上的皮带带动，当重物下降，带动皮带运动，皮带带动轴即后轮运动。

由于皮带缠绕在半径大小不等的锥形轴上，在起始时转动半径较大，启动转矩大，有利于启动。

启动后，转动半径开始减小（随缠绕的锥形轴半径减小），转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。

当重物距小车很近时，转径再次变小，皮带的拉力不足以使主动轴转动，但由于惯性，重物减速下降，直至与小车接触，此时重物速度很小或为零。

2：传动机构：后轮上通过键连接一个齿轮，模数为1，齿数17，然后与另一根轴（过渡轴）上齿数51的齿轮啮合，实现了一级传动比i=3，然后同一根轴上的另一模数为1，齿数17的齿轮被轴带动，它和第三根轴（转向动力轴）上齿数为68的齿轮啮合，实现了二级传动比i=4。

“S”无碳小车结构方案一、设计思路1.根据能量守恒定律，物块下落的时能直接转化为小车的动能，推动小车前进，此时势能的损失最小，故小车前进的动能应有物块的势能直接转化。

2.设计要求小车有自动避障的功能，小车的前进路线呈中周期性变化，但是当小车转向时速度有损失，故其前进路线需要通过精确计算得到.3.需要对小车的结构进行分析，综合考虑小车的加工工艺，成本，使得到的产品设计合理。

4.在设计的时候需要尽量减轻整车的质量，对小车进行受力分析，保证其行驶过程中运动平稳。

5.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。

如右图所示：6.小车设计要求（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。

二、小车出发定位方案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。

小车在运动中，其运动轨迹简化为余弦曲线图像，通过小车的传动比以及转向装置曲柄的长度计算出余弦曲线的幅值，将小车放置于幅值处。

将障碍物的方向定为Y轴，X 轴在水平面垂直于Y轴，画出小车前进路线轨迹，将障碍物在轨迹图中，找到能通过的位置，量取此时Y轴与小车出发的幅值处即为小车出发点。

2014年****工程训练综合能力竞赛无碳小车设计报告参赛者：指导老师：2014/10/151、设计概述“无碳小车”是将重力势能转换为机械能，使小车实现行走及转向功能的装置。

小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动，从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。

具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力，通过线绳带动齿轮轴等传动机构，单轮驱动；通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。

无碳小车结构设计总装图如图所示。

2、设计思路和方案小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、、制造加工调试2.1功能分析对小车功能要求进行分析，寻找功能元解，将小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块。

对每一个模块进行多方案设计，综合对比选择最优的方案组合。

2.2参数分析与个性化设计利用Solidworks软件进行小车的实体建模、部分运动仿真。

对方案建立数学模型进行理论分析，使用MATLAB软件分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析，得出小车的具体参数和运动规律。

2.3 机械总功能分解及功能元解表1.势能转向小车形态学矩阵2.4 机构选型基本原则①满足工艺动作和运动要求。

②结构最简单,传动链最短。

③原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。

④机构有尽可能好的动力性能。

⑤机器操纵方便、调整容易、安全耐用。

⑥加工制造方便，经济成本低。

⑦具有较高的生产效率与机械效率。

2.5转向机构分析目前，能够实现无碳小车车轮转向控制的机构主要有曲柄摇杆机构、正弦机构（曲柄移动导杆机构）、RSSR空间四杆机构凸轮推杆机构和圆轮导杆机构。

这5 种机构在结构和功能上有各自的特点。

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。

无碳小车设计方案
（机械工程学院工业工程10-1 王康王恒斌胡中王）
1、总体方案设计
方案一
1)构架部分
小车采用三轮结构采用（一个转向，两个驱动）；
重物落差0.5米物重1kg；
图1
2)转向部分
转向机构与驱动轴相连；
通过凸轮作用前轮转向；
计算传动机构使小车每行驶2000mm转向轮摆动一个周期；
通过计算凸轮的形状，尽量减小转向轮的摆动角度，到达小车绕过更多障碍的目的；
图2
3）驱动
采用卷簧储能，绳子的拉力带动绳轮转动，将能量储存在卷簧上；
重物在下落的过程当中小车不行走，待重物落在小车上后，小车在卷簧的作用下行走，保证小车行走平稳；
采用齿轮传动，并设计单向离合结构，保证在卷簧能量释放完后小车能凭借惯性继续前行，又能避免卷簧反向储能；
方案二
1)构架部分
小车采用三轮结构采用（一个转向，两个驱动）；
重物落差0.5米物重1kg；
2）转向部分
小车采用偏心轮（偏心轮由驱动轴通过带传动驱动）带动前轮转向杆实现转向，偏心轮与前轮转向杆采用柔性绳连接。

3）驱动
采用绳轮驱动驱动轴，绳子一端绕在绳轮上，另外一端连在重物上，重物下落通过绳子带动绳轮转动，实现驱动。

图3
3、结构设计见图纸
方案一装配图、零件图
方案二装配图、零件图。

无碳小车型设计方案无碳小车型设计方案随着环保意识的不断增强，低碳环保已成为现代社会的一个重要趋势。

汽车作为人们日常生活中不可或缺的交通工具，其碳排放一直是环保问题的热点之一。

因此，设计一种无碳小车型，成为当代社会亟待解决的问题。

1.设计方案本设计方案的无碳小车型，主要特点是使用太阳能充电，具有零排放、低噪音、节能环保等特点。

其主要结构由车身、底盘、动力系统和控制系统四部分组合构成。

1.1 车身设计无碳小车采用轻量化车身结构，采用纤维复合材料制作，同时采用非常规的车身设计，使车辆在运动中可以最大限度地降低气动阻力，并且在车辆停车时可以更好地利用太阳能电池板进行充电。

1.2 底盘设计车辆底盘采用铝合金结构，以减轻车辆整体重量。

同时，车辆底盘也要具备良好的稳定性和强度，以保障整车的运行安全。

在设计中还要充分考虑悬挂系统和制动系统的设计，保证车辆在高速行驶、行驶过程中的平稳性和安全性。

1.3 动力系统设计车辆使用太阳能电池板为主要动力源。

使用最新的环保电池，进行技术创新和优化升级，做到电池匹配合理，能够最大限度延长车辆的使用寿命和续航里程。

1.4 控制系统设计车辆采用先进的控制系统，实现动力系统的电力调度，同时实现对车辆动力的精确调整和管理，通过车载气压传感器、温度传感器等进行实时监控，保证车辆在各种工作状态下高效、稳定、安全地运行。

同时在车载系统中配备智能导航系统、语音控制系统等，方便驾驶者使用。

2.实施方案建立一个以太阳能充电为主要能源的无碳小车型生产工厂，采用纳米技术、智能化技术、智能制造技术以及信息技术等现代先进技术手段，同时采用ISO9000质量管理体系和ISO14000环境管理体系，制定严格的标准和流程控制，以保证车辆质量和安全性。

其中，生产工厂将建立一个以能源开发、生产、运输、存储、销售及售后服务为一体的动力系统实验室，以保障太阳能动力系统的稳定性和可靠性，为市场提供优质的产品和服务。

另外，在无碳小车型的使用过程中，需要建立完善的充电站网络，通过互联网与车辆控制系统进行连接，实现自动化充电，方便车主使用。