S形轨迹无碳小车的结构设计(1)讲课稿

无碳小车S型设计方案引言在当前环保意识不断增强的背景下，人们对于零排放交通工具的需求不断增长。

无碳小车是一种以太阳能或其他可再生能源作为动力源，无需燃料燃烧而产生废气的交通工具。

本文将介绍一种基于创新设计的无碳小车S型设计方案。

设计目标1.高效能源利用：通过充分利用太阳能等可再生能源，实现能源的高效利用，最大程度减少能源浪费。

2.减少碳排放：无碳小车的设计要符合零排放标准，通过采用无污染能源为动力源，减少对大气环境的负荷。

3.安全可靠：设计并选用高质量的材料和部件，确保车辆的安全性和可靠性。

4.舒适性和便利性：设计人性化的外观和操控方式，提供舒适和便利的使用体验。

电力系统设计无碳小车的电力系统是实现无排放运行的核心部分。

本文设计的S型无碳小车采用太阳能电池板作为主要能源收集装置。

电池板通过转换太阳能为电能，并将电能存储于锂离子电池组中。

锂离子电池组作为小车的供电源，在需要时供应能量给电动汽车的电动机，从而驱动小车运动。

结构设计S型无碳小车采用前后对称的设计结构，以确保小车的稳定性和平衡性。

小车的车身主要由轻质材料制成，如碳纤维复合材料，以提高整车的强度和耐久性。

小车的车身采用流线型设计，减少空气阻力，提高行驶速度。

此外，小车配备了可调节的悬挂系统和电子稳定控制系统，以提供良好的操控性和行驶平稳性。

主要部件设计电动机S型无碳小车的电动机采用无刷直流电机技术，具有高效能、高输出功率和低噪音的特点。

电动机通过变速器将电能转化为机械能，并驱动车轮进行前进或倒退。

电动机的控制系统采用先进的电子控制单元，可以实现精准控制和节能运行。

制动系统S型无碳小车的制动系统采用回收能量的设计。

当驾驶员踩下制动踏板时，制动系统会将部分动能转化为电能，并储存于锂离子电池组中，以供给小车的其他电子设备使用。

操控系统S型无碳小车配备了先进的电子操控系统，提供精确的转向和控制。

驾驶员可以通过方向盘和踏板控制小车的前进、后退和转向。

“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。

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。

s 型无碳小车的设计说明1.小车行走轨迹的规划和计算小车的行走轨迹为正弦型曲线，最小振幅为200mm ，周期为2000mm 。

其运动轨迹为 ：后轮的参数设计：设计目标：小车行走水平距离S′=60m ，理论行走时间t 总=10min小车行走路线为正弦曲线，曲线振幅为200mm ，一个周期的水平距离为2000mm ，所以可得出曲线函数式：x y πcos 2.0= 计算曲线路程m x s 4.2)sin 2.0(11221=-+⨯=⎰ππ周期数n=2s '=30 所以总路程m s n s 72='= 周期T=t n =60030=20s 车身速度1 2.4/0.12/20s v m s m s t === 重物下降速度00.41//6001500h v m s m s t === 设绕绳轮半径为0r ，则02r n h π=所以00010.314/15000.0021231v w rad s r ===⨯ 又10v v = 10w w =设偏心轮偏心距为e ，半径为1r 前轮半径为2r ，后轮半径为r 5， 大带轮半径为r 3，小带轮半径为r 4 带轮传动比为i=3 则03w w = 01w w =4350.942/w iw w rad s ===05553550v v w r iw r i r v r ==== 所以050127.386r vr mmiv ==则后轮的直径为127.4mm,前轮直径60mm ，车底板总长180mm ，宽170mm带轮的参数设计已知功率W mgv P 15010== 转速min /926041r w n ==π1、确定计算功率ca P查得工作情况系数0.1=A K 故W P K P A ca 150115011*=⨯== 2、 选择带型选用Y 型带 3、 确定带轮的基准直径，并验算带速v 1）初选小带轮的基准直径。

由表查得取小带轮的基准直径mm d d 251= 2）验算带速s m n d v d /011775.010006092514.310006011=⨯⨯⨯=⨯=π3）计算大带轮的基准直径mm id d d d 7525312=⨯== 根据表查得，圆整为mm d d 712=4、 确定带的中心距a 和基准长度Ld1）根据式（8-20） )(2)(7.021021d d d d d d a d d +≤≤+ 1922.670≤≤a 2）初定中心距 mm a 1300=3）由式（8-22）计算带所需的基准长度mmmm a d d d d a L d d d d d 4151304)2571()2571(213024)()(22202122100≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯-+++⨯=-+++≈ππ 由表8-2选带的基准长度mm L d 450=4）按式（8-23）计算实际中心距amm L L a a d d5.14720=-+= 5、 验算小带轮上的包角oo o ood d oa d d 907.1591303.57)2571(1803.57)(180121≥=--=--=α6、 计算带上的有效拉力Fe由1000*v Fe P =得N N vPFe 5662.0011775.0101501100010003=⨯⨯==- 阶梯轴的参数设计设重物在刚开始下降的瞬间加速下降的距离为0h设绕线一圈，则r h '=π20（r '为加速绕线处主动轴半径）...................(1) 又在这一过程中022ah v =...........................................(2) 0F mg ma -=........................................(3) Me r F ='0...........................................(4) 其中23310123.2105.35531.0--⨯=⨯⨯=⨯=r Fe Me 由以上四式可解出mmr mmh 124.233872.130='=转向机构和可调节机构的选取转向机构：本机构设计采用偏心轮+连杆+摇杆，其单位面积所受压力比较小而且接触面便于润滑，摩擦小制造方便能获得较高的精度。

“S环形”无碳小车的结构设计研究作者：佘亮项健殷建来源：《工业设计》2019年第09期关键词：S环形;无碳小车;结构设计无碳小车是一种具有方向控制功能的自行小车，其行走过程中完成的所有动作所需的能量均由给定重力势能转换而得，给定重力势能由质量为1KG的砝码来获得。

无碳小车具有转向控制机构，以适应无碳小车不同的运行轨迹。

通过给定任务分析可知，无碳小车要完成重力势能转换、驱动车身行走、自动避开障碍物。

这里按照要实现功能将无碳小车分为五个模块进行设计：车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构。

车架不用承受很大载荷，精度要求不高，主要从重量、加工角度考虑，本文选择铝合金板制作。

下面从无碳小车的原动机构、传动机构、转向机构、行走及微调机构几方面重点进行设计。

1“S环形’无碳小车的原动机构设计“s环形”无碳小车在结构设计上，重点考虑原动机构的转换效率，无碳小车的轮子可用不同的形状和材料，无碳小车的原动结构可以选择绳轮式、弹簧储能式以及链轮式等，可供发挥的空间很大，通过分析其摩擦力、重量、能量转化形式和力矩等参数对无碳小车整体的影响，设计出既能走得远又能走得准的绳轮式原动结构，可以使输出力矩更适中、无碳小车运行更平稳，可以让无碳小车尽可能地多绕桩行走。

1.1原动轴的选定摩擦力矩与正压力的关系如式（1）假使无碳小车的半径不够大，使得机械能传动效率过低，只有在轮子的半径足够合适的情况下才能使轮子的摩擦力减小，进而使得有效功率变大，使能量损失降到最低。

但由于加工精度以及难度、选材、后期装配问题等等，具体尺寸需要综合考虑。

1.2确定主动轮无碳小车主要靠前轮转向和后轮差速转向完成转弯，并沿着曲线前进，实现两轮差速的方法有：1.2.1双轮同步驱动双轮同步驱动主要靠的是两轮线速度不同去完成预定的轨迹，但是由于同步驱动轮子与地面打滑，同时前进过程中约束过多，使得轨迹偏移，完成预定轨迹的可能性不大。

1.2.2雙轮差速驱动一边轮子过盈配合，一边轮子安装一个轴承的方法去实现差速驱动，差速驱动可使无碳小车转弯的轨迹误差更小，但由于差速器结构较为复杂，在无碳小车上使用需要缩小其尺寸，加工复杂，所以暂不考虑差速器这种结构。

基于 S 型避障无碳小车车身结构设计的创新和优化摘要：无碳小车是一种依靠重力势能驱动的自动避障的机构驱动转向机械小车。

S型无碳小车对与机构的传动精度要求高。

在设计过程中预留了微调机构，在装配后设置参数后微量调整。

那么简化微调机构提高微调效率显得尤为重要。

本文主要就是对转向机构中的微调机构的创新与优化。

关键词：轻便、结构优化、微调机构。

一、设计方案无碳小车大体可以从两个角度车出发，一是无碳，二是前进且自动转向功能。

首先要提出的是无碳，即以重物悬挂高处通过重物下降的势能驱动小车前进，如今都以绳轮机构为主。

本文绳轮机构只就适应车体布置设置了合适参数，通过小车三维建模体现，不做详述。

其次则是运动。

动力机构设计为齿轮机构，将重力势能转化为驱动力，需设置合理传动比与中心距。

三是研究小车的自控功能如何实现，在研究现存机构与其参数的根据下，参阅相关设计资料，结合最基本的空间四杆机构理论，设计构件参数及其运动形式。

即确定运动副的类型与布置位置。

四是设置一个适用此转向机构的微调机构。

五是机构的合理布置。

机构的设计应首先本着精确执行其功能的原则，其次因无碳小车需轻量化，所以尽量减轻各构件重量，精简构件结构形状。

应当强调的是应尽量避免低副摩擦的现象，低副摩擦，尤其是在组成低副的构件受较大垂直摩擦面线性载荷和方向变化的动载荷时，会造成剧大的摩擦热量损失。

通过多次的软件数据分析和建模以及仿真设计出了符合要求的无碳小车。

二、整体设计本次设计采用以转向轮（前轮）、差速轮（后轮1）、驱动轮（后轮2）为三个顶点绘制三角形。

通过MATLAB建立三条轨迹曲线来模仿小车的运行轨迹，通过设置桩距的方法来合理设置车宽幅与车总长确保车子在运行过程中不会触碰定点桩。

在确定了合理的车身长宽之后来设计机构的布置形式与参数大小,通过Solidworks建立三维模型，代入所设计参数研究是否合理。

将不合理的车长车宽在带回轨迹曲线进行完善。

最终达到合理可行的状态。