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无碳小车走“8”字形越障的设计.

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南湖学院 课程设计报告书 题 目： 无碳小车走“8”字形越障的设计 系 部： 机电系 专 业： 机械设计制造及自动化 班 级： 姓 名: 学 号:

2012年01月4日 第 1 页 共 20 页

目 录 一 绪论 ....................................................... 1

1.1课程设计任务书主题 ...................................... 1 1.2小车功能设计要求 ........................................ 1 1.3小车整体设计要求 ........................................ 1 1.4小车的设计方法 .......................................... 2 二 方案设计 .................................................. 2

2.1车架 .................................................... 4 2.2原动机构 ................................................ 5 2.3传动机构 ................................................ 5 2.4转向机构 ................................................ 5 2.5行走机构 ................................................ 6 2.6微调机构 ................................................ 7 三 技术设计 ................................................. 8

3.1建立数学模型及参数确定 .................................. 8 3.1.1能耗规律模型 ....................................... 8 3.1.2运动学分析模型 .................................... 10 3.1.3动力学分析模型 .................................... 13 3.1.4灵敏度分析模型 .................................... 15 3.1.5参数确定 .......................................... 16 3.2零部件设计 ............................................. 16 3.3整体设计 ............................................... 18 3.3.1整体装配图 ........................................ 18 3.3.2小车运动仿真分析 .................................. 19 四 小车制作调试及改进 ...................................... 19

4.1小车制作流程 ........................................... 19 4.2小车调试方法 ........................................... 19 4.3小车改进方法 ........................................... 19 五 评价分析 ................................................. 19

5.1小车优缺点 ............................................. 19 5.2自动行走比赛时的前行距离估计 ........................... 20 5.3改进方向 ............................................... 20 第 2 页 共 20 页

一 绪论 1.1课程设计任务书主题 课程设计任务主题为“无碳小车走‘8’字形”。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。 1.2小车功能设计要求以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。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。小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距500mm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。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距500mm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综合评定成绩。见图。 图：竞赛项目所用乒乓球台及障碍设置图 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。

课程设计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

1.3小车整体设计要求 1、1个转向轮和2个驱动轮的设计 2、转向轮控制机构的设计计算； 3、轴的设计； 4、轴承的选择； 第 3 页 共 20 页

5、装配图、零件图的绘制； 6、设计计算说明书的编写

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发明理论方法。采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。

二 方案设计

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。

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。

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。如下图一 第 4 页 共 20 页

2. 如上图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

图一

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8字无碳小车制作方案

8字无碳小车制作方案

8字无碳小车制作方案制作人: 卢小岗赵政吴忠达指导老师: 史诺机电工程分院一体化14013班时间: 2016年9月11日目录绪论一、目的工程训练综合能力竞赛的目的在于培养大学生的创新能力、综合设计能力和协作精神，加强学生动手能力的培养和工程实践的训练。

二、主题与内容本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。

参赛队伍最终制作完成一辆由重力驱动的机械式小车，按照规则完成比赛。

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。

2.竞赛命题：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。

3、要求:A.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。

B.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。

C.小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由参赛学生自主完成4、竞赛项目：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。

携带制作完成的作品，在集中比赛现场，加载由竞赛组委会统一提供的势能重块（￠50×65 mm普通碳钢，质量为1Kg），在指定的赛道上进行比赛，赛道宽度为2米，赛道边界线是40mm。

出发端线距第一个障碍及障碍与障碍之间的间距均为1米。

小车出发时不准超过出发端线和赛道边界线，小车位置及角度自定，每队有2次机会，计算时取2次成绩中的最好成绩。

无碳小车设计说明书

无碳小车设计说明书

无碳小车设计说明书小组成员：指导教师:学校：一. 设计思路：1.根据设计要求，为达到无碳小车走8字形轨迹重叠的目的，无碳小车应具备重力势能的转换和周期性的转向的功能，即小车分为传动机构和导向机构两部分。

其中传动机构要求能量损耗少、传动比精确，故优先选用齿轮和皮带轮传动。

导向机构要求方向控制度高、摩擦损失小，选用凸轮直线滑块机构。

2.为减轻车身质量同时保证小车刚度要求，小车采用尼龙作为底板材料，上面安装轴承座以支撑输入轴、驱动轴、吊挂重物的立杆等，小车导向机构中的滑块也需固定在底板上。

4.通过计算并确定两齿轮的传动比i，并实现小车驱动轮每行走i个周长长度，转向机构运动实现一个周期，小车也行走一个完整的8字路线。

为了使小车适应不同间距桩，我们采用凸轮机构，控制小车走重叠的8字，使得小车的工作效率更高。

二. 工作原理：当重物下落时，细绳绕过立杆定滑轮带动驱动后轮上面的绕线轮，驱动中间齿轮转动驱动后轮前进，同时通过齿轮啮合传动带动凸轮旋转，带动转向前轮周期性左右转向，从而实现小车在前进过程中自动转向。

这样小车便能在重力势能驱动下沿着“8”形路线前进，并能自动绕过障碍物。

三、设计说明我们可以将小车行走路线简化为余弦曲线和两段圆弧来处理，通过小车的传动比以及驱动轮的大小我们可以计算出该余弦曲线的幅值，可计算出小车的出发点，我们将小车出发位置定在向左转弯的圆弧中点。

我们以绕8字的两个桩位置方向为X轴，在水平面内垂直于X轴为Y 轴方向，通过计算桩间距，障碍物距离，传动比，驱动轮周长可以得出确定曲线方程，通过数学知识我们可以得出小车在出发点的前轮偏向角度（即凸轮角度），偏向角度可以适当调节。

由此我们便可以得出小车出发时垂直摆桩方向的距离以及此时小车前轮的偏向角度，从而确定小车的理论出发位置。

四、设计总结对于大赛给定的命题，重力势能转换为机械能的能量转换原理是设计的重点之一，小车动力传动结构和摩擦传动装置的设计是最重要的部分。

“8”型路线无碳小车的设计

“8”型路线无碳小车的设计

煤炭是大自然给予人类的一笔宝贵财富，可是由于人们对煤炭的巨大需求，煤炭资源日趋减少近于枯竭。

随着人们节能环保意识的提升，无碳理念也越来越被人们提上研究的课题。

更洁净，更环保，更节能，更高效的理念也深入人心。

本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬，小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。

“无碳小车”系第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题，目前实验阶段已经完成。

小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。

方案设计阶段根据小车功能要求根据机器的构成（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。

技术设计阶段采用了PROE等软件进行辅助设计。

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。

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。

关键词：无碳小车；方案设计；模块化设计；8型路线Coal is a valuable wealth of human nature, but because of the huge demand for coal and meager coal resources dwindling. As enhance awareness of energy saving and environmental protection, zero-carbon concept is increasingly being put on the research project. Cleaner, more environmentally friendly, more energy, more efficient idea is taking hold.Issue, later expanded and further developed. "Zero-carbon cars" of the second national students ' comprehensive ability of engineering training race in thesis theme, the current experimental phase has been completed.Car design is divided into three phases: design, technical design, making debugging. Programme design stage based on the car features under the machine's composition (original mechanism, actuator, actuator, control section, Assistant section) original car into the frame, body, transmission, steering agencies, travel agencies, fine-tune the bodies of six modules, modular design. Technical design stage using PROE software for aided design. Car most parts are standard parts, you can purchase, while some require high processing precision parts require special processing, most are available through the manual process. Debugging changes by way of fine tuning parameters of the car testing, experimental validation on the basis of the car in motion at the same time determine the optimal parameters for car.Key words:Carbon-free cares; design; modular design;8-courses目录摘要............................................................................................................ 错误！未定义书签。

1八字形无碳小车设计

1八字形无碳小车设计

1八字形无碳小车设计第二届黑龙江省大学生工程训练综合能力竞赛命题及规则[修正]1.本届竞赛主题：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项报告。

2.竞赛命题：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来的。

给定重力势能为4焦耳（取g=10m/2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50某65mm，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。

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参赛学生自主完成。

3.竞赛项目I：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。

3.1本校制作参赛学生以小组为单位，按照竞赛命题的要求，在各自所在的学校内，自主设计，独立制作出参赛小车。

3.2集中参赛参赛队携带在本校制作完成并调试好的小车作品和关于作品的结构设计方案、工程管理方案、加工工艺方案及成本分析方案等4份报告（纸质版+电子版）参加竞赛。

报告按竞赛秘书处发布的统一格式编写。

3.3报告的评分（1）结构设计报告评分（7.5分）完整性要求：小车装配图1幅（A4纸1页），设计说明书1-2页（A4）；正确性要求：传动原理与机构设计正确，选材和工艺合理；创新性要求：有独立见解及创新设计思想；规范性要求：图纸表达完整，标注正确；文字描述准确、清晰。