无碳小车优秀设计综合说明书.docx

陕西理工大学

无碳小车设计说明书

产品名称：重力驱动式无碳小车（s型）
设计团体：小组组员：机自1505胡勇基、虎豹 能源1501雷钰
指导老师：马聪玲
目录
无碳小车设计说明书 1
摘要 3
（1）本届竞赛主题 5
（2）竞赛命题 5
（3）小车整体设计要求 6
（4）竞赛项目 6
一、方案设计 8
二、小车模块 12
（1）原动机构 12
（3）车身 14
（4）转向机构 15
（5）微调机构 17
（6）行走机构 19
三、评价分析 20
（1）小车优缺点 20
（2）自动行走比赛时的前行距离估计 20
（3）改进方向 20
四、技术设计 21
（1）建立数学模型及参数确定 21
（2）能耗规律模型 21
（3）运动学分析模型 23
（4）动力学分析模型 26
（5）灵敏度分析模型 28
（6）参数确定 29
五、小车制作调试及改进 30
（1）零部件设计 30
(2)小车制作流程 32
(3)小车调试方法 32
(4)小车改进方法 32
六、小车建模图片一览 33
（1）爆炸图 33
（2）小车底板设计图一览 34
（3）底板尺寸寸一览图 35
（4）小车主要零件 36
七、参赛感想 37

摘要
第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题专题为“无碳小车越障竞赛”。在设计小车过程中尤其重视设计方法，努力争取经过对命题分析得到清楚开阔设计思绪；作品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 、制造成本等给方面原因。我们借鉴网上很多资料；采取了SolidWorks、AutoCAD等辅助设计。
我们把小车设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。经过每一阶段深入分析、层层把关，是我们设计尽可能向最优设计靠拢。现在我们正处于第一二阶段过渡期。
我们团体在程老师动员以后，和马聪玲老师指点下，关键对三维软件进行了初步学习。现已经能够完成简单零件设计，工程图绘制，和装配体各个零件间约束，现在已经能够完全将无碳小车以三维建模方法表示出来。
在动员中，白老师和程老师讲了很多案例和方案设计阶段依据小车功效要求。我查阅资料依据机器组成（原动机构、传动机构、实施机构、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，经过综合对比选择出最优方案组合。我们方案为：车架采取三角形加矩形板结合板式、原动机构采取了锥形纺线轮轴、传动机构采取齿轮机构、转向机构采取曲柄连杆、行走机构采取单轮驱动实现差速、微调机构采取微调螺母螺钉。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。
技术设计阶段我们参考了前人部分数据资料，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。进而得出了小车具体参数，和运动规律。应用SolidWorks软件进行了小车实体建模和部分运动仿真。在实体建模基础上对每一个零件进行了具体设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。
小车大多零件是标准件、能够购置，像轴承，螺母，轴承座等学校采取统一购置方法，节省了很多费用。同时除部分要求加工精度高部分需要特殊加工外（比如车轮、小车底板等），大多数全部能够经过手工加工出来。对于塑料(纺线轮)用自制‘电锯’切割。调试过程会经过微调等方法改变小车参数进行试验，在试验基础上验证小车运动规律同时确定小车最优参数。
（1）本届竞赛专题
本届竞赛专题为“无碳小车越障竞赛”。
要求经过一定前期准备后，在比赛现场完成一台符合本命题要求可运行机械装置，并进行现场竞争性运行考评。每个参赛作品需要提交相关设计、工艺及创业企划书3个文件及长度为3分钟相关参赛作品设计及制作过程汇报视频。
（2）竞赛命题
本届竞赛命题为“以重力势能驱动含有方向控制功效自行小车”。
设计一个小车，驱动其行走及转向能量是依据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来取得，要求砝码可下降高度为400±2mm。标准砝码一直由小车承载，不许可从小车上掉落。图1为小车示意图。
图1 无碳小车示意图

要求小车在行走过程中完成全部动作所需能量均由此给定重力势能转换而得，不能够使用任何其它起源能量。
要求小车含有转向控制机构，且此转向控制机构含有可调整功效，以适应放有不一样间距障碍物竞赛场地。
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，许可二行进轮中一个轮为从动轮。具体设计、材料选择及加工制作均由参赛学生自主完成。
（3）小车整体设计要求
小车设计过程中需要完成：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。命题中工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面原因，提出合理工程计划。设计能力项要求对参赛作品设计含有创新性和规范性。命题中制造工艺能力项以要求综合利用加工制造工艺知识能力为主。
（4）竞赛项目
第一轮“S”型赛道避障行驶竞赛
经现场公开抽签，在±200～300mm范围内产生一个“S”型赛道第一轮障碍物间距改变值和改变方向。
竞赛小车在前行时能够自动绕过赛道上设置障碍物，图2。赛道宽度为2米，障碍物为直径20mm、高200mm圆棒，沿赛道中线从距出发线1米处开始按间距1米摆放，摆放完成后，将偶数位置障碍物按抽签得到碍物间距改变值和改变方向进行移动（正值远离，负值移近），形成即为竞赛时赛道。以小车前行距离和成功绕障数量来评定成绩，。
参赛前，各队加载由竞赛组委会统一提供标准砝码，在指定赛道上进行比赛。小车出发位置自定，但不得超出出发端线和赛道边界线。每队小车运行2次，取2次成绩中最好成绩。
图2 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图
小车有效绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体越过赛道中线且障碍物不被撞倒或推出障碍物定位圆；连续运行，直至小车停止。小车有效运行距离为：停止时小车最远端和出发线之间垂直距离。

一、方案设计
（1）主旨
以最简单设计，去实现所需要功效。
（2）说明
经过对小车功效分析小车需要完成重力势能转换、驱动本身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里依据小车所要完成功效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，采取扩展性思维设计每一个模块，寻求多个可行方案和构思。
我把小车设计分为三个阶段：前期方案设计、中期技术设计、后面制作调试。经过每一阶段深入分析、层层把关，使我们设计尽可能向最优设计靠拢。

经过SolidWorks软件进行三维建模，对各个零部件进行了设计和装配。

在选择方案时应综合考虑功效、材料、加工、制造成本等各方面原因，同时尽可能避免直接决议，降低决议时主观原因，使得选择方案能够综合最优。

二、小车模块
（1）原动机构
原动机构作用是将重块重力势能转化为小车驱动力。能实现这一功效方案有多个，就效率和简练性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它具体要求。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.抵达终点前重块竖直方向速度要尽可能小，避免对小车过大冲击。同时使重块动能尽可能转化到驱动小车前进上，假如重块竖直方向速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。3.因为不一样场地对轮子摩擦摩擦可能不一样，在不一样场地小车是需要动力也不一样。在调试时也不知道多大驱动力恰到好处。所以原动机构还需要能依据不一样需要调整其驱动力。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绳轮式原动机构。以下

左图我们能够经过改变绳子绕在绳轮上不一样位置来改变其输出动力。

（2）传动机构
这里我们查阅相关资料想到了三种方法。
传动机构功效是把动力和运动传输到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶更远及按设计轨道正确地行驶，传动机构必需传输效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
1.不用其它额外传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方法效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优方法。
2.带轮含有结构简单、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.齿轮含有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。所以在第一个方法不能够满足要求情况下优先考虑使用齿轮传动。

简单渲染后小车装配体

（3）车身
车身分为车架，底板、车轮、支撑杆等多个部分，
底板：轻，有一定硬度，能够承载整个车身。

车轮自然是直径越大，材料越轻越好，为了平衡起见，设计成直径为150mm,厚度为5mm铝合金轮子。设计中，我临时建立了一下两种类型轮子。

（4）转向机构
前轮：转向机构是本小车设计关键部分，直接决定着小车功效。转向机构也一样需要尽可能降低摩擦耗能，结构简单，零部件已取得等基础条件，同时还需要有特殊运动特征。能够将旋转运动转化为满足要求往返摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障功效。能实现该功效机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。
凸轮：凸轮是含有一定曲线轮廓或凹槽构件，它运动时，经过高副接触能够使从动件取得连续或不连续任意预期往复运动。
优点：只需设计合适凸轮轮廓，便可使从动件得到任意预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。
在本小车设计中因为：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆改变、精度也极难确保、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）所以不采取
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，已取得较高精度；两构件之间接触是靠本身几何封闭来维系，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：通常情况下只能近似实现给定运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定运动要求较多或较复杂时，需要构件数和运动副数往往比较多，这么就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运动构件所长生惯性力难以平衡，在高速时将引发较大振动和动载荷，故连杆机构常见于速度较低场所。
在本小车设计中因为小车转向频率和传输力不大故机构能够做比较轻，能够忽略惯性力，机构并不复杂，利用MATLAB进行参数化设计并不困难，加上个链接能够利用轴承大大减小摩擦损耗提升效率。对于安装误差敏感性问题我们能够增加微调机构来处理。

曲柄摇杆
结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动摩擦副，其效率低。其急回特征造成难以设计出很好机构。
差速转弯
差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，因为两轮子角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子速度不一样，产生了差速。小车经过差速实现拐弯避障。
差速转弯，是理论上小车能走最远设计方案。和凸轮一样，对轮子加工精度要求很高，加工出来后也无法依据需要来调整轮子尺寸。（因为加工和装配误差是不可避免）
综合上面分析我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构方案。

万向轮
曲柄盘—转向机构

（5）微调机构

一台完整机器包含：原动机、传动机、实施机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车控制部分。因为前面确定了转向采取曲柄连杆+摇杆方案，因为曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，所以就必需加上微调机构，对误差进行修正。这是采取微调机构原因之一，其二是为了调整小车轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优轨迹。
微调机构能够采取下面两种方法微调螺母式、滑块式图五

（6）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，材料之不一样需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩和正压力关系为

对于相同材料为一定值。
而滚动摩擦阻力，所以轮子越大小车受到阻力越小，所以能够走更远。但因为加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要深入分析确定。
因为小车是沿着曲线前进，后轮肯定会产生差速。对于后轮能够采取双轮同时驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。
双轮同时驱动肯定有轮子会和地面打滑，因为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。
双轮差速驱动能够避免双轮同时驱动出现问题，能够经过差速器或单向轴承来实现差速。差速器包含到最小能耗原理，能很好降低摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢轮子成为主动轮，这么交替变换着。但因为单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差造成运动不正确，但影响有多大会不会影响小车功效还需深入分析。
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。从动轮和驱动轮间差速依靠和地面运动约束确定。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。
总而言之行走机构轮子应有合适尺寸，能够假如有条件能够经过试验来确定实现差速机构方案，假如规则许可能够采取单轮驱动。

三、评价分析
（1）小车优缺点
优点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少，
（2）多处采取微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物，
（3）采取大驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，
（4）采取磁阻尼，小车稳定性提升，不致使车速过快，
缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，和微调各个机构全部很费时，避障稳定行差，时而偏左，时而偏右。
（2）自动行走比赛时前行距离估量
经过理论和实践结合，小车行走距离（包含绕开障碍物）约20--25米。
（3）改善方向
小车最大缺点是精度要求很高，改善小车精度要求，使能调整简单，小车便能达成很好行走效果。

四、技术设计
技术设计阶段目标是完成具体设计确定个零部件尺寸。设计同时综合考虑材料加工成本等各原因。
（1）建立数学模型及参数确定
经过对小车建立数学模型，能够实现小车参数化设计和优化设计，提升设计效率和得到较优设计方案。充足发挥计算机在辅助设计中作用。
（2）能耗规律模型
为了简化分析，先不考虑小车内部能耗机理。设小车内部能耗系数为，即小车能量传输效率为。小车轮和地面摩阻系数为，理想情况下认为重块重力势能全部用在小车克服阻力前进上。则有

为第i个轮子对地面压力。
为第i个轮子半径。
为第i个轮子行走距离
为小车总质量
为了更全方面了解小车各个参数改变对小车前进距离改变下面分别从1.轮子和地面滚动摩阻系数、2.轮子半径、3.小车重量、4.小车能量转换效率。四方面考虑。
经过查阅资料知道通常材料滚动摩阻系数为0.1-0.8间。下图为当车轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.....mm时小车行走距离和小车内部转换效率坐标图（图六）
有上图六可知滚动摩阻系数对小车运动影响很显著，所以在设计小车时也尤其注意考虑轮子材料，轮子刚度尽可能大，和地面摩阻系数尽可能小。
同时可看到小车为轮子提供能量效率提升一倍小车前进距离也提升一倍。所以应尽可能降低小车内部摩擦损耗，简化机构，充足润滑。
图七为当摩阻系数为0.5mm，车轮半径依次增加10mm时小车行走距离和小车内部转换效率坐标图
图六

图七
由图可知当小车半径每增加1cm小车便可多前进1m到2m。所以在设计时应考虑尽可能增大轮子半径。

（3）运动学分析模型
符号说明：
驱动轮半径
齿轮传动比
驱动轮A和转向轮横向偏距
驱动轮B和转向轮横向偏距
驱动轴（轴2）和转向轮中心距离
曲柄轴（轴1）和转向轮中心距离
曲柄旋转半径
摇杆长
连杆长
轴绳轮半径
a、驱动：
当重物下降时，驱动轴（轴2）转过角度为，则有

则曲柄轴（轴1）转过角度

小车移动距离为（以A轮为参考）

b、转向：
当转向杆和驱动轴间夹角为时，曲柄转过角度为
则和满足以下关：

解上述方程可得和函数关系式

c、小车行走轨迹
只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度时，图：
则小车转弯曲率半径为

小车行走过程中，小车整体转过角度

当小车转过角度为时，有

d、小车其它轮轨迹
以轮A为参考，则在小车运动坐标系中，B坐标
C坐标
在地面坐标系中，有

整理上述表示式有：
为求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，经过设定合理参数到了小车运动轨迹如（图六）
图六

（4）动力学分析模型
a、驱动
图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为，有
产生扭矩，（其中是考虑到摩擦产生影响而设置系数。）
驱动轮受到力矩，曲柄轮受到扭矩，为驱动轮A受到压力，为驱动轮A提供动力，有
（其中是考虑到摩擦产生影响而设置系数）

b、转向
假设小车在转向过程中转向轮受到阻力矩恒为，其大小可由赫兹公式求得，

因为b比较小，故

对于连杆拉力，有

c、小车行走受力分析
设小车惯量为，质心在则此时对于旋转中心惯量为
（平行轴定理）

小车加速度为：

整理上述表示式得：

（5）灵敏度分析模型
小车一旦设计出来在不改变其参数条件下小车轨迹就已经确定，但因为加工误差和装配误差存在，装配好小车后可能会出现其轨迹和预先设计轨迹有偏离，需要纠正。其次开始设计轨迹可能并不是最优，需要经过调试试验来确定最优路径，着一样需要改变小车一些参数。为了得到改变不一样参数对小车运行轨迹影响，和指导怎样调试这里对小车各个参数进行灵敏度分析。经过MATLAB编程得到

幅值
周期
方向
i
-0.0117
-0.09158
528.135
b
176.5727
-35.3795
578.82
R
-0.3163
16.39132
528.1437
a1
1.465469
-0.27592
528.5547
曲柄半径r1
23.71445
-18.9437
535.3565
d
0.040819
-117.738
528.1465
转向杆长
-1.63769
3.525236
527.5711
连杆长度
-176.955
-196.268
477.3561
（6）参数确定
单位：m
转向轮和曲柄轴轴心距 b=0.15;
摇杆长c=0.06;
驱动轮直径D=0.355;
驱动轮A和转向轮横向偏距a1=0.08
驱动轮B和转向轮横向偏距a2=0.08;
驱动轴和转向轮距离d=0.18;
曲柄长r1=0.01347;
绳轮半径r2=0.006

五、小车制作调试及改善
（1）零部件设计
需加工零件：
a．驱动轴
6061空心铝合金管。外径6mm 内径3mm
b．车轮
聚甲醛板（POM板材）。厚度：8mm，规格尺寸：600*1200mm

2.2可购置标准件：
a．单向离合器轴承2个
型號
Bearing Number
外型尺寸(mm)
FC系列
d
D
FC-6K(2)
6
10

b．RBL关节轴承1个：SQ 5-RS

c．调心球轴承1个
轴承代号
d
D
B
135
5
19
6

d．深沟球轴承1个
型号
内径(d)
外径(D)
R85zz
5
8

d．圆柱直齿轮1对
小齿轮：模数=1，齿数=15，外径=17mm，内孔=3mm，
厚度：6.5mm
大齿轮：模数=1，齿数=45，外径=47mm，内径=10mm，
厚度=10mm
材质：夹布塑料
(2)小车制作步骤
(3)小车调试方法
小车调试是个很关键过程，有了大量理论依据支撑，还必需用大量实践去验证。小车调试包含到很多内容，如车速快慢，绕过障碍物，小车整体协调性，小车前进距离等。
（1）小车速度调试：经过小车在指定赛道上行走，测量经过指定点时间，得到多组数据，从而得出小车行驶速度，经过试验，发觉小车后半程速度较快，整体协调性能不是太好，于是车小了绕绳驱动轴，减小过大驱动力同时也增大了小车前进距离。
（2）小车避障调试：即使本组小车各个机构相对来说较简单，损耗能量较少，不过避障不是很好，但和此同时，小车因为设计时采取了多组微调机构，经过观察小车在指定赛道上行走时避障特点，微调螺母，慢慢小车避障性能改善，并做好标识。
(4)小车改善方法
因为本组小车采取胶水黏贴各处，即使少了很多加工成本费用，也避免了能量过多损耗，但小车会有时出现脱胶现象，造成无法前进，于是想法改善，使小车能量损失降低，同时故障出现次数降低，稳定性能很好，避障多，前进远。
另外，本组采取微调机构，但经过计算编程发觉要求精度很高，改变0.001mm全部可能使小车偏离原轨道，于是想法改善使小车精度降低，加工成本也减低。

六、小车建模图片一览
（1）爆炸图
（2）小车底板设计图一览

（3）底板尺寸寸一览图
（4）小车关键零件

七、参赛感想
从学院老师六七月份动员至今，时间已经过去了许久了。这段时期，作为团体中负责撰写设计书、幻灯片制作和三维建模、二维尺寸标注我，真学习到了很多。感谢学校提供这么一个平台，为我无淡如水大学生活中增添了很多滋味。
短短多个月里，在机械训练中心马老师指导和教育下，让我真正意识到了大学里知识技能关键性。老师将我引导到三维设计这个领域，我很感激，我很喜爱这个领域，我 甚至常常在心里想过，以后很有可能从事机械设计自动化三维设计、建模这个领域。
说来惭愧，学了一暑假有余，现在却仅停留在用SolidWorks完成通常三维建模，工程图绘制，和装配体。常常认为自己无知，一款超级强大三维建模软件，我常常因为仅仅触碰冰山一角却暗自窃喜，现在想来，学海无涯，自己无知直至。不过我也逐步发觉很真喜爱这项爱好，也已经计划将其学精，这一目标确实立，多亏了学校给了我很多动力，感谢大学，感谢老师。
对于这次无碳小车，我心怀着很多期待。假期里，已经看了很多案例，在微小网，机械帝国网，和学校网上图书馆全部找到过很多资料。现在，倒也已经掌握了部分机械方面知识，加上最近正逢为期一月机械工程训练，对和洗、车、刨、磨、钳、锻、铸、焊和数控、3D打印等新型制造技术也有了部分了解，对未来需要制作无碳重力驱动小车心里也已经大致有了想法和雏形。
不过，现在有一个很严重漏洞忽然出现，过多重视小车模型设计，而对于小车数学建模我仍然停留在很低处，忽略至多。MATLAB这款软件也未曾包含，以至于设计书中这部分尽数参考前人之数据分析，很是惭愧和汗颜，传动比，这重中之重，这部分将会是我接下来突破关键内容。
作为一名大二机械设计专业学生，我还有很长路要走，每次参与比赛全部会激发我很多动力还有潜力，我将不停参与，在学习之余努力推敲三维建模、机械设计方面爱好，向部分高手们学习，并常常和老师交流想法。这次无碳小车是一个机会，我会认真对待，哪怕团体只剩下我一个人，我也要坚持走下去，而且没有终点。