无碳小车方案书

“无碳小车”设计方案

说明书

方案目录

一：任务和要求 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.1 命题要求部分 „„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.2 自我发挥部分 „„„„„„„„„„„„„„„„„„3 二：方案设计及论证 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.1 转向轮及轨道设计 „„„„„„„„„„„„„„„„4 2.2 动力系统设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.3 小车整体及外观设计 „„„„„„„„„„„„„„„8 2.4 最终方案 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 三： 材料及成本分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.1 小车整体材料种类 „„„„„„„„„„„„„„„„9 3.2 小车各部位材料选择 „„„„„„„„„„„„„„„9 3.3 小车整体成本分析 „„„„„„„„„„„„„„„„9 四：方案总结 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

一 任务和要求

1.1命题要求部分 命题主题：“无碳小车” 竞赛命题要求：

①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750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。

②给定重力势能为5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500±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。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，不可使用任何其他的能量形式。

③障碍物放置要求：每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒。 小车结构示意图：

小车运动轨迹示意图：

第二阶段附加要求：

参赛队，需取下小车原有的转向轮，重新制作小车的转向轮。转向轮的制作采用根据原设计图纸和竞赛组委会的指定要求，经计算机三维造型后，使用快速成型机制作、车床加工及钳工方法完成，最终完成小车转向轮的组装和调试，总加工时间为4小时左右。 成绩评定：

根据综合工程管理方案、设计方案、加工工艺方案、成本

分析方案、小车徽标设计、转向轮加工成本及质量（是否符合 图纸要求）、现场加工质量、小车前行距离及答辩成绩等得分， 经加权公式计算最终得分

1.2自我发挥部分

1）小车的前轮（即转向轮）设计。单向偏转或实现双向偏转及其转向角度的确定。

2

）小车的运行轨道的设计。根据转向方案，设计出小车路程最少

且位移量最大、符合命题要求的预算轨道。并确定小车的初始释放位置。

3）小车的能量转换方式。综合考虑到转换与行驶的相对关系，并尽可能的加大能量的利用率。

4）小车的前后轮设计。前轮尽量简洁，且确保自己能够用三维软件自行作出，后轮设计尽量减少与地面的摩擦。

5）小车的外观设计。在不影响小车的正常运行下，尽量减少小车自身的重量，并且要考虑到小车的整体外观。

6）成本分析。 在实现小车能够实现基本运行的情况下，充分考虑选材成本和装饰材料的取舍。

二 方案设计及论证

小车的整体设计方案如下

2.1车体选择：梯形车身设计 2.2车架材料选择：

我们经过比较认为选择尼龙板。用尼龙板做的车架比铁制车架更轻便，美观。

2.3制作无碳小车总体思路：

根据要求小车采用三轮结构，我们制定了前轮作为转向轮，后两轮作为驱动轮的方案。即前轮通过车轮转向机构（如车轮转向设计图），使其能够

做周期性的来回摆动，后两轮通过杆连接，杆上装有几个可以调节选择的皮带轮，通过皮带轮与动力机构连接从而带动后轮转动（如图1）。

这样，当前轮周期性摆动和后轮向前滚动结合起来就可以实现无碳小车的周期性向前行进，由此可以轻松的实现小车小车避开每隔一米一个的弹性圆棒（如图2）。

在安装时我们保证载荷均匀分布。当小车前进时，后驱动轮与前转向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，前转向轮起支撑作用。

2.4 具体设计：

本作品主要解决的难题有两个：一个是能量的转化；二是每隔一段距离要自动躲避障碍。

1、驱动部分设计

绳子的拉力作为动力。将物体的下落的势能尽可能多的转化为小车的动能，进而克服阻力做功，尽可能使车匀速运动，也尽可能使物体下落和小车的碰撞过程的能量损失最小，重物下落过程中，尽可能的降低下落的速度，在将要下降到小车上，通过改变转速比，使物块减速下落，进一步减少碰撞损耗。

方案：通过一个机构使驱动机构和重物下落机构连接，通过控制转速比来

转化能量，梯形原动轴采用的设计实现小车的启动和物块的从低速到减速下落。减小因碰撞而损失的能量。

梯形原动轴的原理：

1、在起始时原动轴的转动半径较大，产生的转矩大，有利于后轮的启动。 2、启动后，原动轴的半径变小，转速则相应的提高，转矩变小，设计使其刚好能和阻力平衡，小车此阶段匀速运动。

3、当物块距小车的距离很近时，原动轴的半径再次变小，绳子的拉力不能够足够使后轮匀速运转，原动轮的半径变小，总转速比提高，此后小车减速运动，直到停止，物块也减速运动，和小车停止运动同时刚好接触小车。

（1）物体下落过程：传输功率=转矩X角速度，通过一系列的绞绳，带轮，转轴产生转速比，使作用在后轮的转矩和阻尼转矩平衡，物块低速匀速下落。 （2）小车行驶过程：在后轮转轴上安放多个不同半径的带轮，微调转矩，适应不同环境下的阻力系数。使小车匀速行驶。

（3）车身平衡过程：制作多套后轮，微调转矩，改变后轮时，也相应的改变转向轮的大小。使其匹配达到最好，同时也利于保持车身的平衡。

2、转向部分设计

转向机构和驱动轴连接，转向机构运动使小车的转向轮周期性的摆动，计算传

动机构，使小车行驶2米时转向轮摆动一个周期。

确定好连杆在转盘上的位置，尽量减少转向轮的摆动角度，从而使小车先驱的实际距离最大化，确定初始位置与摆轮角度的关系。

这部分需要在制作过程中不断地调试才能得到良好的效果。

3、其他部分设计

其他部分已辅助支撑为主，多采用自制件或外购标准件，不需要的部分镂空，已减少重量。

三 材料及成本分析

3.1小车应用材料种类：

尼龙 钢管 细线 轴承

3.2小车整体材料种类

本次方案中主要材料种类如下： 小车底板及重物支撑架：尼龙为主. 后轮设计：尼龙为主（成品设计）。 前轮（前期）：尼龙。 连杆等：钢。 前后轮中轴：钢。 装饰：塑料为主。

四 方案总结

本次竞赛命题要求中，以给定的能量设计三轮小车带动给定负载进行避物运行。本方案设计中，分为前轮转向，动力设计，成本分析三大部分展开设计。

前轮转向设计过程中，首先考虑到的是单向偏转的实现，但与理论最小运行值有较大差距，故考虑转向运行。其中，平行连杆的设计，从理论上可以实现交替转向。但前轮的支撑力如果较大，可能会导致能量的消耗，这也是实际要考虑到的问题。且对整个平行连杆的制作精度要求比较高。

动力系统的设计中，采用的是能量的二次利用，要求第一次能量的转换率要高，故对机构的要求较高。设计中，需要解决重物下落的摇摆问题，以及重物下落速度问题。

成本分析中，没有考虑制作工具的相关成本，如果可以实现底板的一次成型，将会减少工序，增大精度要求。同时其费用也将加大。综合成本，暂且不能确定。

该方案中，没有就小车的整体外观设计给出具体设计，将在小车轮廓设计完毕后进行整体外观设计。

无碳小车因需自行制作，所以受到加工手段的限制，学校缺乏专用的机械加工设备，齿轮凸轮均无法进行加工，因此设计方面受到了很大的限制，一些设计无法采用，只能采用加工难度较小的方法。

安庆师范学院物理与电气工程学院 大学生工程训练综合能力竞赛制作组

2015年4月5日