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1、摘要发展低碳经济是应对全球气候变暖，担当世界公民责任的必然之举 ，党的十六大报告提出的重要思想理论，就是要走出一条低消耗、低排放、 高效益、高产出的新型工业化道路，而第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛以“无碳小车”为主题，符合世界的发展需求。本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。在上一届的基础上增加了小车跑“8”字形路线项目。“无碳小车”是根据能量转换原理，将给定的重力势能转换为机械能驱动小车行走并能够在前行时自动避开赛道上设置的障碍物的装置。该小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和微调机构以及车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮周期性转
2、向从而自动避开障碍物。在设计小车的整个过程中我们特别注重设计的思路，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；以创新和灵感为主线，使小车的设计做到规范性和创新性；我们还综合考虑了材料 、加工 、制造成本等几方面因素，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PROE软件辅助设计。小车的设计主要分为三个阶段：方案设计、技术设计和优化设计。方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（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，进行分模块化设计。技术设计在方案设计的基础上对方
3、案进行理论分析，运用数学计算和数学建模，得到了小车运动轨迹与其尺寸的数学关系，然后运用Matlab进行数据分析，进而得出了小车的具体参数和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。最后综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等实现优化设计。目 录第1篇绕“S”型曲线摘要2一 绪论51.1本届竞赛主题51.2 比赛要求51.3 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51.4 竞赛项目I：6二 方案设计72.1小车的设计方法72.2方案说明82.3 方案分析92.4设计思路9三 具体设计步骤103.1耗能分析103.2具体设计方法113.2.1原动机构（驱动装置）
4、113.2.2传动机构（传动装置）123.2.3转向机构133.2.4 细节设计183.2.5 行走机构183.2.6 调节机构193.2.7 绕线轮设计19四 数据分析204.1 运动学分析模型204.2小车运动仿真分析25五 零部件设计255.1参数确定255.2需加工的零件255.3可购买的标准件26六 徽标设计28七 评价分析297.1小车优缺点297.2改进方案29八 设计总结29九 参考文献31第2篇绕“8”字型曲线一 绪论1.1本届竞赛主题本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。1.2 比赛要求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 行装置，并进行现场竞争性运
5、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。1.3 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（5065 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差4002mm，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获得，不可使用任何其他的能量来源。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
6、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。图1： 无碳小车示意图1.4 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。图2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图二 方案设计 2.1小车的设计方法小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析确定基本设计思路，以创新和灵感为主线，设计过程中综合需要综合考虑材料 、加工 、制造成本等几方面因素。根据小车功能设计要求即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
7、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。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。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明理论方法。采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。下面是我们设计小车的流程如图所示： 否 是 明确小车的任务要求确定方案小车功能分析 初步参数确定 可行的方案 参数优化组合几种可行的方案选择材料确定尺寸 评价改进评价 2.2方案说明 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
8、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。下面为我们设计图框 车架 三角底板式 骨架式 原动机构 绳轮式 链轮式 弹簧储能式 传动机构 直齿轮 锥齿轮 带轮转向机构 凸轮加摇杆 曲柄连杆加摇杆 曲柄摇杆 差速转向 行走机构 双轮同步 双轮差速驱动 单轮驱动 微调机构 微调螺母 滑槽 2.3 方案分析 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。小车主要实现两个功能：行走路程远避开障碍多 然而要
9、实现这两个功能，就需要减少内部摩擦损耗、减少地面的摩擦损耗。这样就要保证简化机构、减少高副、减少转轴轴承等直径、充分润滑、保证零件精度、选择适当的材料、减少小车的重量、增大轮子半径以减小摩擦等途径，再则是可根据不同的地面粗糙度调整轮子。最后要达到避开障碍多，就要保证加工装配精度，对小车行走影响较灵敏的零部件尺寸可微调。 小车大多数零件采用标准件、可以直接购买，减少加工误差，另外部分零件可以通过手工加工出来。2.4设计思路1、车体设计 按照大赛规定小车采用三轮结构，梯形车身设计，车架材料经过认真比较认为选用铝板最适宜，用铝板做的车架即比塑料车架更加牢固，又较铁制的美观轻便。2、总体设计思路根据大
10、赛要求小车采用三轮结构，我们把前轮作为转向轮，后两轮作为驱动轮，根据能量转换原理，重物通过轻绳跨过定滑轮连接到驱动轴的T型轴上，将给定的重力势能转换为机械能，并通过小车的传动装置传给后轮驱动小车行走，并使前轮通过转向机构能做周期性的来回摆动，从而使小车在前行时自动避开赛道上设置的障碍物。这样，当前轮周期性的来回摆动和后轮的向前滚动相结合就可以实现无碳小车的周期性向前行进，由此可以实现小车避开每隔一米一个的弹性圆棒。三 具体设计步骤3.1耗能分析 图3-1 图3-2 力分析小车质量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0 小车驱动力矩M=等效力偶F0D/ 2 （小车驱动力）F0=2M/D M由G获取
11、例如：M= G / 2= F0D/ 2（暂不计效率） 此时 F0= G /D 做功分析设：S为小车行走距离，mm，为小车总效率， F0 S =G 500mm 则： S =G 500mm / F0 前面防滑计算得出：F0 Ff = P0 g f 可见：（1）为了增大小车行走距离；（2）为了避免能量损失不打滑；（3）在保证能够驱动小车行走的前提下， F0 越小越好。3.2具体设计方法3.2.1原动机构（驱动装置）如图1，重物的重力作为小车的驱动力，设计中要尽可能多的把重物的势能转化为小车的势能，尽可能的使车匀速运动，也尽可能减少物体下落过程和小车行进过程中的能量损失。方案:1.重物通过轻绳跨过定滑
12、轮连接到驱动轴的T型轴上，启动时要求驱动力比较大，轻绳从原动轴的大端开始（M=FR得F=M/R），有利于启动。2启动后，原动轴的半径变小，转速相应的提高，转矩变小，设计使其刚好能和阻力相平衡，实现小车匀速运动。3.当物块与小车距离相近时，由于要减小小车的速度和重物下降速度，原动轴的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车。4.此结构中还设计有防止砝码在下滑过程中摆动的相应机构，这样就那保证砝码稳速小落，减少能量损失。图13.2.2传动机构（传动装置）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
