无碳小车-培训

1、目目 录录1.1 竞赛实施方案竞赛实施方案 2021年年6月月8日周六：日周六：开幕式；第一阶段竞赛场上车赛；开幕式；第一阶段竞赛场上车赛；报告评审报告评审 2021年年6月月9日周日：日周日：第二阶段竞赛加工制作、装调，场上第二阶段竞赛加工制作、装调，场上赛车；闭幕式。赛车；闭幕式。 主场地一：大连理工大学刘长春体育馆中心馆主场地一：大连理工大学刘长春体育馆中心馆 主场地二：大连理工大学工程训练中心主场地二：大连理工大学工程训练中心 主场地一为车赛场地，主场地一为车赛场地，23002300平米，地面为国际室平米，地面为国际室内球类竞赛用标准复合木地板：内球类竞赛用标准复合木地板： 主场地二为

2、加工制作装调竞赛场地，配有普车、主场地二为加工制作装调竞赛场地，配有普车、普铣、数车、数铣和快速成型等比赛用机床，配有钳普铣、数车、数铣和快速成型等比赛用机床，配有钳工工作台和钻床等设施设备。加工竞赛需要的通用工工工作台和钻床等设施设备。加工竞赛需要的通用工卡量具由参赛队自带。卡量具由参赛队自带。 全国竞赛设一、二、三等奖及优秀奖、优秀组织全国竞赛设一、二、三等奖及优秀奖、优秀组织奖、优秀指导教师等奖项。奖、优秀指导教师等奖项。 一、二等奖比例分别为一、二等奖比例分别为2525和和3535，由竞赛组委，由竞赛组委会向获奖的参赛队和参赛选手、指导教师颁发获奖证会向获奖的参赛队和参赛选手、指导教师

3、颁发获奖证书。省级竞赛的奖项设置由省级竞赛组委会参照全国书。省级竞赛的奖项设置由省级竞赛组委会参照全国竞赛奖项设置方式自行决定。竞赛奖项设置方式自行决定。 1.2 竞赛命题及规那么竞赛命题及规那么 另外，要求小车另外，要求小车为三轮结构，小车转为三轮结构，小车转向控制机构具有可调向控制机构具有可调节功能，以适应放有节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞不同间距障碍物的竞赛场地。赛场地。 之所以叫之所以叫“无碳小车，是因为不能依靠任无碳小车，是因为不能依靠任何与碳相关的能源来驱动小车前进，例如电能、何与碳相关的能源来驱动小车前进，例如电能、燃料等。唯一可以利用的就是一个质量为燃料等。唯一可以利用的

4、就是一个质量为1Kg、落差为落差为400mm的普通碳钢重块铅垂落下时所具的普通碳钢重块铅垂落下时所具有的重力势能。根据能量转换原理将它转换为小有的重力势能。根据能量转换原理将它转换为小车前进的动能，让小车动起来。车前进的动能，让小车动起来。竞赛工程竞赛工程I：绕障自行小车：绕障自行小车S 字型字型 竞赛工程竞赛工程：绕障自行小车：绕障自行小车8 字型字型 发二等奖。其余二等奖名额在发二等奖。其余二等奖名额在I-B组中产生，按组中产生，按总成绩总成绩ZIB由多到少排名，相同者并列；按所由多到少排名，相同者并列；按所余二等奖名额，按成绩由高到低颁发二等奖，余二等奖名额，按成绩由高到低颁发二等奖，I

5、-B组剩余队伍视具体情况颁发三等奖、优秀奖组剩余队伍视具体情况颁发三等奖、优秀奖或无奖。或无奖。 2. “竞赛工程竞赛工程奖项分配：奖项分配： 按按“竞赛工程竞赛工程II参赛队数的参赛队数的30%获得一等奖，随获得一等奖，随后的后的50%获得二等奖，其余获得三等奖或优秀奖，中获得二等奖，其余获得三等奖或优秀奖，中途放弃比赛者无奖。途放弃比赛者无奖。 一等奖在一等奖在II-A组中产生，按总成绩组中产生，按总成绩ZIIA由多到少由多到少排名，相同者并列；按所需一等奖名额，按成绩由高排名，相同者并列；按所需一等奖名额，按成绩由高到低颁发一等奖，到低颁发一等奖，II-A组剩余队伍颁发二等奖。其余二组剩

6、余队伍颁发二等奖。其余二等奖名额在等奖名额在II-B组中产生，按总成绩组中产生，按总成绩ZIIB由多到少排由多到少排名，相同者并列；按所余二等奖名额，按成绩由高到名，相同者并列；按所余二等奖名额，按成绩由高到低颁发二等奖，低颁发二等奖，II-B组剩余队伍视具体情况颁发三等奖、组剩余队伍视具体情况颁发三等奖、优秀奖或无奖。优秀奖或无奖。 在机械产品的设计中，我们首先要做的是对在机械产品的设计中，我们首先要做的是对功能需求进行仔细、认真、透彻地分析，并尽可功能需求进行仔细、认真、透彻地分析，并尽可能的将产品的功能模块化，然后对每个模块用相能的将产品的功能模块化，然后对每个模块用相应的机构来实现其功

7、能，最后再通过一些零部件应的机构来实现其功能，最后再通过一些零部件将这些独立的机构连接成一个整体，这样就完成将这些独立的机构连接成一个整体，这样就完成了一个机械产品的设计。了一个机械产品的设计。无碳自行小车无碳自行小车驱动自身行走驱动自身行走自动避障自动避障要设计一个驱动机构将重块的要设计一个驱动机构将重块的重力势能高效率地转换为小车重力势能高效率地转换为小车前行的动能前行的动能自动转向机构要让小车周自动转向机构要让小车周期性地转向，精确地实现期性地转向，精确地实现预定轨迹，以尽可能多的预定轨迹，以尽可能多的避开障碍物避开障碍物重力势能的转换重力势能的转换l通过对小车的功能分析小车需要完成重力

8、势能的转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、自动避开障碍物三个功能。换、驱动自身行走、自动避开障碍物三个功能。l为了方便设计可根据小车所要完成的功能将小车划为了方便设计可根据小车所要完成的功能将小车划分为五个局部进行模块化设计车架分为五个局部进行模块化设计车架 、原动机构、原动机构 、传动机构传动机构 、转向机构、转向机构 、行走机构、行走机构 、微调机构。、微调机构。l为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一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。下面为我们个模块，寻求多种可行的方案和构思。下面为我们设计图框。设计图框。 “

9、无碳小车通常主要由车体、能量转换、传动和转向等局部组成。其中传动和转向局部主要通过相关机构来实现，其机构的选择设计和相关零部件的设计是整体小车设计性能好坏的关键。注意：因为能量有限，我们应尽可能简化小车的设计，机构设计越复杂、越多，小车的效率就会越低，所以越简单的设计越能将势能高效的利用。一、一、“无碳小车的车体无碳小车的车体 二、二、“无碳小车的能量转换局部无碳小车的能量转换局部四、四、“无碳小车的传动局部无碳小车的传动局部五、五、“无碳小车的转向局部无碳小车的转向局部三、三、“无碳小车的驱动局部无碳小车的驱动局部六、六、“无碳小车的微调局部无碳小车的微调局部 注意： 1. 体积不要过大，重

10、量要轻； 2. 重心要低； 3. 轮距适中，注意保持稳定性； 4. 可不必使用差速器。 “无碳小车车架结构主要有三角底板式和骨架式，其可使用快速成型或焊制，可使用木材、铝板等。车轮可采用木质板、塑料、有机玻璃等制作。影响车体的平衡主要因素：影响车体的平衡主要因素：1底板作为最重要的支承件，是其他支承件连接的底板作为最重要的支承件，是其他支承件连接的根底，由于所承载的负荷比较小，选用厚度较薄、密度根底，由于所承载的负荷比较小，选用厚度较薄、密度较小的板料，为防止薄壁振动，减少能量损耗，薄壁面较小的板料，为防止薄壁振动，减少能量损耗，薄壁面积较小。积较小。2小车的重块在车上重物支撑杆上方开始下落，

11、距小车的重块在车上重物支撑杆上方开始下落，距离车底板上面约离车底板上面约400 mm多。而小车为了节省能量及避多。而小车为了节省能量及避障性好，车底板一般又不能选得面积太大，两后轮距不障性好，车底板一般又不能选得面积太大，两后轮距不能太大，限制底板的宽度不能大。能太大，限制底板的宽度不能大。3整个小车就是一个立式的结构，小车运行起来按整个小车就是一个立式的结构，小车运行起来按避障要求左右转向，牵引绳带动重块在重力的作用下将避障要求左右转向，牵引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动，导致小车倾覆不能行走。因此，要限制重块大幅摆动，导致小车倾覆不能行走。因此，要限制重块在小车运行中的摆动，到达车体运

12、行中良好的平衡。在小车运行中的摆动，到达车体运行中良好的平衡。4可通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车可通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心，到达良好的动态平衡。的重心，到达良好的动态平衡。5整个车包括重块的重心最好应居于小车三个轮构整个车包括重块的重心最好应居于小车三个轮构成的三角形的形心上，保证小车的平稳运行。成的三角形的形心上，保证小车的平稳运行。 如何将重块的势能转换为可以驱动车辆持续行驶的如何将重块的势能转换为可以驱动车辆持续行驶的动能是小车设计中至关重要的一个环节。其转化方法很动能是小车设计中至关重要的一个环节。其转化方法很多如绳轮式、弹簧储能式、链轮式，就效率和简洁

13、性多如绳轮式、弹簧储能式、链轮式，就效率和简洁性来看绳轮最优：来看绳轮最优：直接转化直接转化重力势能重力势能 带动轮轴转动；带动轮轴转动；间接转化间接转化重力势能重力势能 其它能量其它能量 带动轮轴转动带动轮轴转动蓄蓄 能能重力势能重力势能 各种蓄能装置各种蓄能装置 带动轮轴转动带动轮轴转动但是注意：为减少能量损失，转化步骤越少越好但是注意：为减少能量损失，转化步骤越少越好输出驱动力可调的绳轮式机构输出驱动力可调的绳轮式机构 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 驱动轴带轮三角支架定滑轮重物块细绳无碳小车对原动机构的要求：无碳小车对原动机构的要求：1. 驱动力适中，不至于小车拐

14、弯时速度过大倾驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或翻，或 重块晃动厉害影响行走。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，到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，防止防止 对小车过大的冲击。对小车过大的冲击。3.重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，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，能量利用率不较多动能未释放，能量利用率不 高。高。4. 由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样，由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样，在不同的场地小车需要的动力也不一样。在调在不同

15、的场地小车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。因此需试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此需能根据不同的要求调整其驱动力。能根据不同的要求调整其驱动力。5. 机构简单，效率高。机构简单，效率高。 考虑到启动时，需要的力矩大，而在小车行驶的考虑到启动时，需要的力矩大，而在小车行驶的过程中，运动平稳有惯性，需要的力矩小。因此，过程中，运动平稳有惯性，需要的力矩小。因此，设计滚筒结构时要加以考虑。设计滚筒结构时要加以考虑。驱动轮的驱动分为：单轮驱动和双轮驱动。驱动轮的驱动分为：单轮驱动和双轮驱动。在车辆转弯时，内外两侧车轮绕同一中心旋转，故在同一时在车辆转弯时，内外两侧车轮绕同

16、一中心旋转，故在同一时间内，外侧车轮行驶过的曲线距离显然大于内侧车轮，假设两间内，外侧车轮行驶过的曲线距离显然大于内侧车轮，假设两侧车轮固定于同一刚性转轴上，以同一角速度转动，那么外侧侧车轮固定于同一刚性转轴上，以同一角速度转动，那么外侧车轮必然发生边滚动边滑移，而内侧车轮却会边滚动边滑转。车轮必然发生边滚动边滑移，而内侧车轮却会边滚动边滑转。对于三轮结构，单轮转向，对于三轮结构，单轮转向， 双轮驱动的小车在转弯行驶时双轮驱动的小车在转弯行驶时的这种附加在纯滚动上的滑动，必然使小车的轨迹难于预测和的这种附加在纯滚动上的滑动，必然使小车的轨迹难于预测和确定，无法保证运动精度，无法实现命题要求的高

17、可靠、高准确定，无法保证运动精度，无法实现命题要求的高可靠、高准确转向绕桩。确转向绕桩。差速转向原理：车辆在拐弯时差速转向原理：车辆在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果车辆向车轮的轨线是圆弧，如果车辆向左转弯，圆弧的中心点在左侧，左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异，这就是转向来弥补距离的差异，这就是转向中的差速。中的差速。考虑到结构简单，且容易实现，选择单轮驱动较多；考

18、虑到结构简单，且容易实现，选择单轮驱动较多；假设采用双轮驱动，小车在结构上必须能够保证允许各假设采用双轮驱动，小车在结构上必须能够保证允许各个驱动车轮以不同的角速度转动，即，实现双轮转向中的个驱动车轮以不同的角速度转动，即，实现双轮转向中的差速。为保证驱动轮能在不中断动力传递的情况下，允许差速。为保证驱动轮能在不中断动力传递的情况下，允许两车轮以不同的角速度转动，需要将连接两轮的车轴断开两车轮以不同的角速度转动，需要将连接两轮的车轴断开，驱动轴的这种结构被称为半轴结构。，驱动轴的这种结构被称为半轴结构。差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案

19、。和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。由于加工和装配的误差是不可防需要来调整轮子的尺寸。由于加工和装配的误差是不可防止的止的 行走机构即为三个轮子，轮子有厚薄之分，大小行走机构即为三个轮子，轮子有厚薄之分，大小之别，材料之不同，需要综合考虑。之别，材料之不同，需要综合考虑。MRf 滚动摩擦阻力：滚动摩擦阻力： 轮子越大，小车受到的阻力越小，因此能够走的更轮子越大，小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工、材料、安装问题等等，具体尺寸需要远。但由于加工、材料、安装问题等等，具体尺寸需要进一步分

20、析确定。进一步分析确定。 传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和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，传动机构有带传动机构、齿轮传动机构、蜗驱动轮上，传动机构有带传动机构、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、链传动机构等等。轮蜗杆传动机构、链传动机构等等。但是注意：为减少效率损失，传动步骤越少越好但是注意：为减少效率损失，传动步骤越少越好传动链效率问题，即重块下落的重力势能转化为使小车前传动链效率问题，即重块下落的重力势能转化为使小车前进的动能能量损失最少。进的动能能量损失最少。例如：齿轮传动效率可高达例如：齿轮传动效率可高达98，因此可以很好的提高能量，因此可以很好的提高能

21、量利用率。利用率。 选择以齿轮副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动，驱使选择以齿轮副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动，驱使小车行驶，使小车行驶的更远。小车行驶，使小车行驶的更远。内联系传动链容易保证传动链与执行件之间的严格传动比，内联系传动链容易保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短内联系传动链，减少传动件的个数，缩小传动误差，尽量缩短内联系传动链，减少传动件的个数，缩小传动误差，尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。实现小车的周期性转向，小车的内传动链必须准确，否那实现小车的周期性转向，小车的内传动链必须准确，否那么会么会“失之毫厘谬以千

22、里，小车很快脱离预定的轨迹，退失之毫厘谬以千里，小车很快脱离预定的轨迹，退出比赛。必须将滚筒轴的动力输出用严格的定传动比输出到出比赛。必须将滚筒轴的动力输出用严格的定传动比输出到后轮轴及前轮的转向装置上，实现后轮的行程与前轮的转向后轮轴及前轮的转向装置上，实现后轮的行程与前轮的转向相匹配，例如可用齿轮副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动相匹配，例如可用齿轮副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动。齿轮的设计、加工精度要严格保证，各传动轴及轮轴的材齿轮的设计、加工精度要严格保证，各传动轴及轮轴的材料，应有较高的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置料，应有较高的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置上也要考

23、虑轴的两支承跨距尽量要小，轴伸尺寸尽量短，齿上也要考虑轴的两支承跨距尽量要小，轴伸尺寸尽量短，齿轮尽量靠近支承处，来提高内传动链的运动精度。轮尽量靠近支承处，来提高内传动链的运动精度。自动转向机构要实现小车顺利地绕过障碍物。小车有自动转向机构要实现小车顺利地绕过障碍物。小车有三个轮子，后面两个轮子或一个为驱动轮，前面一三个轮子，后面两个轮子或一个为驱动轮，前面一个为转向轮。后轮在重物的驱动下绕水平轴不停地转动个为转向轮。后轮在重物的驱动下绕水平轴不停地转动可以保证小车向前行驶，前轮必须要在绕水平轴转动可以保证小车向前行驶，前轮必须要在绕水平轴转动即实现向前运动的同时周期性地摆动即竖直轴左右即实

24、现向前运动的同时周期性地摆动即竖直轴左右转动，以实现转向的目的，才能使小车走出预定轨迹转动，以实现转向的目的，才能使小车走出预定轨迹、绕过障碍物。、绕过障碍物。一个机械产品一般只有一个动力源，所以，转向轮摆一个机械产品一般只有一个动力源，所以，转向轮摆动的能量只能来源于后轮转动的动能。动的能量只能来源于后轮转动的动能。转向要求具体分析转向要求具体分析按照命题要求小车必须具有方向自控功能，绕过直按照命题要求小车必须具有方向自控功能，绕过直线布置的每隔线布置的每隔1米米1个障碍物的要求。小车必须左转、个障碍物的要求。小车必须左转、右转再左转地周期性转向，在速度一定的前提下，必右转再左转地周期性转向

25、，在速度一定的前提下，必须要保证小车的运动轨迹曲率是连续变化的，小车才须要保证小车的运动轨迹曲率是连续变化的，小车才能平稳行驶，否那么，曲率突然改变，小车容易晃动能平稳行驶，否那么，曲率突然改变，小车容易晃动甚至倾覆。甚至倾覆。要实现滚筒轴连接的回转运动转化为前轮转向轴的要实现滚筒轴连接的回转运动转化为前轮转向轴的水平运动，前轮左右摆幅相同，实现小车前轮的转向水平运动，前轮左右摆幅相同，实现小车前轮的转向问题，要保证传动的准确。问题，要保证传动的准确。从滚筒轴的回转运动到控制前轮转向的水平摆动，从滚筒轴的回转运动到控制前轮转向的水平摆动，首先要实现把竖直平面的运动转化为水平面运动，可首先要实现

26、把竖直平面的运动转化为水平面运动，可以采用锥齿轮传动、凸轮机构、摩擦轮传动、皮带传以采用锥齿轮传动、凸轮机构、摩擦轮传动、皮带传动等传动机构，在考虑到安装精度、传动效率、结构动等传动机构，在考虑到安装精度、传动效率、结构复杂程度以及本钱上下后，选择相应的机构。复杂程度以及本钱上下后，选择相应的机构。将连续转动变为周期性摆动，可选择机构很多，从将连续转动变为周期性摆动，可选择机构很多，从机械设计的高效率和结构简单原那么，一般选连杆机机械设计的高效率和结构简单原那么，一般选连杆机构和凸轮机构。构和凸轮机构。能实现该转向功能的机构有：能实现该转向功能的机构有：凸轮机构凸轮机构+ +摇杆摇杆曲柄摇杆曲

27、柄摇杆差速转弯差速转弯凸轮机构：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，凸轮机构：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。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；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。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、尺寸不能够可在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够

28、可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低，能量损失大逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低，能量损失大滑动摩擦滑动摩擦 凸轮机构凸轮机构+摇杆摇杆曲柄摇杆曲柄摇杆优点优点(1) 磨损小，制造方便，易获得较高精度；磨损小，制造方便，易获得较高精度； (2) 两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它 不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。缺点缺点(1)一般情况只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹；一般情况只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹； (2)当给定的运动要求较多或较复杂时，需要

29、的构件数和运当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运 动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降 低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制 造、安装误差的敏感性增加；造、安装误差的敏感性增加； (3)机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯 性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故 连杆机构常用于速度较低的场合。连杆机构常用于速度较低的场合。 小车转向频率

30、和传递的力不大，机构可以做的比较轻，可小车转向频率和传递的力不大，机构可以做的比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂，利用以忽略惯性力，机构并不复杂，利用MATLAB或其它软件进或其它软件进行参数化设计并不困难，加上个链接可以利用轴承大大减小摩行参数化设计并不困难，加上个链接可以利用轴承大大减小摩擦损耗提高效率。擦损耗提高效率。 非常多，而且繁杂。如连杆机构、凸轮机构等。非常多，而且繁杂。如连杆机构、凸轮机构等。注意：命题中是单轮导向，不要拘泥于资料文献的各注意：命题中是单轮导向，不要拘泥于资料文献的各种框框，要讲究突破思维定势、小巧灵活。能够完成种框框，要讲究突破思维定势、小巧灵活。能够完成单

31、轴摆动或整转即可。单轴摆动或整转即可。可在前轮轴上增加可在前轮轴上增加1盘轴承，适当保持两盘轴承的盘轴承，适当保持两盘轴承的距离，显著增强了前轮轴的支承刚度，大大提高了距离，显著增强了前轮轴的支承刚度，大大提高了前轮轴的运动精度，使前轮转向更准确。前轮轴的运动精度，使前轮转向更准确。小车结构简单、容易加工、能量利用率高，且便小车结构简单、容易加工、能量利用率高，且便于前轮摆动角度的调节。于前轮摆动角度的调节。例如，曲柄匀速转动，摇杆左右匀速摆动的曲柄例如，曲柄匀速转动，摇杆左右匀速摆动的曲柄摇杆机构应该是可行的转向机构，小车运行轨迹接摇杆机构应该是可行的转向机构，小车运行轨迹接近正弦曲线，曲率

32、变化连续。近正弦曲线，曲率变化连续。微调可采用螺母式、滑块式等，如图微调可采用螺母式、滑块式等，如图无碳小车计算分析无碳小车计算分析尺寸要小尺寸要小零件要少零件要少运行要稳运行要稳适合调试适合调试 在设计方法在设计方法上可以借鉴参数上可以借鉴参数化设计化设计 、优化设、优化设计计 、系统设计等、系统设计等现代设计方法。现代设计方法。采用采用MATLAB、PROE等软件进等软件进行辅助设计。可行辅助设计。可按如下流程设计按如下流程设计小车：小车：运动学模型建立运动学模型建立 准确恰当的数学模型是实现小车运动研究的关键，准确恰当的数学模型是实现小车运动研究的关键，是进行系统仿真分析设计的根底。建立

33、无碳小车的运是进行系统仿真分析设计的根底。建立无碳小车的运动学模型用来确定无碳小车整体结构和各零件及机构动学模型用来确定无碳小车整体结构和各零件及机构之间的运动学关系。之间的运动学关系。 无碳小车共有三个轮，一个轮转向，两个轮驱动无碳小车共有三个轮，一个轮转向，两个轮驱动(其中一个轮主动，另一个轮从动其中一个轮主动，另一个轮从动);小车动力的传动小车动力的传动结构采用的是大齿轮带动小齿轮的升速驱动，目的是结构采用的是大齿轮带动小齿轮的升速驱动，目的是尽可能提高小车前进的距离。尽可能提高小车前进的距离。整车设计三维设计模型整车设计三维设计模型 1 1采用三维软件零件建模：采用三维软件零件建模：如

34、如SolidWorks SolidWorks 、UGUG、Pro/EPro/E。2 2在三维平台上将建模所获在三维平台上将建模所获得的零件添加约束关系进行装得的零件添加约束关系进行装配获得无碳小车的装配模型。配获得无碳小车的装配模型。3 3在三维平台上将无碳小车在三维平台上将无碳小车的装配模型实施虚拟仿真。的装配模型实施虚拟仿真。转向轮设计转向轮设计 驱动轮设计驱动轮设计 转向轮与驱动轮的链接转向轮与驱动轮的链接 机械产品方案设计是一个感性的过程，而机构和结构机械产品方案设计是一个感性的过程，而机构和结构参数确实定以及加工制造便是一个非常理性的过程，必参数确实定以及加工制造便是一个非常理性的过

35、程，必须通过严格的科学计算保证设计方案的可行性和产品的须通过严格的科学计算保证设计方案的可行性和产品的功能要求。功能要求。驱动轮转过的圈数和转向轮摆动的周期存在密切的关系驱动轮转过的圈数和转向轮摆动的周期存在密切的关系，它决定着小车是否能够走预定轨迹，顺利绕过障碍物。，它决定着小车是否能够走预定轨迹，顺利绕过障碍物。其中还涉及到转向轮摆动的角度，摆动的角度越大，小车其中还涉及到转向轮摆动的角度，摆动的角度越大，小车的行驶轨迹就越弯曲，反之，越平直。的行驶轨迹就越弯曲，反之，越平直。设计方案具体参数确实定及结构优化设计方案具体参数确实定及结构优化由于小车的轨迹很难用已有的函数关系来确定，但是从图

36、由于小车的轨迹很难用已有的函数关系来确定，但是从图中我们可以看出小车的轨迹大概是一个正弦曲线，这样便为中我们可以看出小车的轨迹大概是一个正弦曲线，这样便为我们计算小车走过的实际轨迹长度提供了计算依据。我们计算小车走过的实际轨迹长度提供了计算依据。根据小车行走示意图根据小车行走示意图, 采用正弦函数采用正弦函数: Y0.35sinx, 周期周期T2 m 的曲线拟合小车行驶路径较为合理。求导得到在每个位的曲线拟合小车行驶路径较为合理。求导得到在每个位置的转角的正切大小置的转角的正切大小: Y0.35cosx, 实验模拟实验模拟, 可以得可以得到前轮的最大转角为到前轮的最大转角为36。设计方案具体参

37、数确实定及结构优化设计方案具体参数确实定及结构优化设计方案具体参数确实定及结构优化设计方案具体参数确实定及结构优化此函数的路径总长度不好求此函数的路径总长度不好求, 因此可以将小车的因此可以将小车的1个周期路个周期路径用细绳进行拟合径用细绳进行拟合, 假设得到假设得到1个周期的路径长度个周期的路径长度2400mm, 也也就是滚筒轴回转一周就是滚筒轴回转一周, 摇杆要往复摆动一次摇杆要往复摆动一次, 后轮行驶后轮行驶2400 mm, 即即id2400mm。当然，因为轨迹是近似估计的，肯定会存在误差，但是这当然，因为轨迹是近似估计的，肯定会存在误差，但是这个误差并不大，而且我们会通过在实验中，调整

38、驱动轮的直个误差并不大，而且我们会通过在实验中，调整驱动轮的直径来减小误差。所以，这种方法是可行的。径来减小误差。所以，这种方法是可行的。确定滚筒轴到后轮轴的传动比确定滚筒轴到后轮轴的传动比i 与后轮直径与后轮直径d 的关系如下表的关系如下表所示。所示。采用小模数齿轮采用小模数齿轮, 增加齿数增加齿数, 增大齿轮啮合重合度增大齿轮啮合重合度, 可提高传可提高传动精度动精度, 弥补齿轮制造精度差。因此选择齿轮模数为弥补齿轮制造精度差。因此选择齿轮模数为1, 大齿轮大齿轮Z1100, 小齿轮小齿轮Z220,中心距为中心距为50 mm。设计方案具体参数确实定及结构优化设计方案具体参数确实定及结构优化

39、曲柄摇杆机构参数确实定曲柄摇杆机构参数确实定用曲柄摇杆机构来实现前轮的左右均匀用曲柄摇杆机构来实现前轮的左右均匀摆动摆动,见图。必须满足见图。必须满足12180的条的条件。按最小传动角设计行程速比系数件。按最小传动角设计行程速比系数k1(12 180)的曲柄摇杆机构。的曲柄摇杆机构。 根据的根据的12 、12 及选定的最小传动及选定的最小传动角角min 及及角角, 然后查表及结合以下然后查表及结合以下公式计算各构件相对长度。公式计算各构件相对长度。曲柄摇杆机构参数确实定曲柄摇杆机构参数确实定其中:a-曲柄长度; b-连杆长度; c-摇杆长度; d-机架考虑到可调性, 设置微调结构, 在摇杆处设

40、置调长螺杆, 在连杆处使用了长度调节螺栓, 使得摇杆、连杆长度的调节变得方便、精确, 保证了轨迹的准确。小车的整体高度超过了小车的整体高度超过了400mm，所以应尽可能地降低小车，所以应尽可能地降低小车的车身，从而降低小车的重心，保证小车在行驶过程中的稳定的车身，从而降低小车的重心，保证小车在行驶过程中的稳定性。并且可以在重块下落的部位放上海绵、橡胶等物质，以减性。并且可以在重块下落的部位放上海绵、橡胶等物质，以减小重块下落时的冲击。小重块下落时的冲击。对于所有存在转动的部位，均装上滚动轴承，变滑动为滚动对于所有存在转动的部位，均装上滚动轴承，变滑动为滚动，减小摩擦，提高能量利用率。，减小摩擦，提高能量利用率。在保证小车的强度和稳定的前提下，为减轻小车的总体质量在保证小车的强度和稳定的前提下，为减轻小车的总体质量，考虑对驱动轮、后轮轴等局部采用轮辐或中空设计；对一些，考虑对驱动轮、后轮轴等局部采用轮辐或中空设计；对一些非承重结构采用木质或塑料等材料制作