大学生工程训练综合能力选拔赛
无碳小车
设计说明书
作者：
指导老师：
二〇一〇年十一月十日
目录
1.摘要;
2.引言
3.目的
4.工作原理和设计理论推导及加工工艺
5.主要创新点
6.参考文献
7.无碳小车徽标
8.项目经费预算
摘要：本作品是依据竞赛命题主题“无碳小车”，提出一种“无碳”方法，带动小车的运行，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计了一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径为20mm，高为200mm的弹性障碍圆棒）。此模型最大的特点是将重力势能转化为齿轮的转动，进而根据大小齿轮的粘合带动驱动轮和转向轮，从而按照规定的路线完成任务。本文将对无碳小车模型的设计过程，结构功能特点等进行详细的介绍，并阐述了本作品的创新点。
关键词：无碳小车 齿轮粘合 驱动轮 转向轮 安全高效 方便灵活 创新理念。
一、 引言： 1.1 “环保在身边之?无碳生活?”一帖在东楚网黄石新闻网发出后，众多网友纷纷跟帖支招，倡导“无碳生活”。多数网友认为，对社会整体而言，完全“无碳”难以做到，但有意识地减少“碳排放”，却是随时随地可做的事，勿因善小而不为……
1.2 随着社会科技的发展，人们的生活水平的提高，无碳对于人们来说，显得越来越重要，建设无碳社会，使得生活更加的环保，没有任何的污染。
1.3无碳小车的设计与发明，是国家和社会对能源问题和环境问题的更加重视。
1.4 “无碳车是比较环保的短途代步工具，节能、经济、方便，环保。因
此，在人均拥有汽车比例很高的欧美发达国家，无一例外选择了提
倡推广低碳车。”许多人认为，确保无碳车道便利通达，既是现实选
择，也是大势所趋。现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领
域，像交通，家庭用具等，这也是我国当今所要求以及努力的方向。
针对目前这一现状，我们设计了无碳小车模型，用重力势能转换为机械能提供了一种全新的思路，以便更好的解决以上问题。
二、 目的：
本作品设计的目的是围绕命题主题“无碳小车”，即不利用有碳能源，根据能量转换原理，利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。这种模型比较的轻巧，结构相对的简单，能够成功的将重力势能转换为小车的动能，从而完成小车前行过程中完成的所有动作。
三、 工作原理和设计理论推导及加工工艺：
（1）总体结构：
无碳小车模型主要由一个转向轮和两个驱动轮以及几个大小齿轮组成，其中小车中的转向轮，驱动轮，齿轮，支撑板，横杆，木板等如下图所示。
图一 无碳小车模型结构示意图
（2）设计理论指导及说明
2.1 无碳小车模型结构介绍：
图二 无碳小车三维设计图
2.2 无碳小车设计的理路指导：
2.2.1 小车的运动原理：
如上图所示，重物的牵引带动A轮的转动，A轮的转动带动B轮，再根据B、D之间的齿轮粘合带动C1，C2和E齿轮的转动，E轮带动F轮的转动，从而使G杆左右运动的同时，前后运动，杆的偏转，使得H轮偏转，根据C1，C2轮和H轮的合运动，小车就可以按照要求一边行走一边转弯。
图三 梯形原动轮
1.在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。
2.起动后，原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。
3.当物块距小车很近时，原动轮的半径再次变小，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。
2.2.2 小车各个尺寸设计的推导：
图四： 无碳小车二维示意图
根据题目中赛道宽度2m，以及每间隔1m，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒，以及赛道的大致行走路线（如图四），我组拟定一些实际尺寸的大小以及推导
图五： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图
考虑到要使小车的运动轨迹尽可能沿直线运动,绕过的障碍物越多,但又得考虑要使小车不碰到障碍物,经过我组在各方面的考虑,小车的宽度定为30cm, 底板M的厚度为5mm，小车的长度200mm，而转向轮的直径为30mm,经网上查得,橡皮轮胎与干地面之间的动摩擦因素为0.71,驱向轮所获得的摩擦阻力大约为1N,假定两驱向轮的直径为120mm,则其转矩M=F*R=60N.m,由于该车子的运动基本上是匀速运动,所以同轴上的转矩相等,所以D齿轮的转矩也为60N.m,设其半径为r ,则B、D边缘所受到的力FD=FB=60/r ,所以D齿轮的转矩为MD=FD*RD=60R/r ,因为小车是匀速行使,所以物体下降也应该是匀速下降,从而A齿轮的转矩:MA=mg*RA=10*10=100N.m,
又根据同一轴上转矩相等,所以B的转矩:MB=MA=100N.m,
又
MB=FB*RB=60/r*10=600/r。
所以有： 100=600/r
解得: r=6 mm .（即D齿轮的半径）
RB=10mm（即B齿轮的半径）
根据运动轨迹路线，它须偏离直线方向35cm以及两圆柱障碍物的实际距离为98cm，我们采用Matlab软件模拟得E齿轮半径为6mm，F齿轮半径为64mm，厚度为6mm，I板的高度为35mm，宽度为5mm，1,2，G杆的直径为3mm，G杆的长度为160mm，G杆与P齿轮的连接点的半径55mm， B、D齿轮的厚度为6mm，零件L中孔的直径大小为5mm，H、C1、C2 轮的宽度为1cm，我组假定物体下降速度为V ,则下降时间t=500/v ,皮带轮A的角速度: WA=V / RA=V / 10 rad/s,
又B与A同轴,所以
WB=WA=V / 10 rad/s ,
从而
VD=VB=WB*RB= V mm/s ,
WC1=WD=VD / r=V / 6 rad/s,
VC1=WC1*R=10V mm/s.
转弯系统：
根据小车的行走路线近似的模拟为正弦曲线，由于实际的尺寸大小可算得振幅为0.35m，波长为2m，所以可以近似的求出轨迹的方程为：
Y=0.35sinπx ；
求导得到在每个位置的转角的正切大小：
Y’=0.35πcosπx ；
我们可以得到前轮的最大转角为36°
如下图六所示
图六 齿轮的转弯系统的原理图
（3）齿轮的的加工工艺：
圆柱齿轮的加工工艺程一般应包括以下内容：齿轮毛坯加工、齿面加工、 热处理工艺及齿面的精加工。在编制工艺过程中，常因齿轮结构、精度等级、 生
产批量和生产环境的不同，而采取各种不同的工艺方案。
如图五为一直齿圆柱齿轮的简图，表六列出了改齿轮机械加工工艺过程，
从中可以看出，编制齿轮加工工艺过程大致可以划分如下几个阶段：
1. 吃轮毛坯的形成：锻件、棒料或铸件；
2. 粗加工：切除较多的余量；
3. 半精加工：车、滚、插齿；
4. 热处理：调制、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等；
5. 精加工：精修基准、精加工齿形。
图六 齿轮简图
表七 齿轮机械加工工艺过程
2.2.4 齿轮加工工艺过程分析
1. 基准的选择
对于齿轮加工基准的选择常因齿轮的结构形状不同而有所差异。带轴齿
轮主要采用顶点孔定位；对于空心轴。则在中心内孔钻出后，用两端孔
口的斜面定位；孔径大时则采用锥堵。顶点定位的精度高，且能作到基
准重合和统一。对带孔齿轮在齿面加工是常采用一下两种定位、夹紧方
式。
1） 以内孔和端面定位，这种定位方式是以工件内孔定位，确定定位位置，
再以端面作为轴向定位基准，并对着端面夹紧。这样可使定为基准、设
计基 准、装配基准和测量基准重合，定位精度高，适合于批量生产、
但对于夹具的制造精度要求较高。
2） 以外圆和端面定位，当工件和加剧心轴的配合间隙较大时，采用千分
表校正外圆已确定中心的位置，并以端面作为轴向定位，从另一端面夹
紧。这种定位方式因每个工件都要校正，故生产率低；同时对齿坯的内、
外圆同轴要求高，而对夹具精度要求不高，故适用于单件、小批生产。
综上所述，为了减少定位误差，提高齿轮加工精度，在加工时应满足
以下要求：
1. 应选择基准重合、统一的定位方式；
2. 内孔定位时，配合间隙应近可能减少；
3. 定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来，以保证垂直
度要求。
2、齿轮毛坯的加工。
齿面加工前的齿轮毛坯加工，在整个齿轮加工过程中占有很重要的地
位。因为齿面加工和检测所用的基准必须在此阶段加工出来，同时齿坯加
工所占工时的比例较大，无论从提高生产率，还是从保证齿轮的加工质量，
都必须重视齿轮的毛坯的加工。
在齿轮图样的技术部要求中，如果规定以分度圆选齿厚的减薄量来测
定齿测间隙时，应注意齿顶圆的精度要求，因为齿厚的检测是以齿顶圆为
测量基准的。齿顶圆精度太低，必然使测量出的齿厚无法正确反映出齿侧
间隙的大小，所以，在这一加工过程中应注意以下三个问题：
图八 齿轮加工方式
1) 当以齿顶圆作为测量基准时，应严格控制齿顶圆的尺寸精度；
2) 保证定位端面和定位孔或外圆间的垂直度；
3) 提高齿轮内孔制造精度，减少与夹具心轴的配合间隙。
3、齿形及齿端加工
齿形加工是齿轮加工的关键，其方案的选择取决于多方面的因素，如设
备条件、齿轮精度等级、表面粗糙度、硬度等。常用的齿形加工方案在上节已有讲解，在此不再叙述。
图九 齿轮倒圆
齿轮的齿羰加工有倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺等方式。如图所示。经倒
圆、倒尖后的齿轮在换档时容易进入啮合状态，减少撞击现象。倒棱可除去齿端尖角和毛刺。图八是用指状铣刀对齿端进行倒圆的加工示意图。倒圆时，铣刀告诉旋转，并沿圆弧作舞动，加工完一个齿后，工作退离铣刀，经分度再快速向铣刀靠近加工下一个齿的齿端。
齿端加工必须在淬火之前进行，通常都在滚（插）齿之后，剃齿之前安
排齿端加工。
4、轮加工过程中的热处理要求
在齿轮加工工艺过程中，热处理工序的位置安排十分重要，它直接影响
齿轮的力学性能及切削加工性。一般在齿轮加工中进行两种热处理工序，即毛坏热处理和齿形处理。
（4）齿轮轴的加工工艺及设备刀具:
1、下料----锯床。
2、粗车----车床。
3、热处理----箱式炉。
4、精车----车床。
5、铣键槽----铣床。
6、滚齿-----滚齿机。
7、齿面淬火---高频淬火机床。
8、磨---外圆磨床。
细长轴的齿轮轴加工工艺（以45号钢为例）：
一、毛坯下料
二、调质处理（提高齿轮轴的韧性和轴的刚度）
三、带跟刀架、用皂化液充分冷却的前提下，粗车齿轮轴
四、去应力退火
五、精车齿坯至尺寸（带跟刀架、用皂化液充分冷却）
六、若轴上有键槽时，可先加工键槽等
七、滚齿
八、齿面高频淬火，淬火硬度HRC48-58（具体硬度值需要依据工况、载荷等因
素而定）
九、磨齿
十、成品的最终检验
注：细长轴类零件的放置一定要垂吊放置（用铁丝系住，悬挂在挂架上），不得
平放！
用于中小型轧钢机传动箱体中的齿轮轴，设计上一般为软齿面，即小齿轮轴硬
度为280～320HB，大齿轮轴硬度为250～290HB，模数mn=8～25，技术要求一般为调质处理。这种零件在无感应加热淬火设备的工厂中加工时，其加工工艺路线为:锻毛坯→粗加工→调质→精加工→制齿→磨轴颈。按这样的工艺流程生产出来的模数mn≤10的齿轮轴，使用情况基本良好，但模数mn≥12时，使用寿命短。突出表现为轮齿不耐磨，使用半年以后，齿面已有明显磨痕，当发生较大冲击时，还会出现断齿现象。针对这种情况，我们对原有工艺进行了分析，找出工艺路线中所存在的缺陷，并提出了新的制作工艺方法。
2.2.4、齿轮传动
用于平等轴间的传动，一般传动比单级可到
8，最大20，两级可到45，最大60，三级可到200，
最大300。传递功率可到10万千瓦,转速可到10万
转/分,圆周速度可到300米/秒。单级效率为
0.96-0.99。直齿轮传动适用于中、低速传动。斜
齿轮传动运转平稳，适用于中、高速传动。人字齿
轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。圆柱齿
轮传动的啮合形式有三种：外啮合齿轮传动，由两
个外齿轮相啮合，两轮的转向相反；内啮合齿轮传
动，由一个内齿轮和一个小的外齿轮相啮合，两轮
的转向相同；齿轮齿条传动，可将齿轮的转动变为
齿条的直线移动，或者相反。
图十
齿轮传动
2.2.5、齿轮参数及制造误差测定
齿轮齿顶圆、齿根圆测量的原理
（1）齿轮齿数为偶数时
当齿轮为偶数时，齿顶圆直径da和齿根圆直径df可用游标卡尺在待测齿轮上直接测定。
（2）齿轮齿数为奇数时
直接测量得不到齿顶圆直径da和齿根圆直径df的真实值，而须用间接的方法。先量出齿轮安装孔直径D，再分别量出孔壁到某一齿顶的距离H1和孔壁到某一齿根的距离H2，如图所示：
图十一 齿顶、齿根圆的测量
则齿顶圆直径da和齿根圆直径df可按下式求出：
da=D+2H1
df=D+2H2
齿轮公法线的测量
图十二 齿轮的公法线
测定公法线长度Wk和Wk+1,是为了求出基圆齿距，从而确定出齿轮的压力角α、模数m和变位系数x。
首先根据被测齿轮的齿数Z，从教材或手册中按标准齿轮查出跨测齿数k，量出跨测个齿时的公法线长度Wk。为减少测量误差，应在齿轮一周的三个均分部分上测量三次，取其平均值。
为求出基圆齿距Pb，还应按同样的方法量出跨测（k+1）各齿的公法线长度Wk+1。为避免公法线长度变动量的影响，测量Wk和Wk+1，应在相同的几个齿轮上进行。
确定基圆齿距、模数和压力角
（1） 基圆齿距
（２）模数
若测出的齿顶圆直径ｄａ和齿根圆直径ｄｆ等于按标准齿轮公式计算出的数值（或与之接近），则被测齿轮为标准齿轮。
da=m(z+2ha*)
df=m(z-2ha*-2C*)
Wk=Wk0,则被测齿轮为标准齿轮。
Wk≠Wk0,则被测齿轮为变位齿轮。 根据公式：
即可求出被测齿轮的变位系数：
若x>0，则被测齿轮为正变位齿轮；若x<0，则被测齿轮为负变位齿轮。
三、创新点
? 无碳小车模型底板设计为六边形，能够更好的减少空气阻力，使小
车行使的更远。
? 原动轮设计为梯形，开始半径较大，是能够让物体作加速运动，物
体作一段匀速运动，物体快要接触底板时，半径变小，使物体作
减速运动，减少物体与底板的碰撞，使重力势能更好的转换为小
车的动能。
? 本作品通过底板上横放的齿轮的转动带动杆的转动，从而使小车能
够灵活的避开障碍物。
? 齿轮的多次粘合能够更好的控制物体与车子的速度，使小车能够
按照规定的路线顺利的完成任务。
参考文献:
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[2] 程靳, 黄毅.理论力学.哈尔滨工业大学理论力学教研室.2009。
[3] 赵近芳,黄克立.大学物理学.北京邮电大学出版社。2008。
[4] 齿轮机构及其设计,主编:邱映辉等,机械设计,清华大学出版社,2004。
[5] 王跃进,机械原理作,北京大学出版社,2009。
[6] 陈铁鸣主编 . 机械设计 . 第四版 . 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006
[7] 王连明宋宝玉等主编 . 机械设计课程设计 . 第二版 . 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005
[8] 北京科技大学，东北大学编. 工程力学. 第4版. 北京：高等教育出版社，2008.
项目经费预算
1. 车底木板价格(5mm厚度 20*30cm) ￥: 50元
2. 小车左右两边2块固定侧板（6mm厚度 高35mm）￥: 25╳2元
3. 小车转向轮（厚度为6mm，直径为30mm） ￥: 30元
4. 小车两侧的驱向轮(厚度为6mm，直径为120mm) ￥: 50╳ 2元
5. 小车原动轮 （半径为10mm） ￥: 20 元
6. 齿轮（两个外径为12mm，内径6mm，齿数21） ￥: 35 元
7. 齿轮轴两根（直径d=3mm长分别为30mm，42mm）￥: 30╳2元
8. 润滑油一瓶 ￥：20元
9．连接杆一根 （直径为3mm） ￥: 25元
10. 棉线一根（长1.5m） ￥：3元
11. 胶水（两瓶） ￥：20╳2元
12. 小螺钉（一包） ￥：10元
13. 其余小零件 ￥：50元
总计 493元