无碳小车设计制作报告

组员：张欣     21106071115

      王凯     21106071074

      王建军   21106071072

      尤超     21106071100

所在院系：机电与信息工程学院

目   录

一.设计思想····································· 3

二.工作原理········································· 3

1.驱动机构原理································ 4

2.转向机构原理··································· 5

三.小组分工············································ 6

四.尺寸确定与理论计算························· 7

1.部分主要零件尺寸····························· 7

 2.路径的确定······································ 7

3.前行与周期性转向计算····················· 8

五.设计组图································ 8

     1. UG三维立体组图······························· 9

     2.CAD平面图····························· 10

六．报告总结···································· 11

一.设计思想：

对于这次设计，我们小组经分析讨论后认为：能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心，我们展开了一系列的理论分析与验证，经过反复比较，最终确定了我们的设计思路：后置齿轮驱动与仿自行车式转向设计思路。

驱动方面，最开始，我们想到了发条，认为将重物下落的重力势能储存在发条中，在逐渐释放，能够很好地利用能量。与此同时，经过研究玩具小车的驱动机构，我们认为，可以想办法将发条与弹簧结合起来使用，通过二者驱动的时间差来达到将重物能量利用最大化的目的。但是，发条在储能和释放能量时都会消耗能量，因而能量利用率不高，而且发条在释放能量后还会有阻碍驱动轮转动的问题，要解决这个问题会将小车结构弄得很复杂，因而，我们最终放弃了这种想法。而后，通过联系农村稻麦收割机的启动实例，我们想到了利用飞轮驱动，飞轮驱动结构简单，并且能够很好地解决发条能量释放后阻止驱动轮转动的问题；与此同时，我们也想到了将飞轮与弹簧联合驱动的方案，这种方案能够将能量尽可能地利用，并且只要通过传动比让弹簧驱动给后轮的速度大于飞轮能量释放后后轮的速度，就能让小车平稳前进。但是这个方案仍然存在结构复杂并造成能量消耗的问题，经过综合考虑权衡，我们最终确定车轮轴安装飞轮储能且后置齿轮啮合驱动小车的方案。

转向方面，我们主要是仿照自行车转向的方案，利用曲柄摇杆机构控制小车自动转向。

二.工作原理：

主要构件如下图所示，包括后置驱动齿轮、绕线轮、传动齿轮、小车车轮、深沟球轴承、连杆、转向摇杆和转向前轮。如图1：

图1

当重物下落时，细绳绕过立杆定滑轮带动后置驱动齿轮轴从而驱动中间小齿轮转动驱动后轮前进，同时通过齿轮啮合传动带动曲柄齿轮旋转，通过连杆传动推拉转向“摇杆”带动转向前轮周期性左右转向，从而实现小车在前进过程中自动转向。这样小车便能在重力势能驱动下沿着“S”形路线前进，并能自动绕过障碍物。

1.驱动机构原理：

机构构件：主要包括绕线轮、后置驱动齿轮和传动齿轮。如图2：

图2

在重物下落时，通过绕在绕线轮上的细线带动齿轮旋转，齿轮旋转驱动后轮转动，小车便向前行进。当重物完全下落后，小车靠飞轮储存的能量继续前进，直到能量通过车轮摩擦耗散完停止。飞轮装置如图3：

图3

小车在前进过程中，通过固定在轴上的齿轮旋转从而带动前方的“曲柄”齿轮旋转，通过连杆和转向机构连接。齿轮传动的一个主要作用是通过小轮带大轮实现固定传动比增速和减速，从而使驱动机构和转向机构协调配合。

2.转向机构原理：

机构构件：主要包括“曲柄”齿轮、连杆、转向“摇杆”和转向前轮。如图4：

图 4

原理是利用“曲柄摇杆机构”的原理，其中“曲柄”齿轮、转向“摇杆”分别是该曲柄摇杆机构的曲柄和摇杆。

齿轮传动带动前方“曲柄”齿轮旋转，当连杆和“曲柄”齿轮连接点处于图4中C、D点时，图5中转向“摇杆”处于C(D)线处,前轮指向正前方，此时小车能直行；当连杆和圆轮连接点处于图4中A点时，通过连杆将转向“摇杆”向后拉，转向“摇杆”顺时针转过φ角，图4中转向“摇杆”处于A线处,前轮指向右前方与直行线成φ角，此时小车能向右转；当连杆和圆轮连接点处于图4中B点时，通过连杆将转向“摇杆”向前推，转向“摇杆”逆时针转过θ角，图4中转向“摇杆”处于B线处,前轮指向左前方与直行线成θ角，此时小车能向左转。在一个周期内小车能自动转向4次。初始时连接点处于B点，此时小车前轮左偏θ角，小车前进经四分之一周期运动到左侧最外端，此时转向前轮指向正前方，小车继续前进，以后过程中小车周期性转向前进，路线如下图（图5）所示。

图5

三.小组分工

经过我们小组成员分析、讨论、资料收集后，我们的设计思路基本成形，接下来要做的就是小组分工实体制作，在制图、记录、选材购材、计算、修正中各自发挥自己的特长。

由于小组成员冯振兵擅长于Pro/e软件和UG软件的使用，所以我们团队在模拟造型中的三维和二维设计就由他来完成，其中参考资料的搜集和设计中的计算、校验就由我和宁汪清来完成，这些就是我们在设计工作中的分工了。

接下来的工作就是选材购材了，在这工作当中我负责无碳小车主部件的选材任务和网上购材，包括小车的前轮、滚动轴承和轴、尼龙齿轮、定滑轮等的选用。而宁汪清和冯振兵则负责到市场上选购车上螺丝、螺母、垫片等零部件。在配以杨教授发的木制板材和轴我们接下来的任务就是到实验室实体制作了。

在制作过程中我和宁汪清负责车底板和车轮的加工工艺制作，而冯振兵给予我们改正的建议，同时他还负责去市中心购买我们在制作过程中缺少的零件。在一切准备工作完成后我们接下来就要开始我们的组装和调试工作了，在这过程当中是由我们小组三人共同完成的。

四.尺寸确定与理论计算：

1． 部分主要零件尺寸：

后轮1：Φ175mm  轮厚 5mm 中心孔Φ7mm

后轮2：Φ175mm  轮厚 5mm 中心孔Φ19mm

前轮：Φ40mm  轮宽 5mm  中心孔Φ19mm

后轮车轴：Φ7mm  长l＝180mm

连杆：Φ7mm   长l＝80mm

模数m=1,

齿轮1：z1＝18  d1＝18mm  宽7mm

齿轮2：z1＝72  d1＝72mm  宽7mm

齿轮3：z1＝72  d1＝72mm  宽7mm

车宽180mm   车长约238mm  车高约485mm

飞轮半径10mm,400/(&*20)=6.37,6.34*72/18=25.48,25.48/2=12.74mm.

预测调整后可跑大于12.74mm。

材料选择：后轮前轮及齿轮选择耐磨性能好、硬度高的塑料；后轮车轴、连杆及曲柄摇杆选择普通金属。

2、路径的确定：

 由题目要求知从起点开始每隔1m设置一个障碍物，所以这就要求我们选择合适的路径，通过小组讨论和一些相关计算，我们小组最终认为采用如下正弦曲线为最优方案；如果可以从距离第一个障碍物0.5m出发，那么理论计算路径的选取就更简单，这里主要计算第一种情况。

图10（ 路线图）

轨迹方程式：Y=0.25*Sin（∏*X）   周期：T=2m

关键点：一方面要让小车经可能多的绕过障碍物；另一方面要满足路径上离障碍物最近的点不与小车相撞（即S＞0.5倍车宽+0.2障碍物直径），同时函数幅值A要小于1m（即A＜1m）。通过理论分析与计算，我们小组选择正弦函数Y=0.25*Sin（∏*X）作为小车行进路径。

3、前行与周期性转向计算：

根据路径图可知小车在T/4内要转过∏/4角度，即曲柄齿轮转过∏/4角度，路程为s=，用matlab软件求得:s=0.57m;车轮的周长c=∏*d1=0.55m.

即是后轮转过1圈，曲柄圆盘转过1/4圈，得传动比i＝4.由传动比便可计算出齿轮的相关参数。

五.设计组图：

1.UG三维立体组图：如图6、7：

 

                               图6

图7

2.CAD平面图：

图8

图9（主视图）

六.报告总结

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向从而自动避开障碍物。通过此次工程训练竞赛我们学习、收获了很多，在设计制作过程中我们遇到了重重困难，比如说在设计阶段中小车绕S形路线行进中的周期计算和制作过程中小车零件的加工工艺问题，还有小车组装后对小车整体的受力分析等等问题，但在指导老师的指导作用下加之我们小组成员的共同努力下，我们还是一一克服了眼前的困难，最终我们成功地制作了我们预想中的无碳小车。该次设计过程很好地锻炼了我们将理论与实践相结合的能力，同时也考验了我们在实际实践当中解决实际问题的能力和团队协作能力。所以不管以后在学习还是工作当中我们都应该将各种在实践中积累的经验和心得应用和体现出来，做到学有所用。

第二篇：无碳小车实验报告

项目编号：KS_____

大学生课外开放实验校级普通项目

实验报告

立项时间：2014  ~2015  年度（第    期）

                 　项目名称：       无碳小车                                        

　　　　　学生姓名：    王思鸣黄鹏孙汉文                      

              　指导教师：       任治胜            

              　学    院：        机电院                                    

                 　完成时间：       2014.9.12                                   

0         引（序）言

全国大学生工程训练综合能力竞赛旨在深化实验教学改革，提升大学生工程实践

能力、创新意识和团队合作能力，促进创新人才培养，提高高等教育质量。目的是通过

积极参与该无碳小车的设计与制作，增强大学生工程设计、创新、制造意识，增强动手

能力，做到课本理论知识的学习与实际动手操作相结合；同时提高团队合作能力，为以

后工作打好基础，从而达到大学生全面综合发展，做好大学生素质教育。

看到此次竞赛主题，我团队认为；能否很好地解决小车的驱动问题和自动转向问题是此次设计成功与否的关键。围绕这个中心，我们展开了一系列的理论分析与验证，经过反复比较，最终确定了我们的设计思路：曲柄连杆式转向。在与指导老师进行讨论以及研究了前几届学长的作品之后，我们即开始了设计，加工，调试的一系列工作。我相信通过此次竞赛，我们小组的每一个成员都会有不小的收获。

1  实验项目立项背景

煤炭是大自然给予人类的一笔宝贵财富，可是由于人们对煤炭的巨大需求，煤炭资源日趋减少近于枯竭。随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。无碳小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来“无碳”的憧憬。本小车依照现代工程师的标准，注重设计的巧妙、制作的精良、调试的可靠性等。与其他类似的模型小车相比，本小车更注重能量的利用、车体结构的稳定性、匀速性等；采用的柔性摆杆机构更涉及了诸多数学理论的验证；，且使小车控制转弯更省力、使小车的躲避障碍物的周期更容易实现与控制，亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦损耗小，效率高，较容易制造安装。在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。适合广大青少年学习研究。

2  主要结构及功能（结构图示意）

2.1无碳小车基本结构示意图

图1 无碳小车示意图

2.2功能设计要求

以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。该无碳小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物。重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。

要求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。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。

3  主要创新点或特色

本小车本身着重体现了无碳的概念，小车的动能完全由重力势能提供，是对环保的最高理想。技术关键：（1）利用重力势能这唯一的能量让小车行走并能躲开障碍物。（2）小车采用可调式转向机构，前方和后方的都可进行调节，非常方便快捷的对小车的绕桩轨迹进行控制（3）为了使小车在转弯时更易实现差速，利用有机玻璃作为轮子，从而降低轮子与地面的摩擦系数。

4  推广应用价值

当今高耗能的时代，污染日益严重，为了追求可是续发展的道路，必须采用绿色无污染，无碳小车正应了时代的需求，采用无碳小车应用于某些工业生产线，不仅可以运输一些货物，而且还降低了能耗。

5  设计制作过程（照片）

图3 数控铣床加工底板、侧板过程

                            

       图4 激光切割制作支撑架                                     图5 线切割制作导向架

图6 加工完毕进行装配

6  心得体会

在无碳小车的设计、加工、装配、调试等环节中，我们在设计、论证、实验验证的过程当中反复探索、不断前进。这个过程，增强了我们对专业知识的理解，同时锻炼了我们的动手能力。在无碳小车不断完善的过程中遇到了很多问题，通过发现问题、分析问题、解决问题，使我们学会了如何从工程设计的角度去看待问题，这是我们参加此次实训最大的收获！

为了参加这次比赛，我们做了充分的准备。通过无碳小车的制作我们更加了解了机械原理，工程实践的意义，更深刻地体会到书本学习与实际操作的不同与联系，也让我们明白了将理论学习与实践相结合的重要性。这次比赛，不仅提高了我们的实践技能，激发了我们的创新意识，为我们以后的工作研究都具有指导性的意义。另一方面，它还加强了我们的团队协作能力、相互沟通了解以及彼此间的友谊。更为重要的是我们组员在废寝忘食的加工制作过程中，学会了很多机械制作的常识，了解熟悉了对一项方案从头到尾的设计、制作、测试改进完善的整个流程，增强了自己在创新设计、实践加工制作方面的能力。同时也提高了自己的综合实践创新以及实际操作动手能力，做到全面综合发展。

7 参考文献

【1】  作者（濮良贵  纪名刚），题名【机械传动】，刊名【机械设计】，出版年20##-05，起止页码6-10。

【2】  作者（濮良贵  纪名刚），题名【滚动轴承】，刊名【机械设计】，出版年20##-05，起止页码6-10。

【3】  作者（胡仁喜  温正  王渊峰），题名【装配体的运用】，刊名【SolidWorks2007中文版标注教程】，出版年20##-07,起止页码11-12。

【4】  作者（胡仁喜  温正  王渊峰），题名【零件草绘特征】，刊名【SolidWorks2007中文版标注教程】，出版年20##-07,起止页码21-34。

【5】  作者（郭圣路  王广兴），题名【常用基本零件类设计】，刊名【SolidWorks2007中文版标注教程】，出版年20##-09，起止页码

【6】  作者（郭圣路  王广兴），题名【装配体设计】，刊名【SolidWorks2007中文版标注教程】，出版年20##-09，起止页码11-12。

【7】  作者（孙恒  陈作模  葛文杰），题名【齿轮机构及其设计】，刊名【机械原理】，出版年20##-05，起止页码6-10。