2014年****工程训练综合能力竞赛
参赛者： 指导老师：
无碳小车设计报告
2014/10/15
1、 设计概述
“无碳小车”是将重力势能转换为机械能，使小车实现行走及转向功能的装置。
小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动，从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。
具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力，通过线绳带动齿轮轴等传动机构，单轮驱动；通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。无碳小车结构设计总装图如图所示。
2、设计思路和方案
小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、、制造加工调试 2.1功能分析
对小车功能要求进行分析，寻找功能元解，将小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个模块。对每一个模块进行多方案设计，综合对比选择最优的方案组合。 2.2参数分析与个性化设计
利用Solidworks软件进行小车的实体建模、部分运动仿真。
对方案建立数学模型进行理论分析，使用MATLAB软件分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析，得出小车的具体参数和运动规律。
2.3 机械总功能分解及功能元解
表1.势能转向小车形态学矩阵
功能元 1 A势能转化 B行走机构 C前轮摆动 重物—锥台绕线轮机构 后双轮同步驱动 2 重物—飞轮机构 单轮驱动 功能元解 3 RSSR空间四杆机构 4 5 曲柄摇杆机构 正弦机构（曲柄移动导杆机构 齿轮机构 皮带轮机构 凸轮推杆机构 圆轮导杆机构 D中间传动 E微调结构 由以上A、B、C、D四机构的最终组合方案而另行确定
2.4 机构选型基本原则
① 满足工艺动作和运动要求。 ② 结构最简单,传动链最短。
③ 原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。 ④ 机构有尽可能好的动力性能。
⑤ 机器操纵方便、调整容易、安全耐用。 ⑥ 加工制造方便，经济成本低。 ⑦ 具有较高的生产效率与机械效率。
2.5转向机构分析
目前，能够实现无碳小车车轮转向控制的机构主要有曲柄摇杆机构、正弦机构（曲柄移动导杆机构）、RSSR空间四杆机构凸轮推杆机构和圆轮导杆机构。这5 种机构在结构和功能上有各自的特点。转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动。同样也
2.5.1曲柄摇杆机构
优点：连杆机构中的运动副为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，易润滑，损耗能量少，且运动副一般是几何封闭，对保证小车行进的可靠性有利。
缺点：由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而构件数目多，传动路线长，若加工不能保证适当精度，易产生较大的误差积累，也使机械效率降低。 无急回曲柄摇杆机构是平面机构，要求曲柄处于前轮支架轴线的垂直面，要多一级转换机构。该机构对于摇杆与前轮角度的精度要求较高，装配难度较大，而且曲柄长度不具备调节功能，会导致摇杆摆角不对称。