1、“S”型無碳小車設計說明書目錄一、緒論1.1競賽命題主題1.2小車功能設計要求二、方案設計2.1路徑選擇2.2轉向裝置2.2.1前輪轉向裝置設計2.2.2后輪轉向裝置設計2.3能量轉換裝置設計2.4微調機構設計三、參數設計3.1路徑參數設計3.2其他參數設計四、選材加工五、附錄一、緒論1.1競賽命題主題本屆競賽主題為“無碳小車越障競賽”。要求經過一定的前期準備后，在比賽現場完成一臺本命題要求的可運行的機械裝置，并進行現場競爭性運行考核。每個參賽作品需要提交相關的設計方案。競賽命題為“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”。1.2小車功能設計要求1、設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根

2、據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統一使用質量為1Kg的標準砝碼（5065 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為4002mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。圖1：無碳小車示意圖2、要求小車在行走過程中完成所有動作所需的能量均由此給定重力勢能轉換而得，不可以使用任何其他來源的能量。3、要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。4、要求小車為三輪結構。具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。二、方案設計2.1路徑選擇我們選擇了“S”型方案，路徑如圖2所示，圖中所示

3、“S”是后輪軸中點軌跡。在設計計算中我們近似認為這是一條余弦曲線，通過分析道路要求給出曲線方程各項參數，從而得到后續理論設計的基礎數據。圖2：小車路徑軌跡示意圖（后輪軸中點軌跡）2.2轉向裝置2.2.1前輪轉向裝置設計考慮到小車在行進過程中要實現自行轉向，我們選擇通過改變前輪擺角來控制整個小車的轉向，有兩種備選方案：1、凸輪+連桿+搖桿；2、曲柄連桿+搖桿。第一種方案中，凸輪的設計加工難度較大且成本較高，一般而言實用性不強，想要實現對小車路徑的精準控制不易，而相較之下方案二中曲柄機構更容易設計計算，路徑特殊點所對應曲柄的位置更容易找到，還可以通過改變曲柄偏心距實現間距微調，而且加工成本較低，拆

4、裝穩定性好，原理簡單易懂，可以幫助中學生或大學生快速理解機械傳動和加工原理，因此我們選用方案二，如圖3所示。圖3：前輪轉向機構后輪轉向裝置設計后輪通過差速設計實現轉向，主動輪給全車提供驅動力，從動輪自由轉動，在轉彎的時候由速度差實現轉向。2.3能量轉換裝置設計小車的動力來源于重錘的重力勢能，通過重錘下落，實現重力勢能與動能的轉換，從而實現小車的驅動。將重錘通過滑輪用細繩纏繞在主動輪軸上，繞軸端接死，重錘的重力通過細繩作用在主動輪軸上，從而對軸產生一個力矩，使軸旋轉即實現主動輪的轉動。圖4：繞線滑輪及主動輪軸俯視圖2.4微調機構設計在連桿軸與搖桿交接處連桿軸上通過螺紋旋裝兩個調節螺母，分別起到位

5、置調節與固定鎖死的作用。它的調節機理是分別旋緊前后螺母，微調搖桿于連桿在曲柄處于上下平衡位置時的垂直關系，最終決定了小車能不能走成一條直線“S”。圖5：微調機構三、參數設計3.1路徑參數設計根據余弦曲線方程結合競賽賽道要求，寫出最終的近似軌跡方程為：因此得到一個周期內的曲線長度為：求解方程可得到。3.2其他參數設計由求得的單位周期內的曲線長度，根據既定目標距離和小車結構設計即可得出軸及齒輪等相關系數，本車目標距離是，結合重錘勢能（取）可最終確定軸徑為，加速齒輪傳動比為。四、選材加工由于小車在行進過程中的功耗大部分來源于運動副摩擦及輪子與地面的摩擦，運動副之間的摩擦只能通過充分潤滑改善，而來源于地面的接觸摩擦則需要減輕質量方能得到改善