產品名稱：飛輪驅動式無碳小車
設計團隊：小組成員：李進、肖衡、謝中成指導老師：韓傳軍、任海濤
設計思想：
看到此次競賽主題，我團隊認為；能否很好地解決小車的驅動問題和自動轉向問題是此次設計成功與否的關鍵。圍繞這個中心，我們展開了一系列的理論分析與驗證，經過反覆比較，最終確定了我們的設計思路：飛輪驅動與仿自行車式轉向。
驅動方面，最開始，我們想到了發條，認為將重物下落的重力勢能儲存在發條中，在逐漸釋放，能夠很好地利用能量。與此同時，經過研究玩具小車的驅動機構，我們認為，可以想辦法將發條與彈簧結合起來使用，通過二者驅動的時間差來達到將重物能量利用最大化的目的。但是，發條在儲能和釋放能量時都會消耗能量，因而能量利用率不高；並且，如何讓彈簧與發條分時驅動也是乙個我們始終無法解決的問題；而且，發條在釋放能量後還會有阻礙驅動輪轉動的問題，要解決這個問題會將小車結構弄得很複雜，因而，我們最終放棄了這種想法。
而後，通過聯絡農村稻麥收割機的啟動例項，我們想到了利用飛輪驅動，飛輪驅動結構簡單，並且能夠很好地解決發條能量釋放後阻止驅動輪轉動的問題；與此同時，我們也想到了將飛輪與彈簧聯合驅動的方案，這種方案能夠將能量盡可能地利用，並且只要通過傳動比讓彈簧驅動給後輪的速度大於飛輪能量釋放後後輪的速度，就能讓小車平穩前進。但是這個方案仍然存在結構複雜並造成能量消耗打的問題，經過綜合考慮權衡，我們最終確定飛輪單獨驅動小車的方案。
轉向方面，我們主要是仿照自行車轉向的方案，利用曲柄搖桿機構控制小車自動轉向，原理就是「單手握龍頭」。
1、 專案研製的目的、意義
全國大學生工程訓練綜合能力競賽旨在深化實驗教學改革，提公升大學生工程實踐能力、創新意識和團隊合作能力，促進創新人才培養，提高高等教育質量。目的是通過積極參與該無碳小車的設計與製作，增強大學生工程設計、創新、製造意識，增強動手能力，做到課本理論知識的學習與實際動手操作相結合；同時提高團隊合作能力，為以後工作打好基礎，從而達到大學生全面綜合發展，做好大學生素質教育。
2、作品的設計過程
作品方案設計
2.1工作原理：
主要構件如下圖所示，包括儲能飛輪、驅動後輪、傳動齒輪、「曲柄」圓輪、連桿、轉向「搖桿」和轉向前輪。
圖1當重物下落時，細繩繞過立桿動滑輪帶動儲能飛輪旋轉儲能，飛輪旋轉驅動後輪前進，同時通過齒輪嚙合傳動帶動「曲柄」圓輪旋轉，通過連桿傳動推拉轉向「搖桿」帶動轉向前輪週期性左右轉向，從而實現小車在前進過程中自動轉向。這樣小車便能在重力勢能驅動下沿著「s」形路線前進，並能自動繞過障礙物。整過程的能量轉換為：
重力勢能飛輪動能驅動後輪小車前進並自動轉向
2.1.1儲能驅動機構原理：主要包括儲能飛輪、驅動後輪和傳動齒輪
圖2在重物下落時，通過繞在飛輪上的細線帶動飛輪旋轉儲能，飛輪旋轉驅動後輪轉動，小車便向前行進。當重物完全下落後，小車靠飛輪儲存的能量繼續前進，直到能量通過車輪摩擦耗散完停止。
圖3（最終我們採用了一級傳動）
小車在前進過程中，通過固定在軸上的齒輪旋轉，齒輪傳動機構帶動「曲柄」圓盤旋轉，通過連桿和轉向機構連線。齒輪傳動的乙個主要作用是通過小輪帶大輪實現固定傳動比減速，從而使驅動機構和轉向機構協調配合。通過方案的完善與計算，我們最終決定採用更為簡單的一級傳動，如下圖所示：
2.1.2轉向機構原理：
主要包括「曲柄」圓輪、連桿、轉向「搖桿」和轉向前輪
圖 4圖 5
原理是利用「曲柄搖桿機構」的原理，其中「曲柄」圓輪、轉向「搖桿」分別是該曲柄搖桿機構的曲柄和搖桿。
齒輪帶動圓輪旋轉，當連桿和圓輪連線點處於圖4中c、d點時，圖5中轉向「搖桿」處於c(d)線處,前輪指向正前方，此時小車能直行；當連桿和圓輪連線點處於圖4中a點時，通過連桿將轉向「搖桿」向後拉，轉向「搖桿」順時針轉過φ角，圖5中轉向「搖桿」處於a線處,前輪指向右前方與直行線成φ角，此時小車能向右轉；當連桿和圓輪連線點處於圖4中b點時，通過連桿將轉向「搖桿」向前推，轉向「搖桿」逆時針轉過θ角，圖5中轉向「搖桿」處於b線處,前輪指向左前方與直行線成θ角，此時小車能向左轉。在乙個週期內小車能自動轉向4次。初始時連線點處於b點，此時小車前輪左偏θ角，小車前進經四分之一週期運動到左側最外端，此時轉向前輪指向正前方，小車繼續前進，以後過程
中小車週期性轉向前進。
2.2設計**：
pro/e立體**：
圖7圖8
圖92.3尺寸確定與理論計算：
2.3.1部分主要零件尺寸：
後輪：φ140mm 輪寬 10mm前輪：φ50mm 輪寬 8mm
齒輪1：z1＝15 m=0.5齒輪2：z2＝75 m=0.5
車寬180mm 車長270mm
2.3.2材料選擇：
2.3.3路徑的確定：
由題目要求知從起點開始每隔1m設定乙個障礙物，所以這就要求我們選擇合適的路徑，通過小組討論和一些相關計算，我們小組最終認為採用如下余弦曲線為最優方案： y=0.3*cos（π*x） t=2m
關鍵點：一方面要讓小車經可能多的繞過障礙物；另一方面要滿足路徑上離障礙物最近的點不與小車相撞（即s＞0.5倍車寬+0.
5障礙物直徑），同時函式幅值a要小於1m（即a＜1m）。通過理論分析與計算，我們小組選擇正弦函式y=0.3*cos（π*x） t=2m作為小車行進路徑。
2.3.4齒輪傳動比計算：
根據路徑圖可知小車在t/4內要轉過π/2角度，即曲柄圓盤轉過π/2角度，路程為s=∫(（1+（dy/dx）*（dy/dx））^0.5))dx=2.3m=230cm。
後輪周長c=π*d=44cm
乙個週期內後輪轉過n=s/c=5 r
即：一週期內後輪轉過5圈，曲柄圓盤轉過1圈，得傳動比i=5
由傳動比便可計算出齒輪的相關引數。
2.4、徽標設計：
2.4.1設計理念：結合全國大學生機械設計大賽主題「節能、環保、機械」設計徽標，反映此次大賽的主題。
2.4.2徽標含義：
上圖為我們團隊設計的本次大賽的徽標。外環內為我們學校名字（西南石油大學swpu），裡面上部為手拉手的三個人，意為我們團隊三個人，手拉手象徵團隊合作精神。背景色藍色為天空顏色象徵無碳主題，與本次大賽主題相符。
下面三個環緊密相扣也表現團隊合作精神，同時意義為我們設計小車的三輪構造，作為我們三輪小車的標誌！中間單詞non—carbon意思為「無碳」。整體來看這徽標很好的把本次大賽的主題反映出來了，同時反映了我們團隊的合作精神，外形美觀大方。
3、製作過程（無碳小車製作）
3.1零件製作方法
前輪後輪由工程訓練中心按設計尺寸車床加工；車身自己用鋸子和鉗工等常用工具按設計尺寸手工加工製造
3.2製作過程剪影
3.4作品**
4、作品的測試過程
4.1測試結果:
通過多次改進完善、測試結果為：小車能夠按照預期的方案行進，能夠前進？m，成功繞過障礙物？個。
4.2 相關測試**:
5、心得體會
為了參加這次比賽，我們做了充分的準備。從報名、初選到最後的決賽，我們收穫了很多。通過無碳小車的製作我們更加了解了機械原理，工程實踐的意義，更深刻地體會到書本學習與實際操作的不同與聯絡，也讓我們明白了將理論學習與實踐相結合的重要性。
在實踐的製作中，我們也遇到了很多困難，通過大家的積極努力，最終都一一克服，團隊的力量是強大的。這次比賽，不僅提高了我們的實踐技能，激發了我們的創新意識，為我們以後的工作研究都具有指導性的意義。另一方面，它還加強了我們的團隊協作能力、相互溝通了解以及彼此間的友誼。
更為重要的是我們組員在廢寢忘食的加工製作過程中，學會了很多機械製作的常識，了解熟悉了對一項方案從頭到尾的設計、製作、測試改進完善的整個流程，增強了自己在創新設計、實踐加工製作方面的能力。同時也提高了自己的綜合實踐創新以及實際操作動手能力，做到全面綜合發展。
6、謝辭
衷心感謝學校能為我們提供參加此次機械設計大賽的機會，同時誠摯感謝工程訓練中心全體老師和師傅對我們在加工製作過程提供的幫助和指導，感謝韓傳軍和任海濤兩位指導老師對我們的悉心指導。
7、參考文獻
【1】 楊黎明楊志勤《機械設計簡明手冊》 國防工業出版社
【2】 楊可楨程光蘊李仲生《機械設計基礎》 高等教育出版社
【3】 魯屏宇田福潤 《工程製圖》 華中科技大學出版社
【4】 吉智竇春雨鞠進軍 《pro/engineer基礎教程》清華大學出版社
通過小組討論和一些相關計算余弦曲線為最優方案：
y=a*cos（π*x） t=2m
當x=0.5 時，得
sin φ=（2lr-r2）/(2bl)
其中，l為後車軸與轉向前輪間距
r為曲柄圓盤半徑
b為轉向前輪直行時與曲柄後輪連桿間距
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目錄一 本作品的創新與特色簡介 二 設計方案擬定 三 動力與傳動方案的設計 計算與分析 四 動作執行機構的設計 計算與分析 五 其它設計計算與說明，設計總結 一 本作品的創新與特色簡介 所有的動力來自載荷重物，所純機械結構，無碳排放 在轉向方面，採用內凸輪連桿機構，使得轉向的角度 時間更加精確，並輔...