第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽
設計小組：李陽、寧汪清、馮振兵
專業班級：10機械二班
指導老師：褚園
完成時間：2012.12.26
目錄一.設計思想3
二.工作原理3
1.驅動機構原理4
2.轉向機構原理5
三.小組分工6
四.尺寸確定與理論計算7
1.部分主要零件尺寸7
2.路徑的確定7
3.前行與週期性轉向計算8
五.設計**8
1. ug三維立體**9
平面圖10
六．報告總結11
一.設計思想：
對於此次競賽題目，我們小組經分析討論後認為：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：
後置齒輪驅動與仿自行車式轉向設計思路。
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，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的問題，經過綜合考慮權衡，我們最終確定車輪軸安裝飛輪儲能且後置齒輪嚙合驅動小車的方案。
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。
二.工作原理：
主要構件如下圖所示，包括後置驅動齒輪、繞線輪、傳動齒輪、小車車輪、深溝球軸承、連桿、轉向搖桿和轉向前輪。如圖1：
圖1當重物下落時，細繩繞過立桿定滑輪帶動後置驅動齒輪軸從而驅動中間小齒輪轉動驅動後輪前進，同時通過齒輪嚙合傳動帶動曲柄齒輪旋轉，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。
1.驅動機構原理：
機構構件：主要包括繞線輪、後置驅動齒輪和傳動齒輪。如圖2：
圖2在重物下落時，通過繞在繞線輪上的細線帶動齒輪旋轉，齒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。飛輪裝置如圖3：
圖3小車在前進過程中，通過固定在軸上的齒輪旋轉從而帶動前方的「曲柄」齒輪旋轉，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增速和減速，從而使驅動機構和轉向機構協調配合。
2.轉向機構原理：
機構構件：主要包括「曲柄」齒輪、連桿、轉向「搖桿」和轉向前輪。如圖4：
圖4原理是利用「曲柄搖桿機構」的原理，其中「曲柄」齒輪、轉向「搖桿」分別是該曲柄搖桿機構的曲柄和搖桿。
齒輪傳動帶動前方「曲柄」齒輪旋轉，當連桿和「曲柄」齒輪連線點處於圖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4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4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，路線如下圖（圖5）所示。
圖5三.小組分工
經過我們小組成員分析、討論、資料收集後，我們的設計思路基本成形，接下來要做的就是小組分工實體製作，在製圖、記錄、選材購材、計算、修正中各自發揮自己的特長。
由於小組成員馮振兵擅長於pro/e軟體和ug軟體的使用，所以我們團隊在模擬造型中的三維和二維設計就由他來完成，其中參考資料的蒐集和設計中的計算、校驗就由我和寧汪清來完成，這些就是我們在設計工作中的分工了。
接下來的工作就是選材購材了，在這工作當中我負責無碳小車主部件的選材任務和網上購材，包括小車的前輪、滾動軸承和軸、尼龍齒輪、定滑輪等的選用。而寧汪清和馮振兵則負責到市場上選購車上螺絲、螺母、墊片等零部件。在配以楊教授發的木製板材和軸我們接下來的任務就是到實驗室實體製作了。
在製作過程中我和寧汪清負責車底板和車輪的加工工藝製作，而馮振兵給予我們改正的建議，同時他還負責去市中心購買我們在製作過程中缺少的零件。在一切準備工作完成後我們接下來就要開始我們的組裝和除錯工作了，在這過程當中是由我們小組三人共同完成的。
四.尺寸確定與理論計算：
1． 部分主要零件尺寸：
後輪1：φ175mm 輪厚 5mm 中心孔φ7mm
後輪2：φ175mm 輪厚 5mm 中心孔φ19mm
前輪：φ40mm 輪寬 5mm 中心孔φ19mm
後輪車軸：φ7mm 長l＝180mm
連桿：φ7mm 長l＝80mm
模數m=1,
齒輪1：z1＝18 d1＝18mm 寬7mm
齒輪2：z1＝72 d1＝72mm 寬7mm
齒輪3：z1＝72 d1＝72mm 寬7mm
車寬180mm 車長約238mm 車高約485mm
飛輪半徑10mm,400/(&*20)=6.37,6.34*72/18=25.48,25.48/2=12.74mm.
**調整後可跑大於12.74mm。
材料選擇：後輪前輪及齒輪選擇耐磨效能好、硬度高的塑料；後輪車軸、連桿及曲柄搖桿選擇普通金屬。
2、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正弦曲線為最優方案；如果可以從距離第乙個障礙物0.5m出發，那麼理論計算路徑的選取就更簡單，這裡主要計算第一種情況。
圖10（ 路線圖）
軌跡方程式：y=0.25*sin（∏*x） 週期：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.
2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=0.25*sin（∏*x）作為小車行進路徑。
3、前行與週期性轉向計算：
根據路徑圖可知小車在t/4內要轉過∏/4角度，即曲柄齒輪轉過∏/4角度，路程為s=，用matlab軟體求得:s=0.57m;車輪的周長c=∏*d1=0.55m.
即是後輪轉過1圈，曲柄圓盤轉過1/4圈，得傳動比i＝4.由傳動比便可計算出齒輪的相關引數。
五.設計**：
三維立體**：如圖6、7：
圖6圖7
平面圖：
圖8圖9（主檢視）
六.報告總結
無碳小車是根據能量轉換原理，將給定的重力勢能轉換為機械能驅動小車行走並能夠在前行時自動避開賽道上設定的障礙物的裝置。該小車由能量轉換機構、傳動機構、轉向機構和車身構成，通過能量轉換機構獲得動力來驅動後輪轉動，再通過傳動機構將運動傳給轉向機構使轉向輪週期性轉向從而自動避開障礙物。通過此次工程訓練競賽我們學習、收穫了很多，在設計製作過程中我們遇到了重重困難，比如說在設計階段中小車繞s形路線行進中的週期計算和製作過程中小車零件的加工工藝問題，還有小車組裝後對小車整體的受力分析等等問題，但在指導老師的指導作用下加之我們小組成員的共同努力下，我們還是一一克服了眼前的困難，最終我們成功地製作了我們預想中的無碳小車。
該次競賽主題很好地鍛鍊了我們將理論與實踐相結合的能力，同時也考驗了我們在實際實踐當中解決實際問題的能力和團隊協作能力。所以不管以後在學習還是工作當中我們都應該將各種在實踐中積累的經驗和心得應用和體現出來，做到學有所用。
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