无碳小车设计原理
1、构架部分
小车采用三轮结构采用（一个转向，两个驱动）；
重物落差0.5米物重1kg；
2、转向部分
a.转向机构通过传动齿轮与驱动轴相连；
b.通过凸轮的定轴转动使控制杆左右周期摆动，从而作用前轮转向；
c.计算传动机构使小车每行驶2000mm转向轮摆动一个周期；
d.通过计算凸轮的形状，尽量减小转向轮的摆动角度，凸轮上有一道凿，用以调节螺栓到凸轮圆心的距离，从而可以方便调节转向轮的偏转角度，到达小车绕过更多障碍的目的；
3、驱动
绳子绕在驱动轴上，当重物下降时带动驱动轴转动
第二篇：无碳小车设计说明书) 2
无碳小车设计说明书
一、 绪论
1.1小车功能设计要求
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。
小车在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距一定距离的两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不可以撞倒障碍物，不可以掉下球台。障碍物为直径20mm、长200mm的2个圆棒，相距一定距离放置在半张标准乒乓球台的中线上，以小车完成8字绕行圈数的多少来综合评定成绩。
1.2小车整体设计要求
小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。
二、结构及工艺设计报告
2.1车架
车架需要承受所有零件的负载以及500G重物，因此需要一定的刚度达到承重能力。但考虑整体重量以及加工精度不高，因此采用3mm矩形铝板选作车架。
2.2原动机构
原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。小车对原动机构具体要求：①.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。②.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。③.由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。④.机构简单，效率高。
能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。
2.3传动机构
传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
1.不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其它条件时这是最优的方式。
2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。
3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。
因此在第一种方式不能够满足要求的情况下我们选择使用齿轮传动。
2.4转向机构
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，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等等。
凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；缺点：凸轮轮廓加工比较困难。
在本小车设计中由于：凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）因此不采用曲柄连杆+摇杆
优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便。缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。
差速转弯
差速拐是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现拐弯避障。
差速转弯，是理论上小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加工精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。（由于加工和装配的误差是不可避免的）
同向曲柄摇杆
曲柄摇杆机构最为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低加工精度要求不高，在解决急回特性问题之后此方案最为简单（解决方案如下）
曲柄摇杆无急回现象特例：
在此特例中，a=15，b=34，c=25，d=40.如图可知，极位夹角为0，行程速度变化系数K=1，因此无急回现象。
受此例启发我们选用合适数据来达到我们转向要求
综合上面分析我们选择同向曲柄摇杆作为小车转向机构的方案。
2.5行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。
有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
对于相同的材料
为一定值。
而滚动摩擦阻力
，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。
由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。
双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。
双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。
单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。
综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，可以如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案，如果规则允许可以采用单轮驱动。
总结：
由于理论分析与实际情况有差距，只能通过理论分析得出较优的方案而不能得到最优的方案。因此我们设计了一种机构简单的小车，通过小部分的改动便可以改装成其它方案，再通过试验比较得到最优的小车。
3、成本分析报告
3.1 所需材料列表
序号 |
物品名称 |
数量 |
单价（元） |
总价（元） |
备注 |
1 |
铝板（200*200*6） |
2 |
每公斤20.5元 |
20 |
|
2 |
铝板（300*200*2） |
1 |
每公斤20.5元 |
15 |
|
3 |
铝棒（Φ12*1000） |
1 |
每公斤20.5元 |
6 |
|
4 |
尼龙板（400*400*5） |
2 |
15 |
30 |
|
5 |
轴承（Φ内3Φ外8） |
10 |
6 |
60 |
|
6 |
轴承（Φ内10Φ外19） |
20 |
3 |
60 |
|
7 |
滑轮 |
1 |
4 |
4 |
|
8 |
空心钢管（Φ10*1500） |
1 |
15 |
15 |
|
9 |
小螺栓、螺帽 |
30 |
零售 |
||
总计（元） |
240 |
||||
3.2所需加工零部件
所需的主要材料是2mm厚的铝板，6mm的铝板，45号钢圆棒灰板铁圆筒，尼龙板。
后轮轴1个 中间直径为12mm长度为110mm两端一样直径为10mm
后轮2个 直径为250mm 厚度为5mm
前轮1个 直径为50mm厚度为7mm
前轮轴1个 直径为12mm长度为45mm
大滚动轴承 内径为10mm 8个
小滚动轴承 内径为3mm 5个
其他零件若干
3.3 提出建议
所购买的材料可加工两辆以上的小车，因零售原因所购买的材料价格偏高，若为批量生产成本会再次压缩，每辆小车的预算成本会在60元以内（包括材料费用与加工成本）。
四、 工程管理设计报告
4.1 概述
为实现安全、文明生产，保证按期供货，降低总成本，需进行工程管理的设计。工程管理设计方案的主要内容包括：生产过程组织形式、人力资源配置、进度计划与控制等几个方面。
4.2 生产过程组织形式设计指南
生产过程组织形式设计包括两个方面：生产过程空间组织设计、生产过程时间组织设计。
4.3生产过程空间组织设计
生产过程空间组织设计主要是按专业化分工原则把工作地组织起来，使产品生产过程能有效运行。专业化分工的类型包括三种形式：工艺专业化，产品对象专业化，成组生产。空间组织设计的重点是设施布置，与专业化分工对应，也有三种类型：
工艺原则布置：主要适合于多品种小批量或单件式生产的组织。
产品原则布置：主要适用于少品种、大批量生产的组织。
成组原则布置：主要适合于中小批量生产的组织。包括单机成组、多机成组、流水成组三种布置形式。
针对我们组的实际情况，我们决定采用工艺原则布置。
4.4生产过程时间组织形式
生产过程时间组织的设计方式可采用顺序移动方式、平行移动方式、平行顺序移动方式，移动方式的选取主要由生产空间组织形式来决定。
顺序移动的生产周期长，但生产容易组织；平行移动方式的生产周期短，但设备难以连续加工；平行顺序移动方式则可以使设备连续加工，又能适当的缩短生产周期，但生产组织工作复杂。
车间按工艺原则布置时，宜采取顺序移动较为设和我们小组的实际情况。
4.5 人力资源配置
车间人力资源配置一般是综合考虑产量大小、生产方式、技术要求、人力资源状况等因素后，确定班组与人员的安排。我们小组为3人小组。
王挺主要是负责车床加工工艺。
陈鹏飞主要是负责小车的组装与车架的设计与制造。
章俊杰主要是进行小车的精加工(包括特种加工、线切割等)。
后期性能调试工作由三人共同完成。
4.6 进度计划与控制设计方案
我们组主要是采取的是单间小批量生产，计划与控制方案 如下：
单件小批量生产的计划编制
（1）确定生产周期：按照产品的结构、工艺特点，主要考虑产品零件中的主要件和关键件在工艺上的逻辑关系，确定产品的生产周期。我们的生产时间大概一个月时间，其中包括了方案的制定，结构的制定。
（2）编制总日历计划：主要的工作包括编制各项产品订货的生产进度计划；验算平衡各阶段设备的负荷。
前一段时间，由方案讨论确定需购买哪些材料，然后针对各自的任务需购买哪些材料，然后小组一起购买材料。
（3）编制详细生产作业计划。
材料购买完成，然后各自分工，陈鹏飞负责车架的制作，王挺负责车床的粗加工，章俊杰主要负责小车各个零部件的精加工。然后小组共同进行装配及调试工作并根据不足进行补救措施。
五、后期装配及调试
5.1小车调试方法
小车的调试是个很重要的过程，有了大量的理论依据支撑，还必须用大量的实践去验证。小车的调试涉及到很多的内容，如车速的快慢，小车整体的协调性，小车前进的距离等。
（1）小车的速度的调试：通过小车在指定的赛道上行走，测量通过指定点的时间，得到多组数据，从而得出小车行驶的速度，通过试验，发现小车后半程速度较快，整体协调性能不是太好，于是车小了绕绳驱动轴，减小过大的驱动力同时也增大了小车前进的距离。
（2）小车绕行的调试：虽然本组小车各个机构相对来说较简单，损耗能量较少，但是绕行不是很好，但与此同时，小车由于设计时采用了多组微调机构，通过观察小车在指定赛道上行走时绕行的特点，进行调整并做好标记。
5.2小车改进方法
由于本组小车采用胶水黏贴各处，虽然少了许多的加工成本费用，也避免了能量的过多损耗，但小车会有时出现脱胶的现象，导致无法前进，于是想法改进，使小车能量损失减少，同时故障出现的次数减少，稳定性能较好。
5.3小车优缺点
优点：（1）小车机构简单，单级齿轮传动，损耗能量少，
（2）多处采用微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物，
（3）采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远，
缺点： 小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，绕行时上下两个圆大小不同。