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方案目录

一：任务和要求 ………………………………………………………2

1.1 命题要求部分 ………………………………………………2

1.2 自我发挥部分 ………………………………………………3

二：方案设计及论证 …………………………………………………4

2.1 转向轮及轨道设计 …………………………………………4

2.2 动力系统设计 ………………………………………………7

2.3 小车整体及外观设计 ………………………………………8

2.4 最终方案 ……………………………………………………8

三： 材料及成本分析 ………………………………………………9

3.1 小车整体材料种类 …………………………………………9

3.2 小车各部位材料选择 ………………………………………9

3.3 小车整体成本分析 …………………………………………9

四：方案总结 ………………………………………………………10

一：任务和要求

1.1命题要求部分

命题主题：“无碳小车”

竞赛命题要求：

①小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：①小车上面要装载一件外形尺寸为￠60×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750克；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于￠30mm。

②给定重力势能为5焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质

量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，

落差500±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，

不允许掉落。小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此

能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。

③障碍物放置要求：每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒。

小车结构示意图：

小车运动轨迹示意图：

第二阶段附加要求：

参赛队，需取下小车原有的转向轮，重新制作小车的转向轮。转向轮的制作采用根据原设计图纸和竞赛组委会的指定要求，经计算机三维造型后，使用快速成型机制作、车床加工及钳工方法完成，最终完成小车转向轮的组装和调试，总加工时间为4小时左右。

成绩评定：

根据综合工程管理方案、设计方案、加工工艺方案、成本

分析方案、小车徽标设计、转向轮加工成本及质量（是否符合

图纸要求）、现场加工质量、小车前行距离及答辩成绩等得分，

经加权公式计算最终得分

1.2自我发挥部分

1）小车的前轮（即转向轮）设计。单向偏转或实现双向偏转及其转向角度的确定。

2）小车的运行轨道的设计。根据转向方案，设计出小车路程最少且位移量最大、符合命题要求的预算轨道。并确定小车的初始释放位置。

3）小车的能量转换方式。综合考虑到转换与行驶的相对关系，并尽可能的加大能量的利用率。

4）小车的前后轮设计。前轮尽量简洁，且确保自己能够用三维软件自行作出，后轮设计尽量减少与地面的摩擦。

5）小车的外观设计。在不影响小车的正常运行下，尽量减少小车自身的重量，并且要考虑到小车的整体外观。

6）成本分析。 在实现小车能够实现基本运行的情况下，充分考虑选材成本和装饰材料的取舍。

二：方案设计及论证

2.1转向轮及轨道设计

设计主体思路： 利用转向轮中心轴偏转，实现小车转向。

本方案中将分校内比赛方案和后期参考放案两种方案，校内方案目标是实现单向偏转，后期参考方案目标是实现近S形路线。

方案一如图1所示（为轴中心部位的半剖视图），前轮的中轴设计，成一个倾斜的角度。使其能够实现自行的绕一圆弧运动。从而实现绕开障碍物运行。方案二将采用平行连杆实现小车的转向。且以方案二为主要设计思路。

前轮具体设计及轨道方案：

方案一：单向偏转设计及其对应的轨道设计。如图3（前轮剖视图）所示。其轨道设计如图2所示：

前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计，并实现自动成型。前轮轮廓图如图4和图5：

各参数要点经计算得出，具体如下：（前轮最大外径初步设为50mm,最大宽度设定为15.625mm）:

轨道参数：

1）.小车宽度要小于200mm；

2）.轨道半径为2500mm；

3）.行驶初始角度（相对赛道偏角）为arctan4/3（约53度）。

前轮参数：（参考图4）

1）.小车外轮最大外径50mm； 最大宽度15.625mm。

2）.图4注释制造经过：①拉伸除料→拉伸深度6.25mm→增加拔模斜度30度。②过渡→半径为1.25mm。③过渡→半径为6.25mm。④打孔→通孔→直径18.75mm。

3）.中轴孔经打孔→ 孔型→小径1.25mm,大径1.5625mm，通孔。（以50mm最大外径，大经比小径宽0.3053mm）。

设计小结：

该方案设计中，小车最大有效位移约为4000mm，可能还有出界的扣分。在初步比赛中，可以先用偏转前轮实现类似的效果，前轮放置如图6所示。前轮的安放转角与上述计算角度一样。

方案二：近S形偏转设计及其轨道设计。轨道设计如图7所示：

前轮设计软件采用CAXA工程制造师设计，并实现自动成型。前轮轮廓图如图4和图5所示

各参数要点经计算得出，具体如下：（前轮最大外径初步设为50mm,最大宽度设定为15.625mm）:

轨道参数：

1）.小车宽度不易过宽，设定为180mm。

2）.每个旋转弧行驶距离为1000mm—1100mm(符合小车宽度)。转弯角度为arctan1/5（约11.3度）。

前轮参数：

1）.小车外轮最大径50mm； 最大宽度15.625mm。

2）.图4制造过程与注释与方案一类同。

3）.中轴实现过程，选择形孔，其外径为2.2mm。

前轮转向的实现方案设计（初步设计）

a.转向距离设定：

本方案设计中小车动力转变将经过发条盒带动大齿轮，再带动安装在小车后轮上的小齿轮实现小车的驱动（详见动力系统设计）。大齿轮设计时，除了提供小车行驶的能量，还将提供改变方向的能量。

如下图8所示，当大齿轮每旋转一周，就改变一次方向，这时初步设定后轮最大外径为60mm.

则后轮每旋转一周行驶距离为：2*3.14159*30=188.4954mm

为实现大齿轮旋转一周至少行驶1000mm的距离，如果定小齿轮旋转的周数为设定为5.3周，则行驶距离为：188.4954*5.3=999.02562mm.

所以可以设定大齿轮与小齿轮的齿数比53:10。

b.转向结构设计：如图8。

采用平行连杆，轮流经过大齿轮的凸起处，从而直接带动前轮的中轴，改变其行驶方向。设计中，将采用前轮中轴平行于平行连杆固定轴。从而实现连杆固定轴转角与前轮转角一致，如图9，设置连杆固定轴宽度为10mm，则大齿轮推动平行连杆的距离仅为1mm，故可以实现，且能减少能量消耗。

设计小结:

该方案设计中，前轮的制造工序简单。前轮的安装与卸载可能比较繁琐，可以考虑将前轮中轴分段制造，以减少安装与卸载的程序。实际制造中，转向的具体参数设计需要实际实验才能最终定论。该方案为本组主要设计方案。

2.2 动力系统设计

设计主体思路：首先利用发条将重力势能转化成弹性势能，再利用发条能较稳定的能量释放特性，经过齿轮转变带动后轮驱动小车

的前进。

理论计算数据：以网上木材—钢间滚动摩擦系数（最大）0.04，小车整体重量为2KG，能量用5J计算可以得到运行最大距离为6250mm，但实际运行中，摩擦系数没有0.04，能量运用率无法达到100%，相互抵消与否需要实验数据说明。

小车动力系统图如下图10所示：

如图10所示，重物经过滑轮，与发条相连接，发条轴与大齿轮中心轴相连，大齿轮带动小齿轮实现后轮的驱动。该过程依能量的转换分为两个阶段，具体如下：

a.势能转化为弹性势能：

首先，释放重物，由于发条处于反向转动，不影响小车静止。当重物下落到接近小车上方由于弹性势能的加大，重物速度将会减慢。此时，借助磁铁的吸引力，将放在底板上的撞针压下，同时固定住重物。撞针的另一端连接发条的固定针，使发条处于瞬间弹性最大值状态。

b.弹性势能转化为小车动能：

当发条固定针将发条固定，此时，发条开始释放弹性势能，同时带动大齿轮转动，再经过小齿轮带动后轮（小齿轮中心套在后轮连杆上）。

各参数如下：

1）.物体下落高度为500mm；

2）.重物能够在无磁铁的情况下恰好接触底板，以保证“不使用其他形式的能量”（“恰好”即速度基本为零，以减少能量的损耗）；

3）.重物接触底板后要保证发条处于恰饱和（最佳状态）或要饱和状态，确保能量的最大转换。

设计小结：

该方案设计中，对发条的要求较高，但可以较平稳的使用法条中的能量，除去了重物下落的摇摆问题，同时可以实现小车的稳定转向。

2.3小车整体及外观设计(初步设计)

小车底板设计：小车底板宽度180mm，总长度300mm，前半部分采用等腰梯形，上底100mm，下底180mm，高100mm，后半部分为矩形设计长为200mm，宽度为180mm。底板厚度3mm。

重物支撑架设计：采用长度为600mm，宽度50mm，厚度为3mm中部为空的塑料板，另外重物支撑架两边用两根长度为300mm的塑料棒支撑。

转向装置设计：转向连杆统一采用直径1mm的硬质铝棒，中轴采用钢棒。转向轮位于小车中轴线上，转向轮轴线与前底板相距30mm。转向轮外径为50mm，最大宽度15.625mm。

后轮驱动设计：后轮外径60mm，宽度为10mm，两轮中轴线离后底板30mm，采用嵌入式放置，小齿轮位于两后轮连线中心处。

外 观 设 计：外观标幅以学校标志为主。注重不同颜色涂漆的结合使用。

载 物 放 置：放与小车中前部，使其同时起到平衡小车的作用。

2.4最终方案

本次方案设计中，分初次比赛用车和后期比赛用车（如果许可，可以直接用后期设计方案），前后用车主要不同处在于前轮转向及轨道设计，与费用不产生太大影响，但是方案二为我组主要设计方案。能量系统设计，以经发条实现二次转换为主，但也有备用方案。备用方案仅做意见保留。

三： 材料及成本分析

3.1小车应用材料种类：

塑料 硬质铝 磁铁 钢柱 细线

3.2小车整体材料种类

本次方案中主要材料种类如下：

小车底板及重物支撑架：塑料为主.

后轮设计：塑料为主（成品设计）。

前轮（前期）：硬质铝。

齿轮：塑料（成品设计）。

重物下落固定物：磁铁。

连杆等：硬质铝。

前后轮中轴：钢。

装饰：塑料为主。

发条：买标准品。

3.3小车整体成本分析（参考网上报价）

塑料板成本：总共约15元

前轮成本：自己制作

后轮成本：标准品两个10元左右

连杆成本：约3元

齿 轮：小齿轮1元 大齿轮2元

发 条：25元左右

撞 针：0.5元

磁 铁：4-5元

滑 轮：1元左右

总共材料成本约为63元（不包含工具等其他费用）。

四：方案总结

本次竞赛命题要求中，以给定的能量设计三轮小车带动给定负载进行避物运行。本方案设计中，分为前轮转向，动力设计，成本分析三大部分展开设计。

前轮转向设计过程中，首先考虑到的是单向偏转的实现，但与理论最小运行值有较大差距，故考虑转向运行。其中，平行连杆的设计，从理论上可以实现交替转向。但前轮的支撑力如果较大，可能会导致能量的消耗，这也是实际要考虑到的问题。且对整个平行连杆的制作精度要求比较高。

动力系统的设计中，采用的是能量的二次利用，要求第一次能量的转换率要高，故对发条的要求较高。该设计中，将会消除重物下落的摇摆问题，同时利用撞针设计，启动小车行驶。

成本分析中，没有考虑制作工具的相关成本，如果可以实现底板的一次成型，将会减少工序，增大精度要求。同时其费用也将加大。综合成本，暂且不能确定。

该方案中，没有就小车的整体外观设计给出具体设计，将在小车轮廓设计完毕后进行整体外观设计（暂时无法用三维制作软件做出整体构架）。