无碳小车报告

悬吊无碳小车制作

一、设计说明书

1、竞赛设计要求;

小车结构示意图

1.驱动力：重力势能，1kg（Q235， Φ50mm*65mm ），落差高500mm； 不准使用任何其它的能量形式 2.车结构：三轮，1轮导向，2轮驱动； 3.转向轮：最大外径≥Φ30mm；

4.配载荷：不小于400g、外型Φ60mm*20mm；

小车其它具体结构和材料选用不作要求。 示意图：

5、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。

2、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90mm，总长度180mm，底板厚度3mm。

重物支撑架设计：采用长度为600mm，直径为12mm，外壁为3mm中部为空的钓鱼杆。

头上固定了一个两边对称的滑轮，滑轮直径24mm。支撑架装在后轮轴中心线处（架在轴上边与地板连接）

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

小车中轴延长线下方，转向轮轴线与前底板相距30mm。转向轮外径为35mm，最大宽度10mm。

后轮驱动设计：后轮外径60mm，宽度为10mm，两轮中轴线离后底板40mm，采用嵌入

式放置。齿轮组位于两后轮连线中心处。

齿轮组设计： 采用两级传动，z1=z3=44,z2=z4=20,传动比i1=i2=5:11.齿轮组先组

合好，然后安装在车轮轴后方，安装时与车轮轴上的小齿轮啮合。

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。

3、设计与计算

（1）整车构架机构运动简图;

：

车头前视图

（

1

）前轮转向机构转向原理与设计:

采用涡轮蜗杆联接，把竖直方向的转动转换成水平方向的转动，再通过四杆机构，通过转角，算出极限位置进而实现了前轮的转动。 特点：

1、转向机构与前轮轴相连，转向采用涡轮蜗 杆的传动的结构。

2、四杆机构使得小车的转向轮周期性的摆动 3、转动机构，使小车行驶一段距离时，转向

车头上视图（曲柄摇杆机构） 轮摆动一角度，使得其曲线为s型。

4、确定连杆在转盘原有位置，尽量减小转向 轮的摆动角度，从而使小车行走的实际距 离小。

（2）四杆机构的计算

相关计算公式: AB=a

BC=b CD=c AD=d

△ 由图可以推出 AC1=b-a,AC2=b+a,C1C2=2a

(ba)2d2c2

① △ ADC1中有余弦定理的cos

2(ab)d

ADE中由余弦定理得 AEb

cos②

ADd

有①②得(ba)2d2cb 

2(ba)dd

即c(ba)2d22b22a b③

C1D中E

C1Eaa

si2arcs④2C1Dcc

2

ab

ac

a为最短杆

ad

条件d为最大杆⑤ 此无极回四杆机构约束

杆长条件bdcd

adbc

利用C语言编程求解c和值，已知a,b,c范围，利用⑤③④编程求解

（3）四杆机构无急回夹角的C语言编程：

#include

#include void main() {

double c,q1,q2,p1,q,p,b,d,a; d=34;

for(a=1;ad)

c=sqrt((b-a)*(b-a)+d*d-2*b*b+2*a*b); if((c>(a+b-d)||c>(a+d-b))&&c>a) {

p=2*asin(a/c);

printf(

printf(

虚拟样机模拟仿真：最终择最佳方案（）

（4）重力势能转换成动能原理与设计：

转换为

原理：绳拉力为动力。将物块下落的势能尽可能多的小车的动能，进而克服阻 力做功。

（5）车轮受力分析与计算

克服运行阻力分析计算：

车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力 惯性阻力（N）=P0 × a (小车启动加速度)

静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流 阻力等 基本阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；w 运 行阻力系数，实验得出经验数据，约0.01。 F0 ＞ P0 (a+ g w )

地面对小车摩擦阻力Ff ， Ff = P0 g × f（摩擦系数） 不打滑条件 F0 ＜ Ff = P0 g × f 小车质量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0 小车驱动力矩M=等效力偶F0×D/ 2 （小车驱动力）F0=2M/D 做功分析——

设：S为小车行走距离，mm，η为小车总效率， F0 × S =G× 500mm× η 则： S =G× 500mm× η / F0

前面防滑计算得出：F0 ＜ Ff = P0 g × f 可见：

为了增大小车行走距离， 为了避免能量损失不打滑，

在保证能够驱动小车行走的前提下， F0 越小越好。

（6）绕线轮及加速部分分析

（7）传递机构受力分析

M1=M0 M1:M2=D1:D2 M2=M3 M3:M4=D3:D4 M4=M

传动比i=D2×D4/(D1×D3)

由以上可以的 M= i×G0× Φ / 2

M0由重物G获取 拉力F=G M0= G0× Φ / 2

4 、三维图：

二、工程管理方案

1、工作任务分配

初期设计：负责驱动装置的受力分析、运动分析及该部分的尺寸设计

负责转向机构的结构设计、运动分析及这一部分的尺寸设计 负责无碳小车的总体分析、总体结构改进

中期制作：我们一起在机械大院制作小车。小车做完后一起对小车调试及分析，

分析小车存在的问题和如何改进。之后再对小车作进一步改进及制作，反复调试。

后期工作：负责无碳小车装配图 负责无碳小车报告

2、进度计划

10月11日 设计方案，备选各种方案 最终选择四杆机构和等宽凸轮 10月17日-10月25日 设计方案并计算相关数据购买材料并制作第一辆小车 10月27日-11月5日 设计方案，备选各种方案 最终选择四杆机构和等宽凸轮购买材料并制作第二辆小车

11月5日-11月10日 进行试验，并改进方案 11月10日-11月20日 制作第三辆小车进行试验 11月20日-11月25日 改进方案

11月25日- 优化试验小车方案，并采用性能最好的方案

3、质量控制及问题分析

轴承装配：在制作时，轴承需要过盈配合。但是我们用的是PCB板作为轴承的支

撑部分，PCB板容易磨损。开始轴承和支座是过盈配合，过一段时间后，支座的孔会慢慢变大，轴承容易跑出来，影响轴的转动。发现问题后，我们为了不让轴承从孔里掉出来，在支座的两边加挡板把轴承的外圈挡住，这样就把问题解决了。

四杆机构： 我问开始没有注意到曲柄摇杆机构极回特性对小车左右转向不一样的

影响。在小车测试时，小车向一边转得快，向另一边转的慢，导致小车最后会偏向一边，达不到预期的效果。发现问题后，我开始想可以减小极位夹角来减小这种现象，但是还是不能消除这种现象。后来请教老师，老师说可以设计一种没有极位夹角的曲柄摇杆机构。于是我们又重新设计，最终解决了这个问题。

车头稳定性：开始我们做出来的车，车头很是不稳定，左右有点晃动。虽说只是

一点晃动，但对车的转向来说影响很大即转向不稳定性。之前，我们是用铝合金做的车头部分，铝合金容易变形，还有车太大也导致了车头不稳。之后我们把铝合金改为PCB板（不易变形），稳定性改进了不少。

车身稳定性：车身稳定性与车的整体构造及整个车的重心关系很大。之前我们作

的车太大，重心也没有设计好，导致车走着走着就左右晃来晃去。若重物再没有 挂好，就翻车了。之后为了转向灵活我们把车的整体尺寸改小了，这对车 声的稳定性来说更是雪上加霜。所以我们必须慎重的考虑这个问题。有时 我们把车的整体布局又改动了。设法把下落重物的的重心与驱动轮的轴线在一竖直平面里，再加上放在前边的配重，可以把整个车的重心集中在车中间稍偏后的位置上。按这个设计，车身稳定性好多了。

驱动轮： 轮的摩擦对车的运动性影响很大，特别是对车的最大行走距离影响。

本身我们设计的车可以走很远的，由于之前用的是飞思卡尔的车轮摩擦很大，我们的车最多只能走八米。为了知道是不是这方面原因，我们把车外面一层橡胶劈去掉了，之后车的确跑的远多了，但是还是不够远。后来想想，估计是驱动轮不够大，于是我们在不太影响其他性能上增大了后轮的直径。之后车跑的还可以。

三、加工工艺方案

1. 方案设计

转向轮、驱动轮和绕线轮采用机械加工以外，其他的都是采用钳工和手工打造。 设计图纸如下： 绕 线 轮

转 向 轮

后 轮

2. 转向轮、驱动轮和绕线轮工序：

转向轮： 工序在后边转向轮的制作中有说明

驱动轮： 车端面车外圆φ80长车圆角钻中

心孔φ切另一端面

绕线轮： 车端面 车外圆φ24长车坡度为35度的锥圆体

车外圆φ15长钻中心孔φ4

切另一端面

3.定位与装夹

装夹方法是采用三爪卡盘

装车刀时必须先紧固刀架手柄，再夹紧刀具

4.机床与刀具

车床 刀具：车外圆的成型刀，端面车刀 ，端面切刀 ， 钻头

四、成本分析方案

齿轮 7个塑料齿轮 7×0.5＝3.5元

蜗杆 1个塑料蜗杆 1×0.5＝0.5元

滑轮 3个塑料滑轮 3×0.5＝1.5元

轴承 8个内径为φ2的轴承、6个内径为φ8的轴承 14×1＝14元 驱动轮 2个飞思卡尔的驱动轮 2×15＝30元

φ2轴 4根长10cm的轴 4×0.5＝2元

φ8轴 1根长20cm的轴 1×1＝1元

PCB板 1块3量两重的PCB板 3×1.5＝6元

鱼竿 1根长60cm的鱼竿 1×6＝6元

直角铝合金 1根30cm的直角铝合金 1×3＝3元

螺栓、螺母、铜柱、φ3.5的丝杆 5元

φ35长为20cm的铝合金棒料 2元

转向轮的加工费 25元

车的其他部分的加工采用手工（组员自己加工）

材料及加工费

共计96元

五、徽标设计制作

暂无

六、转向轮的制作

1.加工方法

采用机械加工中的车削加工和钻削加工

2.工序和工步内容

φ35的涤纶棒料车外圆

φ33长10

外圆滚花钻中心孔φ2长10

切另一端面

3.定位与装夹

装夹方法是采用三爪卡盘

装车刀时必须先紧固刀架手柄，再夹紧刀具

4.机床与刀具

车床 刀具：车外圆的成型刀，端面车刀 ，端面切刀 ， 钻头

5. 切削用量

车削 φ35的涤纶棒车端面

车外圆φ33长10mm

切端面

悬吊无碳小车制作

一、设计说明书

1、竞赛设计要求;

小车结构示意图

1.驱动力：重力势能，1kg（Q235， Φ50mm*65mm ），落差高500mm； 不准使用任何其它的能量形式 2.车结构：三轮，1轮导向，2轮驱动； 3.转向轮：最大外径≥Φ30mm；

4.配载荷：不小于400g、外型Φ60mm*20mm；

小车其它具体结构和材料选用不作要求。 示意图：

5、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。

2、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90mm，总长度180mm，底板厚度3mm。

重物支撑架设计：采用长度为600mm，直径为12mm，外壁为3mm中部为空的钓鱼杆。

头上固定了一个两边对称的滑轮，滑轮直径24mm。支撑架装在后轮轴中心线处（架在轴上边与地板连接）

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

小车中轴延长线下方，转向轮轴线与前底板相距30mm。转向轮外径为35mm，最大宽度10mm。

后轮驱动设计：后轮外径60mm，宽度为10mm，两轮中轴线离后底板40mm，采用嵌入

式放置。齿轮组位于两后轮连线中心处。

齿轮组设计： 采用两级传动，z1=z3=44,z2=z4=20,传动比i1=i2=5:11.齿轮组先组

合好，然后安装在车轮轴后方，安装时与车轮轴上的小齿轮啮合。

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。

3、设计与计算

（1）整车构架机构运动简图;

：

车头前视图

（

1

）前轮转向机构转向原理与设计:

采用涡轮蜗杆联接，把竖直方向的转动转换成水平方向的转动，再通过四杆机构，通过转角，算出极限位置进而实现了前轮的转动。 特点：

1、转向机构与前轮轴相连，转向采用涡轮蜗 杆的传动的结构。

2、四杆机构使得小车的转向轮周期性的摆动 3、转动机构，使小车行驶一段距离时，转向

车头上视图（曲柄摇杆机构） 轮摆动一角度，使得其曲线为s型。

4、确定连杆在转盘原有位置，尽量减小转向 轮的摆动角度，从而使小车行走的实际距 离小。

（2）四杆机构的计算

相关计算公式: AB=a

BC=b CD=c AD=d

△ 由图可以推出 AC1=b-a,AC2=b+a,C1C2=2a

(ba)2d2c2

① △ ADC1中有余弦定理的cos

2(ab)d

ADE中由余弦定理得 AEb

cos②

ADd

有①②得(ba)2d2cb 

2(ba)dd

即c(ba)2d22b22a b③

C1D中E

C1Eaa

si2arcs④2C1Dcc

2

ab

ac

a为最短杆

ad

条件d为最大杆⑤ 此无极回四杆机构约束

杆长条件bdcd

adbc

利用C语言编程求解c和值，已知a,b,c范围，利用⑤③④编程求解

（3）四杆机构无急回夹角的C语言编程：

#include

#include void main() {

double c,q1,q2,p1,q,p,b,d,a; d=34;

for(a=1;ad)

c=sqrt((b-a)*(b-a)+d*d-2*b*b+2*a*b); if((c>(a+b-d)||c>(a+d-b))&&c>a) {

p=2*asin(a/c);

printf(

printf(

虚拟样机模拟仿真：最终择最佳方案（）

（4）重力势能转换成动能原理与设计：

转换为

原理：绳拉力为动力。将物块下落的势能尽可能多的小车的动能，进而克服阻 力做功。

（5）车轮受力分析与计算

克服运行阻力分析计算：

车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力 惯性阻力（N）=P0 × a (小车启动加速度)

静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流 阻力等 基本阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；w 运 行阻力系数，实验得出经验数据，约0.01。 F0 ＞ P0 (a+ g w )

地面对小车摩擦阻力Ff ， Ff = P0 g × f（摩擦系数） 不打滑条件 F0 ＜ Ff = P0 g × f 小车质量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0 小车驱动力矩M=等效力偶F0×D/ 2 （小车驱动力）F0=2M/D 做功分析——

设：S为小车行走距离，mm，η为小车总效率， F0 × S =G× 500mm× η 则： S =G× 500mm× η / F0

前面防滑计算得出：F0 ＜ Ff = P0 g × f 可见：

为了增大小车行走距离， 为了避免能量损失不打滑，

在保证能够驱动小车行走的前提下， F0 越小越好。

（6）绕线轮及加速部分分析

（7）传递机构受力分析

M1=M0 M1:M2=D1:D2 M2=M3 M3:M4=D3:D4 M4=M

传动比i=D2×D4/(D1×D3)

由以上可以的 M= i×G0× Φ / 2

M0由重物G获取 拉力F=G M0= G0× Φ / 2

4 、三维图：

二、工程管理方案

1、工作任务分配

初期设计：负责驱动装置的受力分析、运动分析及该部分的尺寸设计

负责转向机构的结构设计、运动分析及这一部分的尺寸设计 负责无碳小车的总体分析、总体结构改进

中期制作：我们一起在机械大院制作小车。小车做完后一起对小车调试及分析，

分析小车存在的问题和如何改进。之后再对小车作进一步改进及制作，反复调试。

后期工作：负责无碳小车装配图 负责无碳小车报告

2、进度计划

10月11日 设计方案，备选各种方案 最终选择四杆机构和等宽凸轮 10月17日-10月25日 设计方案并计算相关数据购买材料并制作第一辆小车 10月27日-11月5日 设计方案，备选各种方案 最终选择四杆机构和等宽凸轮购买材料并制作第二辆小车

11月5日-11月10日 进行试验，并改进方案 11月10日-11月20日 制作第三辆小车进行试验 11月20日-11月25日 改进方案

11月25日- 优化试验小车方案，并采用性能最好的方案

3、质量控制及问题分析

轴承装配：在制作时，轴承需要过盈配合。但是我们用的是PCB板作为轴承的支

撑部分，PCB板容易磨损。开始轴承和支座是过盈配合，过一段时间后，支座的孔会慢慢变大，轴承容易跑出来，影响轴的转动。发现问题后，我们为了不让轴承从孔里掉出来，在支座的两边加挡板把轴承的外圈挡住，这样就把问题解决了。

四杆机构： 我问开始没有注意到曲柄摇杆机构极回特性对小车左右转向不一样的

影响。在小车测试时，小车向一边转得快，向另一边转的慢，导致小车最后会偏向一边，达不到预期的效果。发现问题后，我开始想可以减小极位夹角来减小这种现象，但是还是不能消除这种现象。后来请教老师，老师说可以设计一种没有极位夹角的曲柄摇杆机构。于是我们又重新设计，最终解决了这个问题。

车头稳定性：开始我们做出来的车，车头很是不稳定，左右有点晃动。虽说只是

一点晃动，但对车的转向来说影响很大即转向不稳定性。之前，我们是用铝合金做的车头部分，铝合金容易变形，还有车太大也导致了车头不稳。之后我们把铝合金改为PCB板（不易变形），稳定性改进了不少。

车身稳定性：车身稳定性与车的整体构造及整个车的重心关系很大。之前我们作

的车太大，重心也没有设计好，导致车走着走着就左右晃来晃去。若重物再没有 挂好，就翻车了。之后为了转向灵活我们把车的整体尺寸改小了，这对车 声的稳定性来说更是雪上加霜。所以我们必须慎重的考虑这个问题。有时 我们把车的整体布局又改动了。设法把下落重物的的重心与驱动轮的轴线在一竖直平面里，再加上放在前边的配重，可以把整个车的重心集中在车中间稍偏后的位置上。按这个设计，车身稳定性好多了。

驱动轮： 轮的摩擦对车的运动性影响很大，特别是对车的最大行走距离影响。

本身我们设计的车可以走很远的，由于之前用的是飞思卡尔的车轮摩擦很大，我们的车最多只能走八米。为了知道是不是这方面原因，我们把车外面一层橡胶劈去掉了，之后车的确跑的远多了，但是还是不够远。后来想想，估计是驱动轮不够大，于是我们在不太影响其他性能上增大了后轮的直径。之后车跑的还可以。

三、加工工艺方案

1. 方案设计

转向轮、驱动轮和绕线轮采用机械加工以外，其他的都是采用钳工和手工打造。 设计图纸如下： 绕 线 轮

转 向 轮

后 轮

2. 转向轮、驱动轮和绕线轮工序：

转向轮： 工序在后边转向轮的制作中有说明

驱动轮： 车端面车外圆φ80长车圆角钻中

心孔φ切另一端面

绕线轮： 车端面 车外圆φ24长车坡度为35度的锥圆体

车外圆φ15长钻中心孔φ4

切另一端面

3.定位与装夹

装夹方法是采用三爪卡盘

装车刀时必须先紧固刀架手柄，再夹紧刀具

4.机床与刀具

车床 刀具：车外圆的成型刀，端面车刀 ，端面切刀 ， 钻头

四、成本分析方案

齿轮 7个塑料齿轮 7×0.5＝3.5元

蜗杆 1个塑料蜗杆 1×0.5＝0.5元

滑轮 3个塑料滑轮 3×0.5＝1.5元

轴承 8个内径为φ2的轴承、6个内径为φ8的轴承 14×1＝14元 驱动轮 2个飞思卡尔的驱动轮 2×15＝30元

φ2轴 4根长10cm的轴 4×0.5＝2元

φ8轴 1根长20cm的轴 1×1＝1元

PCB板 1块3量两重的PCB板 3×1.5＝6元

鱼竿 1根长60cm的鱼竿 1×6＝6元

直角铝合金 1根30cm的直角铝合金 1×3＝3元

螺栓、螺母、铜柱、φ3.5的丝杆 5元

φ35长为20cm的铝合金棒料 2元

转向轮的加工费 25元

车的其他部分的加工采用手工（组员自己加工）

材料及加工费

共计96元

五、徽标设计制作

暂无

六、转向轮的制作

1.加工方法

采用机械加工中的车削加工和钻削加工

2.工序和工步内容

φ35的涤纶棒料车外圆

φ33长10

外圆滚花钻中心孔φ2长10

切另一端面

3.定位与装夹

装夹方法是采用三爪卡盘

装车刀时必须先紧固刀架手柄，再夹紧刀具

4.机床与刀具

车床 刀具：车外圆的成型刀，端面车刀 ，端面切刀 ， 钻头

5. 切削用量

车削 φ35的涤纶棒车端面

车外圆φ33长10mm

切端面