调距无碳小车的设计
调距无碳小车的设计
无碳小车以"S"形轨迹绕桩运行,轨迹曲线的平滑度和形状直接决定了小车的稳定性和绕桩数量。通过建立数学模型,对无碳小车的运动过程进行分析,对模型中各参数进行不断地调整,最终获得了具体的分析结果和直观的轨迹函数图像,从而确定了影响小车运行轨迹的各参数最优值。为无碳小车的调试和优化奠定了基础。用SOLIDWORKS绘制出优越的无碳小车三维图，并根据三维模型生成规范的工程图，在设计阶段借鉴和吸收其他高校在设计和制作小车的新思维、新概念，并成功设计出比较合理的构造，使其尽可能的运行的距离远，躲避障碍物的成功率高。
关键词 无碳小车，模拟轨迹，三维图，优化设计
1 引言 1
1.1 本课题所研究的主要内容 1
2 无碳小车的主体结构组成 2
3 前轮系统 3
3.1 前轮结构 4
3.2 前轮固定结构 6
3.3 微调结构 6
3.4 曲柄结构 8
4 后轮系统 9
4.1 车体 9
4.2 阶梯绳轮结构 10
4.3 行走结构与传动装置 12
5 轨迹模拟 14
5.1 轨迹分析 14
5.2 轨迹模拟示例 18
5.3 模拟结果 19
6 微调结构模拟 20
7 结构尺寸计算与修正 21
8 安装调试22
9 小车初始位置22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 引言
全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，为深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动，其竞赛方针是基于理论、注重创新，突出能力，强化实践。
本课题来源于第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题。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驱动小车行走的装置，该小车前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1±0.1米放置一个直径20mm的弹性障碍园棒），以小车前行距离的远近以及避开障碍的多少评定成绩。
从近几年的比赛结果，无论是从运行距离还是绕过障碍物数目上，无碳小车都有了长足的发展。很难想象一个重1kg的重物，下降400cm所带来的重力势能可以使一辆小车平稳的绕过障碍物并前进30米、40米，甚至更远。
目前,关于无碳小车的设计方案已经有了很多,性能差距参差不齐。但总体思路比较统一，就是把无碳小车的设计分为以下六个模块，分别是车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构，微调机构。其中，最主要的是传动机构和转向机构的设计。一辆高性能的无碳小车就是要把各部分都合理化，整体最优化。
为了把我的设计尽可能的靠近最优设计，我把设计分为3个阶段：整体设计、尺寸设计、制作调试。
整体设计阶段根据无碳小车的要求，分别针对车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构，微调机构进行多方案设计，选出最优组合方案，我的方案为：车体采用T型结构，原动机构采用阶梯绳轮结构，传动机构采用绳轮传动，转向机构采用曲柄摆杆机构，行走结构采用单轮驱动，微调结构采用微调螺钉形变调节。
尺寸设计阶段先对方案建立数学模型进行理论分析，借助三角函数、微积分等各种数学模型对无碳小车进行轨迹仿真、传动比分配，微调结构分析，确定各零部件的尺寸大小。
制作调试阶段：无碳小车大多数零件都是标准件，可以通过购买获得，除了个别难以制作零件需要外协加工以外，其他零件通过普通机床就可获得。测试阶段可通过微调实验出最合理的轨迹，达到最优状态。
1．1 本课题所研究的主要内容
本课题将根据竞赛要求用SOLIDWORKS绘制出优越的无碳小车三维图并根据三维模型生成规范的工程图，在设计阶段努力借鉴和吸收其他高校的新思维、新概念，去除冗杂结构以及不合理构造，尽可能的运行的距离远，躲避障碍物的成功率高。
2 无碳小车的主体结构组成
本课题把无碳小车分成六个模块分别设计，分别是车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构，微调机构。
车架选用T结构，选用铝材，质量轻，结构稳定。原动机构用阶梯绳轮原动机构。传动机构直接由动力轴驱动轮子和转向机构。转向机构选用曲柄摇杆机构。行走机构选用单轮驱动。微调机构选用螺钉调节。
调距无碳小车的运动原理是：
通过上支架上的两个定滑轮，重物与小车尾部的阶梯绳轮细端相连，在重物自然下降的过程中，阶梯绳轮按顺时针进行旋转，由于阶梯绳轮粗端与后轮轴相连，所以可带动后轮轴逆时针旋转，使小车前进。
如下图2-1所示
图2-1 整体三维图(1)
后轴带动驱动轮、后轮轴上的绳轮一起转动，在行走时两个绳轮一个放绳，一个收绳从而使细绳始终处于张紧状态(细绳采用直径0.165mm的钓鱼线)，带动曲柄绳轮转动，曲柄绳轮上的导杆拨销带动导杆摆动，导杆带动前轮架、前轮摆动从而使小车转向。步距的调整通过调节曲柄绳轮上导杆拨销距曲柄圆心的距离。
如下图2-1所示
图2-2 整体三维图(2)
3 前轮系统
前轮系统主要包含转向机构和微调机构。主要由前轮结构、前轮固定结构和微调结构、曲柄绳轮结构组成。如下图3-1所示
图3-1前轮系统
1-前轮结构 2-前轮固定结构 3-微调结构 4-曲柄结构
3．1 前轮结构
前轮结构由前叉，前轮轴，前轮以及轮内轴承，垫片，螺母组成。
无碳小车以"S"形轨迹绕桩运行,轨迹曲线的平滑度和形状直接决定了小车的稳定性和绕桩数量。通过建立数学模型,对无碳小车的运动过程进行分析,对模型中各参数进行不断地调整,最终获得了具体的分析结果和直观的轨迹函数图像,从而确定了影响小车运行轨迹的各参数最优值。为无碳小车的调试和优化奠定了基础。用SOLIDWORKS绘制出优越的无碳小车三维图，并根据三维模型生成规范的工程图，在设计阶段借鉴和吸收其他高校在设计和制作小车的新思维、新概念，并成功设计出比较合理的构造，使其尽可能的运行的距离远，躲避障碍物的成功率高。
关键词 无碳小车，模拟轨迹，三维图，优化设计
1 引言 1
1.1 本课题所研究的主要内容 1
2 无碳小车的主体结构组成 2
3 前轮系统 3
3.1 前轮结构 4
3.2 前轮固定结构 6
3.3 微调结构 6
3.4 曲柄结构 8
4 后轮系统 9
4.1 车体 9
4.2 阶梯绳轮结构 10
4.3 行走结构与传动装置 12
5 轨迹模拟 14
5.1 轨迹分析 14
5.2 轨迹模拟示例 18
5.3 模拟结果 19
6 微调结构模拟 20
7 结构尺寸计算与修正 21
8 安装调试22
9 小车初始位置22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 引言
全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，为深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动，其竞赛方针是基于理论、注重创新，突出能力，强化实践。
本课题来源于第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题。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驱动小车行走的装置，该小车前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1±0.1米放置一个直径20mm的弹性障碍园棒），以小车前行距离的远近以及避开障碍的多少评定成绩。
从近几年的比赛结果，无论是从运行距离还是绕过障碍物数目上，无碳小车都有了长足的发展。很难想象一个重1kg的重物，下降400cm所带来的重力势能可以使一辆小车平稳的绕过障碍物并前进30米、40米，甚至更远。
目前,关于无碳小车的设计方案已经有了很多,性能差距参差不齐。但总体思路比较统一，就是把无碳小车的设计分为以下六个模块，分别是车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构，微调机构。其中，最主要的是传动机构和转向机构的设计。一辆高性能的无碳小车就是要把各部分都合理化，整体最优化。
为了把我的设计尽可能的靠近最优设计，我把设计分为3个阶段：整体设计、尺寸设计、制作调试。
整体设计阶段根据无碳小车的要求，分别针对车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构，微调机构进行多方案设计，选出最优组合方案，我的方案为：车体采用T型结构，原动机构采用阶梯绳轮结构，传动机构采用绳轮传动，转向机构采用曲柄摆杆机构，行走结构采用单轮驱动，微调结构采用微调螺钉形变调节。
尺寸设计阶段先对方案建立数学模型进行理论分析，借助三角函数、微积分等各种数学模型对无碳小车进行轨迹仿真、传动比分配，微调结构分析，确定各零部件的尺寸大小。
制作调试阶段：无碳小车大多数零件都是标准件，可以通过购买获得，除了个别难以制作零件需要外协加工以外，其他零件通过普通机床就可获得。测试阶段可通过微调实验出最合理的轨迹，达到最优状态。
1．1 本课题所研究的主要内容
本课题将根据竞赛要求用SOLIDWORKS绘制出优越的无碳小车三维图并根据三维模型生成规范的工程图，在设计阶段努力借鉴和吸收其他高校的新思维、新概念，去除冗杂结构以及不合理构造，尽可能的运行的距离远，躲避障碍物的成功率高。
2 无碳小车的主体结构组成
本课题把无碳小车分成六个模块分别设计，分别是车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构，微调机构。
车架选用T结构，选用铝材，质量轻，结构稳定。原动机构用阶梯绳轮原动机构。传动机构直接由动力轴驱动轮子和转向机构。转向机构选用曲柄摇杆机构。行走机构选用单轮驱动。微调机构选用螺钉调节。
调距无碳小车的运动原理是：
通过上支架上的两个定滑轮，重物与小车尾部的阶梯绳轮细端相连，在重物自然下降的过程中，阶梯绳轮按顺时针进行旋转，由于阶梯绳轮粗端与后轮轴相连，所以可带动后轮轴逆时针旋转，使小车前进。
如下图2-1所示
图2-1 整体三维图(1)
后轴带动驱动轮、后轮轴上的绳轮一起转动，在行走时两个绳轮一个放绳，一个收绳从而使细绳始终处于张紧状态(细绳采用直径0.165mm的钓鱼线)，带动曲柄绳轮转动，曲柄绳轮上的导杆拨销带动导杆摆动，导杆带动前轮架、前轮摆动从而使小车转向。步距的调整通过调节曲柄绳轮上导杆拨销距曲柄圆心的距离。
如下图2-1所示
图2-2 整体三维图(2)
3 前轮系统
前轮系统主要包含转向机构和微调机构。主要由前轮结构、前轮固定结构和微调结构、曲柄绳轮结构组成。如下图3-1所示
图3-1前轮系统
1-前轮结构 2-前轮固定结构 3-微调结构 4-曲柄结构
3．1 前轮结构
前轮结构由前叉，前轮轴，前轮以及轮内轴承，垫片，螺母组成。
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