无碳小车设计说明书（一等奖作品）1

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其次届全国大学生工程训练综合能力

竞赛

无碳小车设计说明书

参赛者:王金卫

指导老师：刘佳兆陈丰峰

2023-1-16

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摘要

其次届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车〞。在设计小车过程中特别重视设计的方法，力求通过对命题的分析得到明了开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计。

我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。

方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计.使其每个零件或结构件具有平衡性已达到减小摩擦.提高校车整体平衡的目的。分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用四连杆机构、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺杆。其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承.圆锥滚子轴承。

技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。进而得出了小车的具体参数，和运动规律。接着应用PROE软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。

小车大多的零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特别加工外，大多数都可以通过手工加工出来。对于塑料会采用自制的‘电锯’切割。由于小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。

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调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。

关键字：无碳小车参数化设计软件辅助设计微调机构灵敏度分析

目录

摘要2一绪论5

1.1本届竞赛命题主题51.2小车功能设计要求51.3小车整体设计要求61.4小车的设计方法6二方案设计7

2.1车架102.2原动机构102.3传动机构112.4转向机构122.5行走机构142.6微调机构15三技术设计16

3.1建立数学模型及参数确定17

3.1.1能耗规律模型173.1.2运动学分析模型193.1.3动力学分析模型243.1.4灵敏度分析模型26

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3.1.5参数确定273.2零部件设计283.3整体设计30

3.3.1整体装配图303.3.2小车运动仿真分析31

四小车制作调试及改进32

4.1小车制作流程32详见工艺分析方案报告324.2小车调试方法324.3小车改进方法32五评价分析33

5.1小车优缺点335.2自动行走比赛时的前行距离估计335.3改进方向33六

图五

由于理论分析与实际状况有差距，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。

三技术设计

技术设计阶段的目标是完成详细设计确定个零部件的的尺寸。设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。

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3.1建立数学模型及参数确定

通过对小车建立数学模型，可以实现小车的参数化设计和优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。充分发挥计算机在辅助设计中的作用。

3.1.1能耗规律模型

为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为

1??，即小车能量的传递效率为?。小车轮与地面的摩阻系数为?，理想状况

下认为重块的重力势能都用在小车战胜阻力前进上。则有

?Ni*???Risi??mgh?i?1?3?N?mg?i总??i?1Ni为第i个轮子对地面的压力。Ri为第i个轮子的半径。Si为第i个轮子行走的距离

3m总为小车总质量

为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量、4.小车能量转换效率。四方面考虑。

通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。下图为当车轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图（图六）

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有上图六可知滚动摩阻系数对小车的运动影响十分显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。

同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。

图七为当摩阻系数为0.5mm，车轮半径依次增加10mm时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图

图六

图七

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由图可知当小车的半径每增加1cm小车便可多前进1m到2m。因此在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。

3.1.2运动学分析模型符号说明：驱动轮半径齿轮传动比

驱动轮A与转向轮横向偏距驱动轮B与转向轮横向偏距驱动轴（轴2）与转向轮中心距离曲柄轴（轴1）与转向轮中心距离曲柄的旋转半径

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