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制作：朱保成路壮壮“8”字越障无碳小车（长1525mm、宽1370mm）上，绕相距300mm距离的

两个障碍沿8字形轨迹绕行，绕行时不得撞倒障碍物，不可以掉下球台。给定重力势能为4焦耳

●

小车在半张标准乒乓球台（取g=10m/s2），用质量为1kg的重块铅垂下降获得，落差400±2mm，重块下落后，重物须被小车承载，并同小车一起运动，不允许掉落。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。该自行小车在前行时能够i自动避开赛道上设置的障碍物（每隔一米，放置一个直径20mm、

高200mm的弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。根据小车的功能要求和机器的构成（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。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：车架采用矩形和三角形底板式、原动机构采用圆轴、传动机构采用齿轮机构、转向机构采用曲柄摇杆机构、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用滑块式。轨迹

在设计理想情况下，小车在转弯过程中为一个直径500mm的圆，当轮子转过2.5圈时，小车转过8字的1/2，此时小车的前轮需要变向一次。也就是说在图示中，从E点到D点完成一次转向，在D点到B点的过程中，前车轮的的偏转角度理论上是不发生变化的。这样小车在后轮差速的状态下，转过的轨迹为一个圆，到达B点之后，小车的前车轮在偏心轮的作用下，会慢慢的回复到直行状态，理想状态下到达E点时，恰好到达直行状态。

之后小车向相反的方向发生偏转，完成剩余的路程。其实在

AE,ED,BE,EC段并不是一条直线，而是一段曲线。1,车身底板

小车底板承受力不大，加工精度要求较低，形状采用三角形与矩形的结合体，底板厚度应适中，在满足装配和稳定性条件的前提下，不需要部分可以去掉，节约材料，减轻车身重量。小车底板厚度为5毫米。材料选用有机塑料板。因为小车所受载荷比较小，为了减轻小车的质量，可以选用透明的有机塑料作为小车的底板材料。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。

能够实现这一功能的方案很多，

就效率和简洁性来看绳轮方案最

优。而且还有其他的具体的要求：

1，驱动力适中，这儿驱动力已

定；2，重块在下落过程速度要

适中，以免小车的速度过快，而

且让重力势能能够尽可能的转化

为小车的动能；3，机构尽量简

单，但是也要满足基本的功能，

加工工艺性要好，节约成本。支架竖直杆的材料选用易加工，质地较软的铝材作为其材料，两端加工有台阶面，达到安装的目的。同时，支架座（竖直杆上面用于安装滑轮）厚度为5mm，

材料选为有机塑料板。滑轮滑轮安装在支架座上通过轴承座架起的轴上。绳子绕在滑轮槽中，重锤在下落过程中带动滑轮的转动，减小摩擦力，减少能量损失。绕线盘

绕线盘如果过细会导致小车的扭矩不足，不能够起步。在起步之后，小车在后来的速度可能会过快，影响其前进的平稳性，甚至导致小车的侧翻。但是如果绕线盘过粗，不仅会导致加速度过大，还会使绕线的圈数减少，缩短小车的行走距离。所以决定采用锥形绕线盘，不仅可以解决小车起步难的问题，还可以充分利用势能，并且在上面车出光滑螺纹形状的导线槽，最后还可以充分利用小车运动所积累的惯性。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。要使小车按设计的路线精确而且行驶的较远的话，传动机构必须满足传动比的要求，而且传动效率要高，传动稳定，结构简单，工艺性好等性能特点。行走传动齿轮大齿轮分度圆直径：d1=m*z=1*60=60mm齿顶高：ha=ha**m=1*1=1mm齿根高：hf=（ha*+c*）*m=1.25mm齿全高：h=ha+hf=2.25mm小齿轮分度圆直径：d2=m*z=1*12=12mm齿顶高：ha=ha**m=1*1=1mm齿根高：hf=（ha*+c*）*m=1.25mm齿全高：h=ha+hf=2.25mm齿顶圆、齿根圆和基圆直径大齿轮：齿顶圆da1=d1+2ha=（z1+2ha*）*m=62mm齿根圆df1=d1-2hf=（z1-2ha*-2c*）*m=57.5mm基圆db1=d1*cosα=56.38mm小齿轮：齿顶圆da2=d2+2ha=（z2+2ha*）*m=14mm齿根圆df2=d2-2hf=（z2-2ha*-2c*）*m=9.5mm基圆db2=d2*cosα=11.27mm键的选择和主轴尺寸根据GB/T

1096-2003，主轴上直径为10mm处键选为键宽b*键高h为3*3的圆头键(A型)，键长为5mm；直径为6mm处

键选为键宽b*键高h为2*2键长为5mm的单圆头键（C型）。转向传动齿轮转向传动齿轮由四个齿轮组成。其中齿轮1和车轮轴组装。齿轮1和齿轮2传动比为

2.5。齿轮2与不完全齿齿轮3装在同一个轴上。不完全齿齿轮3与齿轮4的传动比为2，但是齿数是齿轮4齿数的1/2。转动过程中，啮合过程只有齿轮3的1/4。这样，后车轮走过轨迹的一半时，前车轮完成两次转向。转向传动齿轮齿轮1分度圆直径：d1=m*z=2*25=50mm齿顶高：ha=ha**m=1*2=2mm齿根高：hf=（ha*+c*）*m=2.5mm齿全高：h=ha+hf=4.5mm齿轮2分度圆直径：d2=m*z=2*10=20mm齿顶高：ha=ha**m=1*2=2mm齿根高：hf=（ha*+c*）*m=2.5mm齿全高：h=ha+hf=4.5mm齿顶圆、齿根圆和基圆直径齿轮1

齿顶圆da1=d1+2ha=（z1+2ha*）*m=52mm●齿根圆df1=d1-2hf=（z1-2ha*-2c*）*m=45mm●基圆db1=d1*cosα=46.98mm齿轮2

齿顶圆da2=d2+2ha=（z2+2ha*）*m=22mm●齿根圆df2=d2-2hf=（z2-2ha*-2c*）*m=15mm●基圆db2=d2*cosα=18.79mm转向传动齿轮齿轮3（不完全齿，齿数为10）齿轮4分度圆直径：d3=m*z=1*40=40mm齿顶高：ha=ha**m=1*1=1mm齿根高：hf=（ha*+c*）*m=1.25mm齿全高：h=ha+hf=2.25mm分度圆直径：d4=m*z=1*20=20mm齿顶高：ha=ha**m=1*1=1mm齿根高：hf=（ha*+c*）*m=1.25mm齿全高：h=ha+hf=2.25mm齿顶圆、齿根圆和基圆直径不完全齿轮3（10个齿）齿轮3

齿顶圆da3=d3+2ha=（z3+2ha*）*m=42mm齿根圆df3=d3-2hf=（z3-2ha*-2c*）*m=37.5mm基圆db3=d3*cosα=37.59mm齿轮四齿轮4

齿顶圆da4=d4+2ha=（z4+2ha*）*m=22mm齿根圆df3=d4-2hf=（z4-2ha*-2c*）*m=17.5mm基圆db4=d4*cosα=18.79mm4，转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件加工工艺性能好等基本条件，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，带动前轮左右摆动从而实现拐弯避障的功能。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。这儿我们选择曲柄摇杆和偏心轮。连杆和连架杆的材料均选为铝合金材，一方面便于加工；另一方面也可以满足强度要求。连杆在齿轮转动时，可以带动

较短的连杆和前车轮完成转向。连杆长度的确定与前车轮的转动角度小车前进过程中，转向是通过转向齿轮和偏心轮以及连杆运动实现的。前轮在转到最大角度45°时，此时连杆的移动距离与前车轮直行时的的连架杆长度相同。如图所示，长度a与长度b和长度c相等。图示位置为前车轮顺时针转到极限位置。5，行走机构

行走机构分为三个轮子，即前轮、主动轮和从动轮，而且轮

子有大小之分，厚度之别，材料

的选取不同，以及接触的形状不

同，也会导致摩擦力的不同。由

于小车走曲线，两个后轮的线速

度是不一样的，所以采用一个从

动轮一个主动轮实现差速的目的。单轮驱动即只利用一个轮子作为

驱动轮，一个导向轮（前轮），另一个为从动轮，从动轮与驱动

轮间的差速依靠与地面的运动约

束确定的。车轮

车轮的材料同车身的材料同样选为有机塑料板。一方面可以减轻小车的质量，另一方面可以减轻转弯过程中两个后轮与地面的摩擦力。6，微调机构