S曲线无碳小车毕业设计沈阳工程学院.docx
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S曲线无碳小车毕业设计沈阳工程学院
S曲线无碳小车设计
I
摘要
S曲线无碳小车来自全国大学生工程训练综合能力竞赛命题，本文通过认
真分析任务要求，确定小车应有的功能，完成了方案设计、技术设计和加工装
配调试三个阶段，制作出了行驶平稳轻巧，效率高且转弯半径、周期可调的小
车，并提出了提高零件精度和增加赛道校准装置的改进方向。
在方案设计中，根据功能性需求，小车按模块化设计可分为六个部分：
车
架、原动机构、传动机构、转向机构、驱动系统、微调机构，对每个部分采用
扩展性思维寻求多种可行方案，并综合考虑功能实现、加工装配、成本可行性
等因素进行优化设计。
其中，车架为骨架式玻纤板，原动机构采用滑轮组和变径绕线轴、转向机
构采用关节轴承连接的曲柄连杆机构、驱动系统采用单轮差速、微调机构采用
细螺纹调节摇杆与连杆长度以及微调圆盘调节曲柄长度。
在技术设计中，采用现代机械设计方法，通过MATLAB建模做能耗规律
和运动学分析，设计关键参数，并使用SolidWorks仿真分析，绘制图纸。
关键词模块化设计，matlab建模，solidworks仿真，曲柄连杆机构，单轮差
速
工程学院毕业设计（论文）
II
Abstract
Thenon-carboncarofScurveisfromthenationalcomprehensiveability
trainingcontestofcollegestudentsofengineering,inthispaper,throughcareful
analysisofmissionrequirements,thecar'sfunctionisdetermined.Itcompletedthe
threephaseoftechnicaldesignandassemblydesign,debugging,producedastable
runninglightweight,highefficiencyandturningradius,adjustablecyclecart,and
putforwardtheimprovementdirectionofimprovingtheaccuracyofpartsand
addingthetrackcalibrationdevice.
Inthedesignofthescheme,concerningthefunctionalrequirements,according
tothemodulardesigning,thecarcanbedividedintosixparts:
frame,driving
mechanism,transmissionmechanism,asteeringmechanism,drivingsystem,
adjustmentmechanism.Foreachpart,itusedtheextendedthinkingtoseeka
varietyofoptions,andconsiderfactors,suchastherealizationofthefunction,
processingandassembling,costandfeasibility,tooptimizethedesign.
Amongthem,theframeisframetypeofglassplate,drivingmechanismadopts
groupandvariablediameterpulleyspool,thesteeringmechanismadoptsacrank
connectingrodmechanism,connectedbyjointbearing,drivingsystemhasa
differentialsinglewheel,adjustingmechanismusesfinethreadtoadjustthelength
ofrockerandtheconnectingrod,andthetrimmingdisctoadjustcranklength.
Inthetechnicaldesign,usingthemoderndesignmethod,itmadeenergy
consumptionanalysisoflawandkinematicsbytheMATLABmodeling,designed
keyparameters,thendidSolidWorkssimulation,andproduceddrawings.
KeyWordsmodulardesigning,matlabmodeling,SolidWorkssimulation,crank
connectingrodmechanism,singledifferentialwheel
S曲线无碳小车设计
III
摘要........................................................................................................................I
Abstract.................................................................................................................II
1绪论...............................................................................................................-1-
1.1小车的设计要求...............................................................................-1-
1.2小车的设计方法...............................................................................-2-
2方案设计.......................................................................................................-4-
2.1车架...................................................................................................-7-
2.2原动机构...........................................................................................-7-
2.3传动机构.........................................................................................-10-
2.4转向机构.........................................................................................-13-
2.5驱动系统.........................................................................................-15-
2.6微调机构.........................................................................................-18-
3技术设计.....................................................................................................-20-
3.1数学模型的建立及参数确定.........................................................-20-
3.1.1能耗规律模型.....................................................................-20-
3.1.2运动学分析模型.................................................................-23-
3.1.3确定零件尺寸.....................................................................-27-
3.2零部件设计.....................................................................................-29-
3.2.1标准件及材料明细表.........................................................-29-
工程学院毕业设计（论文）
IV
3.2.2需加工的零件......................................................................-30-
3.3整体设计.........................................................................................-31-
3.3.1整体装配图.........................................................................-31-
3.3.2小车运动仿真分析.............................................................-33-
4小车的加工、装配和调试.........................................................................-34-
4.1小车零件的加工.............................................................................-34-
4.2小车的装配.....................................................................................-35-
4.3小车调试.........................................................................................-36-
5评价分析及总结.........................................................................................-37-
5.1小车设计结果.................................................................................-37-
5.2小车设计的优缺点.........................................................................-37-
5.3改进方向.........................................................................................-38-
5.4总结和体会.....................................................................................-38-
参考文献.........................................................................................................-39-
附录.................................................................................................................-40-
附录1S曲线无碳小车命题要求.........................................................-40-
附录2耗能分析程序............................................................................-41-
附录3运动学分析程序........................................................................-42-
S曲线无碳小车设计
-1-
1绪论
1.1小车的设计要求
S曲线无碳小车需要采用三轮结构，其前进和转向的能量来源必须来自给
定的重力势能，即重量1Kg的重块（50×65mm，普通碳钢）垂直下降400±2mm
获得的4J能量，重锤下落后需要同小车一起运动，不能脱离车身。
图1.1小车标准要求
要求小车一边前进，一边自动绕过障碍物，以小车避开障碍物的数量和前
进的距离来综合评定优劣。
障碍物为每隔1米放置的直径20mm、高200mm
的弹性圆棒（如图1.2）。
工程学院毕业设计（论文）
-2-
图1.2小车绕障要求
1.2小车的设计方法
首先认真对小车任务要求（详见附录1）进行分析，得到小车明确的设计
思路，下面是小车设计的流程。
（如图1.3）
S曲线无碳小车设计
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图1.3设计流程图
工程学院毕业设计（论文）
-4-
2方案设计
通过分析，小车应具备的基本功能有：
重力势能的转换、驱动自身前进、
自动避开障碍物，并且要在一定的能量下尽可能提高前进距离和绕杆数量。
根据小车的功能性需求，进行模块化设计。
小车的设计划分为六个部分：
车架、原动机构、传动机构、转向机构、驱动系统、微调机构。
采用扩展性思
维设计每一个模块，寻求多种可行的方案并优化设计。
下面为设计图框（图2.1）。
S曲线无碳小车设计
-5-
图2.1设计图框
在选择方案时应综合考虑功能实现、加工制做、成本等各方面因素（如图
2.2），提出多种方案，不轻易做最终实施，从而得到最优的设计方案。
工程学院毕业设计（论文）
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图2.2方案设计因素
S曲线无碳小车设计
-7-
2.1车架
车架是其他支承件连接的基础，是最重要的支承件，其结构设计必须合理、
巧妙。
车架体积不需要很大，所承载的负荷比较小，受力不是很大，主要部件
尺寸也都较小。
因此可以采用玻璃纤维板材，经雕刻机加工成所需形状，钳工
修磨后，拼接粘合成三角式车架和其他各个组件。
加工简单，质量可靠，成本
低，重量轻。
2.2原动机构
原动机构的作用主要是将铁锤下降的重力势能转化为小车前进的动能。
可
以实现这一目的的方案有很多，如绕线轮和齿轮齿条机构，但后者需要较长的
空间，不容易实现，从效率和简洁性来看，采用线轮最佳。
通过滑轮和尼龙线
将动力传递到绕线轴上，实现能量的转化。
此外，原动机构还应满足以下具体要求：
1.确保小车的驱动力大小恰当，减小车速，使小车在转向时不会因重锤惯
性或摆动而失稳，甚至倾翻。
2.地面对轮子的摩擦系数可能不同，因此在不同的场地小车是需要的动力
也不一样。
在调试时，原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。
3.机构简洁可靠，能量转化效率高。
综上分析，本文提出了一种驱动力可调的变径线轴原动机构。
如下图2.3所示，重锤拴在线绳的一端，由两个定滑轮支撑，可以垂直在
笼中平稳下降，为绕线轴提供平稳而持续的动力。
工程学院毕业设计（论文）
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图2.3滑轮组
为了避免小车在拐弯时因速度过大而发生倾翻，或重块的剧烈摇晃影响其
运动。
必须限制重块的晃动，使其重心竖直方向始终经过小车三个轮构成的三
角形，因此采用质量较轻的碳纤维杆和玻纤板材围成一个直径合适的笼状结
构（图2.4），保证重块在“笼”中平稳下落，维持车体的平衡。
此外，碳纤和
玻纤材料的使用极大的减轻了小车的重量，同时降低小车的重心高度，保证小
车运动中的车身稳定。
S曲线无碳小车设计
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图2.4重锤在笼状直筒中下降
线轮轴在小车动力传递机构中起到了重力势能到动能的转换作用。
线轮轴
的粗细将直接对小车的驱动力大小，前进速度和加速度产生影响。
而线轮轴上
的绕线位置将影响线绳对小车车身的力矩，影响两驱动轮所受的摩擦力分配，
进而影响小车前进方向和差速效果。
由于最大静摩擦一般情况下大于动摩擦因数，起步所需的驱动力也应略大
于正常前进所需的驱动力。
如果将线轮轴设计成圆柱，当线轮轴的直径过小时，将导致重物下落为小
车提供的扭矩不足，小车可能会难以起步。
当线轮轴的直径增大到能够顺利起
步时，小车在后来的加速度将会过大，使小车不断加速，行驶过快，影响到车
身前进的平稳性，出现侧向滑动，甚至有可能出现侧翻，此外线轮轴过粗会使
绕线的圈数减少，也会减少小车的绕杆数量和缩短前进距离。
工程学院毕业设计（论文）
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经过上述分析和反复的实验改进后，将线轮轴设计成中间一段圆锥面的形
式，并改变线绳的缠绕方式，起步时将线绕在直径大的一段圆柱面上，启动后
工作在直径逐渐减小的圆锥面，经短暂过渡后再工作在直径小的轴上。
该机构
（如图2.5）可以根据变径线轴与线绳相切处的直径大小，调整扭矩的大小。
图2.5变径线轴
该机构（如图2.5）可以通过改变绳子绕在变径线轴上的部位不同，调整
驱动力的输出。
2.3传动机构
S曲线无碳小车设计
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把动力按准确的传动比传递到转向机构和两个驱动轮上，是传动机构的主
要作用。
为了实现小车更远的行驶，更多的绕杆和精确绕杆，传动机构需要满
足传动比可靠、传递效率高、结构简单、重量轻的特点。
保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短传动链，减少传动件的
个数，缩小传动误差，尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。
由
绕线轴直接驱动两个驱动轮，结构最简单、效率最高。
这是在不考虑其它条件
时最优的方式，但这显然不满足变速和行程及扭矩的需要。
因此，只能在考虑
到结构合理的前提下，尽量减少传动副的数量。
图2.6传动机构
工程学院毕业设计（论文）
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实现小车的周期性转向，必须将绕线轴的动力按精确的传动比输出到后轮
轴和转向机构上，使前进与转向严格协调。
齿轮传动结构紧凑、工作可靠、传
动比稳定。
齿轮的传动效率最高可达98%，因此可以很好的提高能量利用效率。
考虑到传动所需载荷较小，金属齿轮成本较高且重量大，因此选用工程塑料齿
轮即可。
带轮具有传动距离远、缓冲吸震等特点。
因此从小车结构设计上考虑，在
动力传递到转向机构的最后一环，选用带轮传动。
各传动轴的材料要有足够的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置上
也要考虑轴的两支承跨距要尽量小，使齿轮尽量靠近支承处，从而提高传动机
构的工作精度。
绕线轴和驱动轴之间采用一级齿轮增速（如图2.7）。
在两根传动轴上安装
能够相互啮合的一对直齿轮，前轴（驱动轴）上安装小齿轮，在后轴上安装大
齿轮，把重物绕线绕于后轴，通过齿轮传动的传动比将重物下降的行程放大。
S曲线无碳小车设计
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图2.7增速齿轮副
2.4转向机构
转向机构是无碳小车设计中的一个关键。
它需要尽量减少能量损失和可加
工性好等基本条件，同时还需要能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，
带动前轮导向，从而实现越障的功能。
能实现该功能的机构有：
直动推杆盘式
凸轮机构、圆柱凸轮机构、曲柄连杆机构等。
工程学院毕业设计（论文）
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图2.8小车俯视图
依靠直动推杆盘式凸轮机构转向：
通过具有一定曲线轮廓的凸轮，推动转
向杆实现周期性的连续或不连续的任意预期往复运动，控制前轮摆动，以实现
按预定轨迹的转向。
其优点是结构简单紧凑、设计过程简单，只需给出合理的
凸轮轮廓，就可以控制运动，但加工过程比较困难。
依靠圆柱凸轮机构转向：
通过具有一定曲线凹槽的凸轮连接构件，使从动
件获得连续或不连续的规律性摆动。
优缺点与直动推杆盘式凸轮机构相同，加
工更困难，且精度难以保证、尺寸微调困难，因此不采用。
依靠曲柄连杆机构转向。
依靠曲柄连杆机构推动转向杆实现周期性的往复
转动，以控制前轮预定往复运动。
运动副单位面积所受压力较小，而且摩擦耗
能小，可以使用市场上供应的关节轴承；两构件之间的连接类型属于几何封闭，
不像凸轮机构有时需利用外加弹簧来保持接触。
但是曲柄连杆机构一般情况下只能近似实现给定的运动轨迹，且设计较为
复杂；机构作往复运动有较大的惯性力，尤其是在高速时将引起较大的振动和
动载荷，故曲柄连杆机构常用于低速场合。
S曲线无碳小车设计
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图2.8转向机构
由于本小车设计的速度和传递的力不大，零件质量较轻，可以忽略惯性力。
而且机构并不复杂，可以用MATLAB和SoildWorks软件进行参数化设计。
而
且有现成的标准件和工具可以
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