无碳小车设计说明书.pdf

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南京工程学院本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）题目：

无碳小车无碳小车设计设计专业：

车辆工程（汽车技术）车辆工程（汽车技术）班级：

汽车技术汽车技术112学号：

215110212学生姓名：

贾理想贾理想指导教师：

贺曙新贺曙新副教授副教授起止日期：

2015.03.022015.06.12设计地点：

工程实践中心工程实践中心GraduationDesign（Thesis）Carbon-freeCarsByJIALixiangSupervisedbyAssociateProfHEShuxinNanjingInstituteofTechnologyJune,2015南京工程学院本科毕业设计（论文）I摘摘要要随着全球经济的飞速发展，环境问题也愈发明显，传统能源也面临逐渐衰竭危险。

汽车的保有量也在逐年递增，普及率也在递增。

但是，能源的枯竭却成为汽车普及的障碍。

新能源汽车逐渐成为21世纪的汽车的发展方向。

无碳小车的研制，具有经济、环保、便利等优点，有助于我们找到更为环保绿色的能源，更为有利的能量转化途径，以及更好地提高能量利用效率的方法。

它将对传统能源的取代有重大的意义。

针对题目要求，采用理论与实践结合的方法，秉承理论指导实践的理念。

采用简单的曲柄连杆机构原理来实现转向。

运用MATLAB软件对小车行驶路线规划，建立数学模型，并求解轨迹关键点，进而精确设计小车零件的尺寸。

运用UG软件建立小车零件三维图并进行虚拟装配，运用AutoCAD绘制零件图和装配图。

最后，完成零件的加工和小车的装配。

经过多次的调试，对小车零件尺寸进行适当的修改，以完善小车结构。

关键词：

关键词：

无碳小车；曲柄连杆；参数化设计南京工程学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTWiththerapiddevelopmentofglobaleconomy,theenvironmentproblemisincreasinglyobvious,andthetraditionalenergyalsofacesthedangerofgradualfailure.Carownershiphasincreased,andcoverageinincrements.However,depletionofenergyisanobstacletothepopularizationofcars.Newenergyautomobilesbecamethedevelopmentdirectionoftheautomobileofthe21stcentury.Developmentofacarbon-freecariseconomical,environmentallyfriendlyandconvenientandsoon,whichwillhelpusfindakindofmoreenvironmentally-friendlygreenenergy,enablingenergyconversion,aswellasmethodsofimprovingtheefficiencyofenergyusing.Itisofgreatsignificancetoreplacetraditionalenergy.Asked,usingthemethodofthecombinationoftheorywithpracticeandtheconceptoftheorytopractice.TheSteeringSystemusescrank-connectingrodmechanismwhichisverysimple.Toplanthecartravelroute,establishthemathematicalmodelandsolvethetrackkeypointsusetheMATLAB,whichisusedforprecisedesignofcarpartsfinally.ThecarpartsandvirtualassemblyaredrewwiththeUG,andthedetaildrawingandassemblydrawingwiththeAutoCAD.Finally,thepartsaremachinedandthenassembleintothecar.Aftermanydebugging,thesizesofthecarpartsaremodifiedtoimprovethestructureofthecar.Keywords:

Carbon-freeCars;CrankConnectingRod;ParametricDesign南京工程学院本科毕业设计（论文）III目目录录第一章第一章绪绪论论.11.1国内的研究现状及发展趋势.11.2课题研究目的及意义.31.3课题研究内容.31.4本课题拟采用的研究手段.4第二章第二章无碳小车设计无碳小车设计.62.1任务分析.62.2无碳小车总体方案设计.42.3车身设计.92.4原动机构的设计.92.4.1滑轮的设计.92.4.2绕绳轮的设计.102.4.3重物支撑架的设计.112.5导向机构的设计.112.6传动机构的设计.142.7行走机构的设计.152.8微调机构的分析和选择.162.9无碳小车的总体设计.16第三章第三章无碳小车技术设计无碳小车技术设计.173.1建立数学模型及参数确定.173.1.1能耗规律模型.173.1.2转向系统数学模型.193.1.3部分零件主要参数.223.2其它零件的设计.223.2.1支架设计.223.2.2后轮设计.233.2.3主动轮和从动轮轴设计.23第四章第四章无碳小车三维制作与仿真无碳小车三维制作与仿真.254.1无碳小车三维模型绘制.254.2无碳小车运动仿真.264.2.1无碳小车模型简化和运动副的添加.26南京工程学院本科毕业设计（论文）IV4.2.2无碳小车运动仿真结果分析.27第五章第五章无碳小车创新点总结无碳小车创新点总结.285.1双线轴驱动.285.1.1理论基础.285.1.2实现机构.295.2曲柄连杆+限位蹄转向机构.29第第六六章章全文总结与工作展望全文总结与工作展望.316.1全文总结.316.2工作展望.31致谢致谢.32参考文献参考文献.33附录附录.34南京工程学院汽车与轨道交通学院本科毕业设计（论文）1第一章第一章绪绪论论1.1国国内的研究现状及发展趋势内的研究现状及发展趋势无碳越障小车是工程训练综合能力竞赛的比赛项目，包括“S”型和“8”字型。

表1即是第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛项目（“8”字型赛道）组获奖名单1。

表表1第三届工程综合能力训练竞赛项目获奖名单第三届工程综合能力训练竞赛项目获奖名单参赛队伍奖项参赛队伍奖项长春工业大学一等奖广东工业大学二等奖巢湖学院一等奖河北工业大学二等奖重庆大学一等奖淮阴工学院二等奖哈尔滨工程大学一等奖内蒙古科技大学二等奖哈尔滨工业大学一等奖南昌大学二等奖合肥工业大学一等奖南昌航空大学二等奖湖北汽车工业学院一等奖青岛大学二等奖南京航空航大学一等奖清华大学二等奖沈阳建筑大学一等奖汕头大学二等奖天津职业技术师范大学一等奖上海大学二等奖武汉理工大学一等奖沈阳航空航天大学二等奖西南科技大学一等奖太原工业学院二等奖中国石油大学（华东）一等奖太原理工大学二等奖中南大学一等奖天津大学二等奖中原工学院一等奖西安科技大学二等奖北华航天工业学院二等奖西安理工大学二等奖北京航空航天大学二等奖云南农业大学二等奖长春理工大学二等奖浙江工业大学之江学院二等奖长沙理工大学二等奖中国计量学院现代科技学院二等奖重庆交通大学二等奖大连理工大学三等奖福州大学二等奖广西工学院鹿山学院三等奖南京工程学院本科毕业设计（论文）2他们的无碳小车大致由六个模块组成，包括车身模块、原动机构模块、传动机构模块、转向机构模块、行走机构模块、微调机构模块。

从六个模块分别对参赛获奖的小车进行了相关分析，得出如下结论：

（1）车架在设计上主要考虑到两个方面：

材料；结构。

材料选择时候，考虑到密度较小、硬度高等特点，比如有机玻璃、硬铝，木板等，结构上要求在不打破力学结构的基础上，尽可能除去多余的材料（通过镂空等方法）。

（2）原动机构大多是通过线轮方式驱动，滑轮将重物单一的方向重力单一的方向转换成其它方向，以方便驱动机构中其它零件的在车身狭小空间中的安置，驱动轴在设计上考虑到控制重物下降速度的问题，以避免重物对小车的冲击，和能量损失。

（3）传动机构大多是选用模数较小、传动比较高的一级齿轮组，或者是二级齿轮组。

（4）转向机构作为小车主要机构，参赛队伍中，主要有以下几种转向机构机构：

凸轮机构；棘轮机构；不完全齿轮机构；槽轮机构。

其中以不完全齿轮机构和凸轮机构较为常见。

（5）行走机构主要分为单轮驱动模式和双轮驱动模式。

两种驱动模式各有各的特点，根据本学校的条件选择。

（6）微调机构有可调曲柄、曲柄盘，主要是通过改变曲柄的长度进而改变小车的最大转角，以适应不同距离额障碍物的场地，以寻求更好的行驶轨迹。

该无碳小车行驶的能量全部来自于重物的重力势能，而整个能量的传递和分配全是通过机械机构实现的。

所以，机械传动中能量损失的最小化是小车行驶距离长远的决定性因素。

因此零件的加工精度和装配精度至关重要。

另外，选用正确的机构和好的调试方法也是成功不可或缺的重要因素。

随着举办次数的不断累加，成功和失败的经验积累也是非常丰富的。

然而，无论怎样的设计和加工，结构简单，调试方便，稳定性高，质量轻，能量利用率高成为考量的标准。

使用新的材料和新兴加工技术可以使小车准确的越过更多的障碍，同时行驶更远的距离。

但是，成本也随之提高。

所以在设计上应考虑好材料成本和加工成本，以便在成绩和成本之间寻找一个平衡点。

贵州大学三等奖南京理工大学三等奖桂林电子科技大学三等奖上海交通大学三等奖河南科技大学三等奖西南交通大学三等奖昆明理工大学三等奖厦门大学三等奖内蒙古工业大学三等奖南京工程学院本科毕业设计（论文）31.2课题研究目的及意义课题研究目的及意义目前，全球经济飞速发展，环境问题也愈发明显，传统能源也面临逐渐衰竭的问题。

在我国GDP持续高速增长的背景下，环境保护、人类健康和工程安全方面，一直受到由于经济发展不稳定带来的威胁，我国急需要将寻找和利用新能源、工业发展无碳驱动的新时代课题引入现阶段的社会发展中。

无碳小车的研就和制作，具有经济、环保、便利等优点，有助于人类寻找到更为环保的绿色能源。

研制中的有关能量转化途径，以及搞得利用率方法对于将来的发展都非常有利。

它将对传统能源的逐渐有重大意义。

因此我们设计制作无碳小车，希望对于缓解能源和环保问题有一定的帮助。

1.3课题研究内容课题研究内容本次毕业设计题目为“无碳小车”，即小车前进的动力直接由重物下落过程中减少的重力势能提供，只通过重力势能与机械能的能量转换，使得小车实现前进、转向和调节。

无碳越障小车行驶的路线近似于“8”字，而且障碍物的间距在300mm500mm之间可调。

设计一种小车，该下车的行走及转向的左右能量均是由给定重力势能转换而来的。

给定重力势能为4J（取g=10m/s2），统一用质量为1Kg的重块（5065mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差4002mm。

重物落下之后，须被小车承载并且同小车一起运动，不得从小车上落下。

图1.1为小车示意图。

图1.1无碳小车示意图要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由学生自主完成。

小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物，并且不能碰撞到障碍物。

障碍物为直径20mm、高200mm的两个圆棒，小车行驶轨迹类似于“8”字。

以小车绕过完整的“8”字个数评定成绩。

图1.2是“8”字型赛道竞赛所用乒乓球南京工程学院本科毕业设计（论文）4台及障碍设置图。

要求经过一定的前期准备后，完成一整套符合本命题要求的可运行装置，并且进行现场竞争性运行考核。

图1.2“8”字型赛道竞赛所用乒乓球台及障碍设置图1.4本课题拟采用的研究手段本课题拟采用的研究手段图1.3研究手段示意图技术设计阶段，首先对各种方案进行了初步的筛选，从成本和加工要求上衡量，同事综合运用了运动学、动力学、能量学以及机械设计等分析方法。

通过对小车的功能分析，了解到小车需要将重力势能转换为机械能，完成自动行走和自行避开障碍物，即按照规定轨迹行驶。

方案方案设计设计技术设计技术设计制作调试制作调试南京工程学院本科毕业设计（论文）5在选择方案时，综合考虑小车功能、零件材料、加工难易程度、制造成本等各方面的因素。

除此之外，还应当尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素。

只有这样，方案的选择上才能够实现最优化。

南京工程学院本科毕业设计（论文）6第二章第二章无碳小车设计无碳小车设计2.1任务分析任务分析无碳小车，顾名思义，即是能以“8”字形轨迹绕过两个障碍物，且障碍物间距可调并且能节约能源的小车。

设计的难点在于转向机构的设计，如何才能让小车在300mm500mm的范围内的实现精确可调，是亟待解决的问题。

由设计题目分析，可以知道无碳小车的设计重点和难点有一下几点：

如何将重物的重力势能转换为机械能；一定的能量驱动小车行驶尽可能远的距离；小车前行过程中如何有效的避开道路上设置的障碍物。

基本的设计思路为：

查询相关的资料，拟定能量转换机构，然后确定小车一个周期行进的路线和长度，确定后轮尺寸，以及前后轮的传动比，传动机构设计，小车车架总体结构设计，小车各零件的设计（包括材料和结构），主要零件配合尺寸及公差的确定。

2.2无碳越障小车总体方案设计无碳越障小车总体方案设计无碳小车行走过程中完成的所有动作，其能量来源均是中午在初始状态下的重力势能，不允许使用其他的能量。

通过查阅相关资料，我们初步确定了3种能量转换方式的方案，包括发条储能方式，飞轮储能方式，直接驱动方式。

（1）发条储能方式2重物下落时，小车保持静止状态。

此时重物的重力势能以弹性势能的方式存储在发条中。

待重物静止后，发条开始释放弹性能量驱动小车行走。

这种方式主要是参照市场上大多数玩具车能量储存的方式。

但是，这种方式显然存在一个问题，那就是小车的速度难于控制。

除此之外，还必须设计重物静止后触发发条释放弹性势能以带动小车行走的机构。

而且，能量在多次转换中会后，其利用率也将大幅度的降低，限制了无碳小车的行驶距离。

（2）飞轮储能方式重物下落时，小车向前行走，此时飞轮储存能量。

待重物静止后，飞轮释放惯性势能可继续带动小车行走一段距离。

这种方式是来源于火车轮子的储能原理。

但是，这种方式存在的一个问题是：

由于设计了直径大且重的飞轮，所以小车启动时所需要的力矩很大，影响小车整体传动比的分配。

同时小车整体质量变大，行驶阻力变大，能量利用率变低，限制小车的行驶距离。

（3）直接驱动方式重物下落时，直接通过线绳带动小车行走，结构简单，加工方便，成本也较低。

综合考虑，最终确定采用第3种方案。

线绳一端缠绕在驱动轮上，另一端通过滑轮系在重物上，重物下落通过绳子带动驱动轮转动，进而带动小车前行。

为了避免重物下落时因为小车的曲线行驶而摆动，影响小车行进的轨迹，严重情况南京工程学院本科毕业设计（论文）7下使小车倾翻。

为了解决这个问题，在小车上设计有一个特殊的管状支架，既可以作为重物的支撑架，又可以限制重物在水平方向的摆动。

其他的机构的整体分析如图2.1。

无碳小车的功能实现的分析如图2.2。

制作成本和加工如图2.3所示3。

无碳小车车身原动机构传动机构行走机构转向机构微调机构三角底板式骨架式绳轮式弹簧储能式链轮式锥齿轮直齿轮带轮不用附加传动凸轮+摇杆曲柄连杆+摇杆曲柄摇杆差速转向双轮同步双轮差速驱动单轮驱动滑槽微调螺母圆柱凸轮普通凸轮使用差速器偏心轮单向轴承图2.1无碳小车整体分析南京工程学院本科毕业设计（论文）8图2.2功能实现分析图2.3加工制作和成本分析功能实现行走路程远避开障碍多减少内部摩擦损耗减少与地面摩擦损耗可根据不同的路面调整驱动机构保证加工装配精度对小车行走影响较灵敏的零部件此存可微调减少高副简化机构减少转轴轴承等直径保证零件精度选择适当的材料减少小车重量增大轮子的半径增大轮子的半径南京工程学院本科毕业设计（论文）92.3车身设计车身设计车身的设计是整体方案的关键，合理的安排各个部件在车身上的位置，可以很好地节省小车上的空间，使小车的尺寸控制尽可能小。

车架不用承受很大的力，精度要求低。

考虑到本校的实际加工状况，运用线切割的方法进行加工，材料是硬铝。

课题要求小车需要是三个轮子结构，从设计之初，为了实现小车的后轮很好的跟随前轮转向，也就是在小车在做曲线行驶的时候，前后轮的轨迹重合，或者是驱动轮的轨迹与小车的转向轮的轨迹重合，起初的设计思路是，小车的转向轮和驱动轮是同一个轮子，但是结构设计较复杂，同时还需要磁性物质，这个与设计要求不符。

于是，在退而求其次的基础上，将小车的转向轮和驱动轮放置在小车的同一侧，同时尽可能减少两个轮子之间的距离，这样可以很好地解决单轮驱动带来的“8”字轨迹不对称的问题4。

小车的车身设计如图2.4。

图2.4无碳小车车身小车所有零部件均以底盘为基础进行装配，主要采用螺钉连接，这样可以方便拆卸和调整，部分零件为了便于定位，采用了螺钉锁紧的方法。

部分位置为了方便调整，例如齿轮中心距的调节等，将螺钉孔加工成矩形孔。

为了降低摩擦提高旋转精度，小车前轮叉架、前轴、后轮轴以及滑轮上均装有球轴承，轴承与支撑零件之间均采用过盈配合，保证小车的稳定性。

2.4原动机构的设计原动机构的设计2.4.1滑轮的设计滑轮的设计小车的原动机构采用滑轮悬挂，滑轮上挂有一根弹性较小棉线，棉线的一端挂有一重物，线绳的另一端则缠绕在小车驱动轴上，通过滑轮将重力施加在驱动轴上。

当重物下落的时候，带动线绳运动，线绳通过滑轮改变方向，带动驱动轴南京工程学院本科毕业设计（论文）10转动。

驱动轮转动，带动小车运动。

滑轮作为将重力的方向改变，进而作用在驱动轮上。

同时滑轮是安装在支架上端，小的、轻的滑轮成为首选。

本设计中小车行走的驱动和转向的驱动力均是从重物的重力分配，所以应设计两个滑轮，同时对称分布。

为保证重物在下落过程中保持匀速，在滑轮上绕棉线时，在滑轮上多绕几圈，这样可以有效减慢重物下降的速度，提高能量的利用率。

图2.5为滑轮的三维模型。

图2.6滑轮的三维模型2.4.2绕绳轮的设计绕绳轮的设计驱动机构的作用就是将重块的重力势能转换为小车的驱动力。

小车对绕绳轮还有以下几点具体要求5。

（1）小车在在行驶中要求驱动力要适中。

只有这样，在曲线行驶时，尤其在转弯半径较小时候，不至于拐弯速度过大而发生倾翻，或者是重块晃动的厉害而影响小车的行驶轨迹。

（2）高的能量利用率。

驱动轮在设计的时候，应充分考虑尽可能将重物的重力势能转化到驱动无碳小车的前进上。

显而易见，如果重物块在竖直方向上的速度比较大，重物的重力只能很大程度上转换成重物的动能，而作用于小车行驶上的能量就会大大减少，重物本身的能量还有很多没有释放，这就导致能量利用率较低，是整体小车的行驶状况不是很理想。

因此，选择合适的驱动轴直径，控制好重物的下降速度。

（3）机构简单，效率高。

本设计中选用的是转向驱动和行驶驱动分开的设计，除了可以很好地控制重物的下降速度，同时通过改变两个轴的直径，加上齿轮的传动比，能使重物下落相同高度能有更远的行驶路程。

南京工程学院本科毕业设计（论文）11为了防止重物因转向原因水平摆动，导致小车行驶不稳定，偏离设计轨道。

通过圆筒状支架将重物限制在一定的空间内，避免或者减轻水平摆动。

考虑到加工和实际情况，我们初定小车的驱动轴直径为10mm，转向驱动轮按照某个比例设计。

图2.7无碳小车驱动轴图2.8无碳小车转向驱动轴2.4.3重物支撑架的设计重物支撑架的设计重物支撑架的作用是支撑重物和固定定滑轮。

为了简单方便，同时从降低成本，和减轻小车重量的角度考虑，最后选用硬质纸板材料的圆筒，在上下端分别开出小槽以方便安装，必要的情况下加入粘合剂。

2.5导向机构的设计导向机构的设计导向机构的无疑是无碳小车设计的关键地方，能否很好地设计加工好这部分的机构将直接决定小车的行驶效果。

从整体的设计方向考虑，导向机构最为整体的第二大耗能机构，间可能的减少该部分的摩擦和能耗对于小车的行驶效果有着显而易见的作用。

毫无疑问，节能的基础就是尽可能在满足作用的基础上减少零件个数，避免滑动摩擦，更多的运用滚动摩擦。

小车的动力机构是一个回转运动，也就是说，动力提供一个转向运动和扭力矩，而小车的导向机构是一个钟摆运动，带动前轮轮来回转动以实现拐弯避过障碍物的功能。

设计要求中，小车在前行时要求能够自动避开赛道上间隔300mm500mm南京工程学院本科毕业设计（论文）12障碍物赛道，作一个“8”字的轨迹。

显而易见，小车做的是一个间歇运动。

根据机械设计所学知识，目前机械中常用的间歇机构主要有四种：

凸轮机构；曲柄连杆机构；棘轮机构；不完全齿轮结构；槽轮机构。

每一种机构都有优缺点，综合考虑使用环境，以及加工的工艺，难易程度和制造成本，我们需要对小车的导向机构进行正确的选择6。

（1）凸轮机构7凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件。

轮廓是曲线和圆弧组合的凸轮作旋转运动时，可以使从动件获得间歇运动。

优点：

只需设计准确凸轮轮廓，就可让从动件很好地跟随凸轮轮廓作往复运动，同时考虑到行驶轨迹的的对称性，我们在设计凸轮时候，将凸轮设计成外凸轮，他的轮廓基本上是两短段完全相同的圆弧和两段完全相同的非圆弧（可以称之为过度样条曲线）。

运用目前先进的加工中心，便可以完成加工。

该机构简单，传递效率一般。

在条件允许下，可以采用此结构。

缺点：

凸轮轮廓的加工精度要求的非常高，一旦在加工过程中有一点错误，就需要重新加工。

同时，凸轮一旦有磨损、变形，小车则不能达到预期运动轨迹，整个机构的放大现象非常明显。

除此之外，凸轮一旦加工完成，小车走的路线也就确定。

对于设计要求中300mm500mm障碍物间距可调的场地来说，凸轮机构的这个缺点限制了小车的发挥。

而且由于凸轮机构无法微调，磨损后就直接报废，这样就无形中提高了加工成本。

因此，在条件允许的情况下，在保证加工精度能够达到的情况下，可以选用此方法。

（2）曲柄连杆摇臂+限位蹄机构优点：

曲柄连杆摇臂机构，机构运动副的单位面积所受的压力比较小，同时面接触方于润滑，这样，机构零件之间的磨损就会大大减小。

在目前的加工和装配技术熟练的情况下，精度方面可以较好的保证；两个零件之间的持续稳定的接触是通过机构本身的几何结构封闭来实现的，并不像凸轮机构，有时候还需要利用外界的弹簧等辅助力封闭来保持接触。

缺点：

一般情况下，曲柄连杆摇臂机构可以近似的完成设定的运动规律或者是运动轨迹，但是其中难度较大的就是设计，如果想要达到很好的轨迹，这就需要在设计方面，花费大量时间和功夫；当设定的运动较复杂时，则需要的构件数自然就多，其中的