无碳小车

北华航天工业学院

第四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：夏洪伟孙传远肖洋

指导老师：***

第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛

参赛者：

指导老师：

无

碳

小

车

设

计

说

明

书

夏洪伟、孙传远、肖洋

***

目录

第1章方案设计.....................................................................................................-1-

1.1车架................................................................................................................-3-

1.2原动机构......................................................................................................-3-

1.3传动机构......................................................................................................-4-

1.4转向机构........................................................................................................-7-

1.5行走机构........................................................................................................-9-

1.6微调机构........................................................................................................-9-

第2章技术设计...................................................................................................-11-

2.1运动学分析模型...........................................................................................-11-

2.2参数确定.......................................................................................................-13-

2.3零部件设计......................................................................................三千英语 .............-13-

附录........................................阴阳师地域鬼王 ..................................................................牛骨头炖什么好吃 .........-15-

第1章方案设计

通过对小车的功能分析，“无碳小车越障竞赛”通常主要由车体、能量转换、

传动和转向等部分组成。根据小车所要完成的功能将小车划分为六个部分进行模

块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构），如

图1-1所示。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多

种可行的方案和构思，使得选择的方案能够综合最优。

图1-1小车的模块化设计

-1-

表1-1无碳小车结构

车架

底板式

骨架式

绳轮式

原动机构

弹簧储能式

链轮式

齿轮齿条式

带轮

直齿轮

传动机构

蜗轮蜗杆

链传动

无碳

凸轮+摇杆

小

车

转向机构

摩擦轮

圆柱凸轮

普通凸轮

曲柄连杆+摇杆

曲柄摇杆

对心滑块

差速转向

双轮同步

使用差速器

行走机构

双轮差速驱动

偏心轮

单向轴承

单轮驱动

微调机构

滑槽

微调螺母

-2-

1.1车架

“无给病人的祝福语 碳小车”车架结构主要有三角底板式和骨架式，骨架式可使用快速成型或

焊制，三角底板可使用木材、铝板等。底板作为最重要的支承件，底板是其他支

承件连接的基础。由于所承载的负荷比较小，考虑到减少能量损耗，因此选用厚

度较薄、密度较小的板料。小车的重块在车上重物支撑杆上方开始下落，距离车

底板上面4002mm。而小车为了节省能量及避障性能，因而车底板一般不能选

得面积太大苹果简笔画图片 ，两后轮距不能太大。整个小车是一个立式的结构，由于小车运行起

来按避障要求将左右转向，牵引绳悬挂的重块在重力的作用下将大幅摆动，可能

导致小车倾倒不能行走，因此，要限制重块在小车运行中的摆动，使车体在运行

中达到良好的平衡。为此可通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重

心，以达到良好的动态平衡；整个车包括重块的重心最好应居于小车三个轮构成

的三角形的形心上，保证小车的平稳运行。

1.2原动机构

原动机构的作用是将重块的重力转化为小车的驱动力。如何将重块的重力势

能转换为可以驱动车辆持续行驶的动能是小车设计中至关重要的一个环节。能实

现这一功能的方案有多种如绳轮式、弹簧储能式、链轮式、齿轮齿条式。能量利

用率的高低，直接决定小车的性能。除考虑能量损失外，小车对原动机构还有其

它的具体要求：

1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大侧翻，或重块晃动厉害影响行走。

2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车底板过大的冲

击。同时使重块的动能尽可能的转化为驱动小车前进的能量，如果重块竖直方向

的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。

3.由于不同的场地对轮子的摩擦力可能不一样，在不同的场地小车需要

的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还

需要能根据不同的需要调整其驱动力。

4.机构简单，效率高。

基于以上因素，对下列几种原动机构分别做特点分析。

绳轮式:具有结构简单轻便、输出驱动力可调、造价低、能量利用率高、输

出驱动力不够稳定的特点尤其的近义词是什么 。

弹簧储能式：具有输出驱动力稳定的特点，但由于自身耗能较多，能量利用

率低。

-3-

链轮式：具有输出驱动力稳定、载荷能力较高的特点，但结构复杂，不易加

工，不易调节，有附加动载荷，噪声较大。

齿轮齿条式：具有输出动力稳定，载荷能力高，能量利用率高的特点，但结

构复杂，制作加工困难，成本较高。

综合以上分析，最终我们选择绳轮式，设计出了如图1-2的原动机构

图1-2原动机构

将悬线一端悬挂重锤，另一端的一部分绕在浅蓝色直径为5mm的前驱动轴

上，一部分绕在深蓝色锥形绕线轮上，其目的是为了在发车时有好看的日漫 足够的驱动力，

当车启动以后，随着重锤的匀速下落，悬线将给浅蓝色驱动轴一个恒定的驱动力，

使小车平稳前进。导向支架起到约束重锤下落轨迹的作用，避免在小车转弯时发

生摆动，保证了小车的稳定性。

1.3传动机构

传动机构的功能是把动力传递到转向机构和驱动轮上，比赛性能要求小车行

驶距离远、行驶过程稳定、轨道精确。

传动效率高是小车行驶得远的关键。要使效率最高，就要重块下落的重力势

能转化为使小车前性格介绍 进的动能能量损失最少。为减少效率损失，传动机构越简单越

-4-

好。绕线轮轴的动力用严格的定传动比输出到后轮轴及前轮的转向装置上，实现

后轮的行程与前轮的转向相匹配。

传动机构设计时还应该考虑到：

1.尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。例如可用齿轮副来完

成齿轮轴到后轮轴的动力传动。

2.如果使用齿轮，齿轮的设计、加工精度要严格保证，各传动轴及轮轴的材

料，应有较高的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置上也要考虑轴的两支

承跨距尽量小，轴伸尺寸尽量短，齿轮尽量靠近支承处，来提高运动精度。

根据小车性能要求，设计中常用的传动机构有：

1.带传动

图1-3带传动

优点：传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、有良好的挠性和弹

性、过载打滑；

缺点：传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效

率低。

2.齿轮传动

图1-4齿轮传动

-5-

优点：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功

率、速度和尺寸范围；

缺点：制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。

3.蜗轮蜗杆传动

优点：蜗轮及蜗杆机构常被用于两轴交错、传动比大、传动功率不大或间歇

工作的场合

图1-5蜗轮蜗杆传动

4.链传动

图1-6链传动

优点：无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递

功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的

压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。

缺点：仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性

差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。

-6-

5.摩擦轮传动

优点：制造简单、运行平稳、噪声很小，过载时发生打滑，故能防止机器中

重要的零件损坏，能无极的改变传动比。

缺点：效率低，当传递同样大的功率时，轮廓尺寸和作用在轴与轴承上的荷

载都比齿轮传动大，不宜传递很大功率，不能保持准确的传动比，干摩擦时磨损

快、寿命低，必须采用压紧装置。

综合上面几种传动机构的优缺点，本小车更注重的是稳定的传动性能和精确

的传动比和能无极的改变传动比。所以我们选择了齿轮传动和摩擦轮传动。

1.4转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向

机构也同样需要满足尽可能的减少摩擦耗能、结构简单和零部件易获得等基本条

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，

带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。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，曲柄摇块、差速转弯等。

凸轮

凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以

使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。

优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且

结构简单、紧凑、设计方便；

缺点：凸轮轮廓加工比较困难，成型后不易调节。

在本小车设计中由于要求精度高：但凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可

逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低能量损失大（滑动摩擦）因此不

采用

曲柄连杆+摇杆

优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，可使磨损减小，

制造方便，易获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，

它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。

缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复

杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，

这样就使机构的结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机

构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和作往复运

-7-

动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连

杆机构常用于速度较低的场合。

曲柄摇杆

结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦副，其效率低。其急回特性

导致难以设计出较好的机构。

对心曲柄摇块

结构简单，维护方便，实用性强，传动精度高，传动平稳，无急回特性。

差速转弯

差速拐弯是利用两个偏心轮作为驱动轮，由于两轮子的角速度一样而转动半

径不一样，从而使两个轮子的速度不一样，产生了差速。小车通过差速实现转弯

避障。

差速转弯理论上是小车能走的最远的设计方案。和凸轮同样，对轮子的加工

精度要求很高，加工出来后也无法根据需要来调整轮子的尺寸。加工和装配的误

差也是不可避免的。

综合上面分析我们选择对心曲柄摇块作为小车转向机构的方案。

图1-7小车转向机构

选择的转向机构中，以大齿轮作为曲柄，由曲柄旋转带动连杆的运动，再通

过连杆套将运动传递到摆杆上，通过摆杆对导向套的拨动来实现小车左右转向

-8-

1.5行走机构

行走机构即为三个车轮，对轮子的厚度、大小、材料需要综合考虑。

有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为：

M

max=

*N

对于相同的材料



为一定值。

（式1-1）

f而滚动摩擦阻力

Mmax

R



N



R

（式1-2）

所以轮子越大，小车受到的阻力越小，因此能够走得更远。但由于加工问题、

材料问题、安装问题等具体尺寸需要进一步分析确定。

由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对此后轮可以采用双轮

同步驱动、双轮差速驱动、单轮驱动。

双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大因此

会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效

避免碰到障碍。

双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴

承来实现差速。差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够

实现运动要求。单向轴承实现差速的原理是使其中一个轮子速度较大时便成为从

动轮，速度较小的轮子成为主动轮，这样交替变换实现曲线运动。但由于单向轴

承存在侧隙，在主动轮与从动轮切换过程中会出现误差，导致运动不准确，影响

小车的功能。

单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动轮。

就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动

约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比

利用单向轴承高。

综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，可以通过实验来确定实现

差速的机构的方案，综合考虑以上因素和对实验数据的分析我们选用单轮驱

动既能减少差速器的复杂结构，又能实现差速。

1.6微调机构

根据小车功能要求,将其划分为原动机构、传动机构、执行机构控制机构、

辅助机构，微诫子书的中心论点 调机构是控制机构的一部分，经比较已经确定了转向采用对心曲柄

-9-

摇块方案，由于对心曲柄摇块对于加工误差和装配误差很敏感，因此必须加上微

调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了方便调节

小车的运动轨迹、幅值、方向等，使小车走出一条最优的轨迹。

微调机构可以采用螺母微调。

滑块微调

图1-8滑块微调

有定位精度高、摩擦阻力小、可承受负荷较大的特点，但不易做微距离调节，

而且单价较高；

螺母微调

图1-9螺母微调

这种微调方式的造价便宜，但精度不高，可靠性不佳，调节过程比较复杂。

为得到较优方案，可以通过实验来比较分析获得。

-10-

第2章技术设计

设计技术设计阶段的目标是完成详细设计，确定各零部件的尺寸。设计的同

时要求综合考虑材料、加工、成本等各因素。

2.1运动学分析模型

符号说明：

驱动轮半径R

齿轮传动比i

曲柄的旋转半径

r

1

锥形轮平均半径

r

2

重物悬挂高度

h

曲柄轴与转向轮中心距离

1、驱动：

当重物下降dh时，驱动轴转过的角度是d

错误

!

未找到引用源。

1

，则曲柄转过的角度

d

错误

!

未找到引用源。

1

错误!未找到引用源。

（式2-1）

则后驱动轮转过的角度

d

错误

!

未找到引用源。

2

=i*d

错误

!

未找到引用源。

1

（式2-2）

小车移动的距离（以驱动轮为参考）

dsRd



2

（式2-3）

2、转向

S



2

0

dy2

1（）dx

dx



2

0

2

1（0.25



sin



x）dx2.570

（式2-4）

-11-

y0.25cos

x

图2-1转向

3、

小车行走轨迹

：

原始曲线的轨迹方程为：

以障碍间距1000mm为一个周期曲线的长度为：

4、

行走距离估算

锥形绕线轮最大直径：Rmax=10.000mm

锥形绕线轮最小直径Rmin=5.000mm

C

平均

=2*

*R

≈

15.7mm

绕桩个数N=错误!未找到引用源。*2=50.9554

前行距离S=N*1=50.9m

通过理论与实践结合，小车行走距离（包括绕开障碍物）约45--50米。

5

微调原理

微调机构采用反螺纹微调，其结构有调节范围广，精度高，操作简单，可靠

的特点

-12-

2.2参数确定

驱动轮半径：R=163.662mm

摩擦轮：d=20.000mm

摩擦盘半：D=70.000mm

齿轮传动比：i=5

连杆长：L=41.70mm

摇杆长：l=53.68mm

曲柄半径：r=35.42mm

锥形轮最大半径：Rmax=10mm

锥形轮最小半径：Rmin=5mm

2.3零部件设计

需加工零件：

1.驱动轴

45号钢，直径5mm。

2.车轮

硬铝板材（2A12-T4）。厚度：4mm，规格尺寸：180*180mm（2块）

可购买的标准件：

深沟球轴承10个，其具体指标如表2-1所示

表2-1深沟球轴承

型号2W85

内径（d）

5

外径（D）11

厚度（H）

4

市场单价（元）

2

滑块，其具体指标如表2-2所示

表2-1滑块

型号RSR3M

长度12

宽度8

厚度4

市场单价（元）

16.5

圆柱直齿轮3个

-13-

主动齿轮：模数M=1，齿数Z=50，压力角=20，内孔d=5mm，

厚度H=5mm

传动齿轮1：模数M=1，齿数Z=20，压力角=20，内孔d=5mm

厚度H=5mm

传动齿轮2：模数M=1，齿数Z=40，压力角=20，内孔d=5mm

厚度H=5mm

驱动齿轮：模数M=1，齿数Z=20，压力角=20，内孔d=5mm，

厚度H=4mm

材料：尼龙

-14-

附录

装配图

-15-