S型无碳小车设计
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轴的设计
在整个无碳小车的设计方案中，包括后车轮轴、绳轮轴、槽轮轴、转向轴4跟轴(参见图3-4 至3-7)。根据无碳小车的选用的C6201轴承，这4根最大直径应该为12mm，便于装配。因为 无碳小车的动力较小，轴承产生的扭矩较小，不再对轴的强度进行校核。
3 结构设计及参数选择
车轮轴的尺寸见图3-4
绳轮轴的尺寸见图3-5
2 整体设计思路
转向机构
转向机构是本无碳小车设计的关键部分，直接决定着小车能否按“S”的路线行走 。一般能按特定规律运动的机构有：凸轮机构、曲柄摇杆、齿带槽、凹槽轮等。
凸轮机构：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 轮轮廓设计计算麻烦，加工比较困难。 曲柄摇杆：优点：运动副单位面积所受压力小，且面接触方便润滑，故磨损减小， 制造方便，能够获得较高精度；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。
图1-1 无碳小车示意图
1 课题内容
Байду номын сангаас小车运动要求： 小车在前行时能够按照预定路线行走，自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍
物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线间距1000mm摆放。如图1-2
图1-2 运动轨迹示意图
2 整体设计思路
围绕无碳小车的命题要求，对命题进行了简要的分析：
①无碳小车在整个行驶过程中，都是由重锤下落的重力势能提供能量，在设计中应尽可能利用 这势能，减少其它不必要结构消耗能量。
图3-1小车行走路线示意图
3 结构设计及参数选择
把此路线近似于余弦曲线，振幅为300mm，波长2000mm，轨迹方程近似为：
用Mathematica数学软件求解得s=2388.97mm 可知无碳小车行驶一个周期走过的路径为2388.97mm，无碳小车的车轮也近似走了 2388.97mm。
3 结构设计及参数选择
⑤无碳小车的车轮与地面的摩擦越小，小车行走的越远。
2 整体设计思路
基于上述考虑，得出无碳小车的结构越简单重力势能转换成动能时损失的能量少效 率就高；通过设计齿轮的传动比可以改变小车的初始速度，速度越快，小车能走得 越远；合理的设计出转向机构能够让小车按近似于“S”型路线行走；微调机构能 够调节小车的转向角度，让无碳小车顺利避过障碍物；合理的选材减轻整车质量， 减少摩擦。因此完整的无碳小车应当包括车架、传动构件、转向机构、车轮、重锤 架。下面简要考虑车架、传动构件、转向机构的选用。
车轮尺寸的设计
由小车行走路线的轨迹及方案的初步计算可知，车轮半径越大，小车走得越远，无 碳小车行走一个半径时，车轮转过的圈速越小越好。这里设定车轮转过3圈，则可 以计算出无碳小车的车轮半径为 =126.8mm，为了方便制作取半径为 =125mm
齿轮的确定
确定了无碳小车的车轮半径后，根据
ds= *d =
无碳小车
4/18/20210 15-12-8
课题内容
1
整体设计思路
2
目录
4
仿真结果
3
结构设计及 参数选择
1 课题内容
本课题围绕主题：基于SolidWorks下无碳小车的设计及模拟仿真，设计一种无碳小 车，根据能量转换原理,驱动小车运动的能量是给定重力的重锤下落的势能转换来的 机械能让其行走及转向的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的 重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅锤下降来获得，落差400±2mm，重块落下后， 能和小车一起运动并被小车承载，避免铅垂从小车上掉落。图1-1为小车示意图。
图2-1凹槽轮
3 结构设计及参数选择 轨道的设计
无碳小车按正弦曲线行走，路线近似于“S”型，在行驶轨迹确定的情况下，小车的行驶路 径不变，对路径的研究设计，可以大概确定小车行走路程，初步断定车轮的半径，转向轮的 最大角度。 无碳小车在宽度为2000mm的赛道上行驶，中间的障碍物相隔100mm，为了不让无碳小车越 出赛道，避免无碳小车与障碍物碰撞，拟定出一下路线图参见图3-1：
3 结构设计及参数选择
选用齿轮1和齿轮2的总齿数为100。齿轮1齿数为20，齿轮2齿数为80。 根据《机械设计课程设计》齿轮结构设计可计算出齿轮1、齿轮2的参数如下：
m=2 齿轮1：=20，直径=m=40mm 齿顶圆直径 =44mm； 齿根圆直径=35mm； 齿顶高 =2mm； 齿根高 =2.5mm； 齿轮2：=80，直径=m=160mm 齿顶圆直径 =164mm ； 齿根圆直径=155mm； 齿顶高 =2mm； 齿根高 =2.5mm
2 整体设计思路
齿带槽：通过在齿带背后建立特定轨迹凹槽，凹槽连接摇杆，带动摇杆左右有规律 摆动，驱动转向轮规律转动。优点：凹槽轨迹容易获得，制作方便。缺点：如果小 车运动轨迹长，齿条也要较长，齿轮的增加消耗过多势能。 凹槽轮：在轮子面部制作凹槽，凹槽连接摇杆，带动摇杆左右有规律摆动，驱动转 向轮规律转动。优点：凹槽轨迹容易获得，制作方便，在较小的空间在齿轮面可以 圆周规律循环，不用考虑长度。缺点：体积较大。参见图2-1
图3-4 车轮轴尺寸
图3-5 绳轮轴的尺寸
3 结构设计及参数选择
槽轮轴尺寸见图3-6
转向轴尺寸见图3-7
图3-6 槽轮轴尺寸
图3-7 转向轴尺寸
3 结构设计及参数选择
槽轮轴尺寸见图3-6
转向轴尺寸见图3-7
图3-6 槽轮轴尺寸
图3-7 转向轴尺寸
3 结构设计及参数选择
完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配图
图3-3 凹槽中心距示意图
3 结构设计及参数选择
转向轮的设计
转向轮随着轴向轴的偏转而偏转，转向轮起到调整小车转弯的作用，转向轮不应过大，一般 小于后轮的尺寸，设定转向轮的半径为25mm。
轴承的选用
考虑到轴承不易制作，在实际中可以通过选用购买标准件用于小车的制作。轴承的选用标准 参考《机械设计课程设计》机械工业出版社第133页滚动轴承的国家标准。选用最小的深沟 球轴承C6201，最小直径为12mm，最大外径为32mm。
②因为提供的能量有限，要可能减少整个无碳小车的质量，无碳小车越轻越好，因此尽可能使 用轻质材料构成。
③无碳小车按照“s”型路线行走，要有一定的转向机构按照一定的规律周期运转，并且稳定可 靠能及时响应。
④重锤下落牵动绳子,绳子带动绳轮转动,然后通过齿轮的传动按照一定转动比将转速传递给车轮 轴,带动小车行走。因此要设计好齿轮的参数及传动比,尽量减少齿轮数量减少能量损失。
谢谢观看
图3-8无碳小车的完整装配图建模
3 结构设计及参数选择
完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配图
3 结构设计及参数选择
完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配图
4 仿真结果
在完成整体装配图的环境下，单击左下角的运动算例，把动画模拟时间轴拉到20秒的位置。 在无碳小车装配体中，单击虚拟马达，弹出马达类型对话窗，选择旋转马达，然后单击绳轮 面，为绳轮轴添加一个虚拟马达。虚拟马达模拟重锤下落时牵动绳子带动绳索转动的情况， 设定虚拟马达的转速为30r/min。 然后按下从头播放动画，观察小车齿轮、车轮、凹槽轮、拨杆运动情况。输出动画结果，对 结果进行分析。 对于建立的无碳小车，在没有考虑其它摩擦力、阻力、能量损失的情况下，加人虚拟马达模 拟运动时，绳轮能带动轴的转动，引起齿轮2的转动，齿轮2又带动齿轮1、齿轮3的转动。当 车轮转过1.5圈时，凹槽轮刚好转过0.5圈，说明齿轮1、齿轮2、齿轮3在齿数设计上符合拟定 的运动轨迹转向要求。 对于转向机构的设计，凹槽轮转动时，拨杆球面与凹槽面相切运动，随着凹槽的改变，拨杆 也能随着凹槽路径改变，引起转向轴的改变，带动前轮转动。说明设计的这种转向机构有一 定的实用性，能够带动小车有规律的转向。同理可以通过边凹槽轮上的凹槽路径，设定出特 定规律的路径，让无碳小车沿不同特定规律路线行走。比如走“8”字型、“0”路线。
2 整体设计思路
车架
车架承受的力不大，要求重量轻，加工简单，考虑到加工成本等，车架采用无机橡胶加工制作 成正方形底板式，尺寸还要进一步确定。
传动构件
为了使小车行驶得更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构需要传递效率高、传动稳定、结 构简单重量轻等。一般传动机构主要有齿轮传动、带轮传动、链传动。 1.齿轮传动的特点是：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 度和尺寸范围大。 2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不 适合本小车设计。 3. 链传动平均传动比准确,传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环 境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。 带轮传动精确度不高，不适合小车精确传动。链传动由于制作不便，且制作成本高，故只用齿 轮传动。
图3-2 前轮最大转动角度
为了便于设计与实际制作，凹槽轮的直径与齿轮3的直径相同为120mm。
3 结构设计及参数选择
在转动最大角度及拨杆小球的直径确定情况下，凹轮槽的宽度尺寸由转向轴心与凹槽轮轴心的距离确定， 为了能更好的调节转向角度，设计转向最大转向角度为 。转向轴心与凹槽轮轴心的距离不宜过长，太长 会影响整体小车的车身变长，设定两轴心距离为85mm。在SolidWorks草绘图型界面下，可以容易看出两 凹槽的中心距离，参见图3-3。
(3-5)
其中齿轮2于齿轮1的传动比i=
3 结构设计及参数选择
可知齿轮1和齿轮2的传动比决定了无碳小车初始速度的大小，适当的调节齿轮的转 动比，确定齿数大小的比例，从而可以得出齿轮半径的大小。 由《机械原理》第七版180页齿轮标准模数系列表确定齿轮1、齿轮2、齿轮3的模数 为2。 无碳小车的齿轮转动精度要求高齿数越多越好，传动比在10以内比较合适，在这里 选用齿轮2和齿轮1的转动比为4。根据《机械制造装备设计》第3版100页各种常用 传动比的适用齿数,参见表3-1：
3 结构设计及参数选择 转向拨杆的设计
转向拨杆的端面小球直径10mm，杆长60mm，杆直径3mm，杆面有螺纹便于调节球面与凹 槽轮的长度，引起转向轴的轻微偏转。这种设计把转向机构与微调机构整合在一起，设计简 单、机构轻巧、灵活方便。
凹槽轮的设计
凹槽轮的宽度由拨杆小球的球面直径和前轮转向的最大角度决定。 在实际的运动中无碳小车的转向角度,参见图3-2
在整个无碳小车的设计方案中，包括后车轮轴、绳轮轴、槽轮轴、转向轴4跟轴(参见图3-4 至3-7)。根据无碳小车的选用的C6201轴承，这4根最大直径应该为12mm，便于装配。因为 无碳小车的动力较小，轴承产生的扭矩较小，不再对轴的强度进行校核。
3 结构设计及参数选择
车轮轴的尺寸见图3-4
绳轮轴的尺寸见图3-5
2 整体设计思路
转向机构
转向机构是本无碳小车设计的关键部分，直接决定着小车能否按“S”的路线行走 。一般能按特定规律运动的机构有：凸轮机构、曲柄摇杆、齿带槽、凹槽轮等。
凸轮机构：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 轮轮廓设计计算麻烦，加工比较困难。 曲柄摇杆：优点：运动副单位面积所受压力小，且面接触方便润滑，故磨损减小， 制造方便，能够获得较高精度；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。
图1-1 无碳小车示意图
1 课题内容
Байду номын сангаас小车运动要求： 小车在前行时能够按照预定路线行走，自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍
物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线间距1000mm摆放。如图1-2
图1-2 运动轨迹示意图
2 整体设计思路
围绕无碳小车的命题要求，对命题进行了简要的分析：
①无碳小车在整个行驶过程中，都是由重锤下落的重力势能提供能量，在设计中应尽可能利用 这势能，减少其它不必要结构消耗能量。
图3-1小车行走路线示意图
3 结构设计及参数选择
把此路线近似于余弦曲线，振幅为300mm，波长2000mm，轨迹方程近似为：
用Mathematica数学软件求解得s=2388.97mm 可知无碳小车行驶一个周期走过的路径为2388.97mm，无碳小车的车轮也近似走了 2388.97mm。
3 结构设计及参数选择
⑤无碳小车的车轮与地面的摩擦越小，小车行走的越远。
2 整体设计思路
基于上述考虑，得出无碳小车的结构越简单重力势能转换成动能时损失的能量少效 率就高；通过设计齿轮的传动比可以改变小车的初始速度，速度越快，小车能走得 越远；合理的设计出转向机构能够让小车按近似于“S”型路线行走；微调机构能 够调节小车的转向角度，让无碳小车顺利避过障碍物；合理的选材减轻整车质量， 减少摩擦。因此完整的无碳小车应当包括车架、传动构件、转向机构、车轮、重锤 架。下面简要考虑车架、传动构件、转向机构的选用。
车轮尺寸的设计
由小车行走路线的轨迹及方案的初步计算可知，车轮半径越大，小车走得越远，无 碳小车行走一个半径时，车轮转过的圈速越小越好。这里设定车轮转过3圈，则可 以计算出无碳小车的车轮半径为 =126.8mm，为了方便制作取半径为 =125mm
齿轮的确定
确定了无碳小车的车轮半径后，根据
ds= *d =
无碳小车
4/18/20210 15-12-8
课题内容
1
整体设计思路
2
目录
4
仿真结果
3
结构设计及 参数选择
1 课题内容
本课题围绕主题：基于SolidWorks下无碳小车的设计及模拟仿真，设计一种无碳小 车，根据能量转换原理,驱动小车运动的能量是给定重力的重锤下落的势能转换来的 机械能让其行走及转向的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的 重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅锤下降来获得，落差400±2mm，重块落下后， 能和小车一起运动并被小车承载，避免铅垂从小车上掉落。图1-1为小车示意图。
图2-1凹槽轮
3 结构设计及参数选择 轨道的设计
无碳小车按正弦曲线行走，路线近似于“S”型，在行驶轨迹确定的情况下，小车的行驶路 径不变，对路径的研究设计，可以大概确定小车行走路程，初步断定车轮的半径，转向轮的 最大角度。 无碳小车在宽度为2000mm的赛道上行驶，中间的障碍物相隔100mm，为了不让无碳小车越 出赛道，避免无碳小车与障碍物碰撞，拟定出一下路线图参见图3-1：
3 结构设计及参数选择
选用齿轮1和齿轮2的总齿数为100。齿轮1齿数为20，齿轮2齿数为80。 根据《机械设计课程设计》齿轮结构设计可计算出齿轮1、齿轮2的参数如下：
m=2 齿轮1：=20，直径=m=40mm 齿顶圆直径 =44mm； 齿根圆直径=35mm； 齿顶高 =2mm； 齿根高 =2.5mm； 齿轮2：=80，直径=m=160mm 齿顶圆直径 =164mm ； 齿根圆直径=155mm； 齿顶高 =2mm； 齿根高 =2.5mm
2 整体设计思路
齿带槽：通过在齿带背后建立特定轨迹凹槽，凹槽连接摇杆，带动摇杆左右有规律 摆动，驱动转向轮规律转动。优点：凹槽轨迹容易获得，制作方便。缺点：如果小 车运动轨迹长，齿条也要较长，齿轮的增加消耗过多势能。 凹槽轮：在轮子面部制作凹槽，凹槽连接摇杆，带动摇杆左右有规律摆动，驱动转 向轮规律转动。优点：凹槽轨迹容易获得，制作方便，在较小的空间在齿轮面可以 圆周规律循环，不用考虑长度。缺点：体积较大。参见图2-1
图3-4 车轮轴尺寸
图3-5 绳轮轴的尺寸
3 结构设计及参数选择
槽轮轴尺寸见图3-6
转向轴尺寸见图3-7
图3-6 槽轮轴尺寸
图3-7 转向轴尺寸
3 结构设计及参数选择
槽轮轴尺寸见图3-6
转向轴尺寸见图3-7
图3-6 槽轮轴尺寸
图3-7 转向轴尺寸
3 结构设计及参数选择
完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配图
图3-3 凹槽中心距示意图
3 结构设计及参数选择
转向轮的设计
转向轮随着轴向轴的偏转而偏转，转向轮起到调整小车转弯的作用，转向轮不应过大，一般 小于后轮的尺寸，设定转向轮的半径为25mm。
轴承的选用
考虑到轴承不易制作，在实际中可以通过选用购买标准件用于小车的制作。轴承的选用标准 参考《机械设计课程设计》机械工业出版社第133页滚动轴承的国家标准。选用最小的深沟 球轴承C6201，最小直径为12mm，最大外径为32mm。
②因为提供的能量有限，要可能减少整个无碳小车的质量，无碳小车越轻越好，因此尽可能使 用轻质材料构成。
③无碳小车按照“s”型路线行走，要有一定的转向机构按照一定的规律周期运转，并且稳定可 靠能及时响应。
④重锤下落牵动绳子,绳子带动绳轮转动,然后通过齿轮的传动按照一定转动比将转速传递给车轮 轴,带动小车行走。因此要设计好齿轮的参数及传动比,尽量减少齿轮数量减少能量损失。
谢谢观看
图3-8无碳小车的完整装配图建模
3 结构设计及参数选择
完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配图
3 结构设计及参数选择
完成各种零件的装配后得到了无碳小车的完整装配图
4 仿真结果
在完成整体装配图的环境下，单击左下角的运动算例，把动画模拟时间轴拉到20秒的位置。 在无碳小车装配体中，单击虚拟马达，弹出马达类型对话窗，选择旋转马达，然后单击绳轮 面，为绳轮轴添加一个虚拟马达。虚拟马达模拟重锤下落时牵动绳子带动绳索转动的情况， 设定虚拟马达的转速为30r/min。 然后按下从头播放动画，观察小车齿轮、车轮、凹槽轮、拨杆运动情况。输出动画结果，对 结果进行分析。 对于建立的无碳小车，在没有考虑其它摩擦力、阻力、能量损失的情况下，加人虚拟马达模 拟运动时，绳轮能带动轴的转动，引起齿轮2的转动，齿轮2又带动齿轮1、齿轮3的转动。当 车轮转过1.5圈时，凹槽轮刚好转过0.5圈，说明齿轮1、齿轮2、齿轮3在齿数设计上符合拟定 的运动轨迹转向要求。 对于转向机构的设计，凹槽轮转动时，拨杆球面与凹槽面相切运动，随着凹槽的改变，拨杆 也能随着凹槽路径改变，引起转向轴的改变，带动前轮转动。说明设计的这种转向机构有一 定的实用性，能够带动小车有规律的转向。同理可以通过边凹槽轮上的凹槽路径，设定出特 定规律的路径，让无碳小车沿不同特定规律路线行走。比如走“8”字型、“0”路线。
2 整体设计思路
车架
车架承受的力不大，要求重量轻，加工简单，考虑到加工成本等，车架采用无机橡胶加工制作 成正方形底板式，尺寸还要进一步确定。
传动构件
为了使小车行驶得更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构需要传递效率高、传动稳定、结 构简单重量轻等。一般传动机构主要有齿轮传动、带轮传动、链传动。 1.齿轮传动的特点是：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 度和尺寸范围大。 2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不 适合本小车设计。 3. 链传动平均传动比准确,传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环 境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。 带轮传动精确度不高，不适合小车精确传动。链传动由于制作不便，且制作成本高，故只用齿 轮传动。
图3-2 前轮最大转动角度
为了便于设计与实际制作，凹槽轮的直径与齿轮3的直径相同为120mm。
3 结构设计及参数选择
在转动最大角度及拨杆小球的直径确定情况下，凹轮槽的宽度尺寸由转向轴心与凹槽轮轴心的距离确定， 为了能更好的调节转向角度，设计转向最大转向角度为 。转向轴心与凹槽轮轴心的距离不宜过长，太长 会影响整体小车的车身变长，设定两轴心距离为85mm。在SolidWorks草绘图型界面下，可以容易看出两 凹槽的中心距离，参见图3-3。
(3-5)
其中齿轮2于齿轮1的传动比i=
3 结构设计及参数选择
可知齿轮1和齿轮2的传动比决定了无碳小车初始速度的大小，适当的调节齿轮的转 动比，确定齿数大小的比例，从而可以得出齿轮半径的大小。 由《机械原理》第七版180页齿轮标准模数系列表确定齿轮1、齿轮2、齿轮3的模数 为2。 无碳小车的齿轮转动精度要求高齿数越多越好，传动比在10以内比较合适，在这里 选用齿轮2和齿轮1的转动比为4。根据《机械制造装备设计》第3版100页各种常用 传动比的适用齿数,参见表3-1：
3 结构设计及参数选择 转向拨杆的设计
转向拨杆的端面小球直径10mm，杆长60mm，杆直径3mm，杆面有螺纹便于调节球面与凹 槽轮的长度，引起转向轴的轻微偏转。这种设计把转向机构与微调机构整合在一起，设计简 单、机构轻巧、灵活方便。
凹槽轮的设计
凹槽轮的宽度由拨杆小球的球面直径和前轮转向的最大角度决定。 在实际的运动中无碳小车的转向角度,参见图3-2