“S”形轨迹无碳小车的结构设计与运动仿真
“S环形”无碳小车的结构设计研究
地面的运动约束不同，使得运动轨迹不同。单轮驱动的效率比差
速器高，缺点是运动速度不稳定，传动精度相对于单向轴承来说
要更高。
综上所述，单向轴承实现差速是一个性价比高的方案，不仅
安装方便，也使无碳小车结构更为简单。当其中一个轮子拐弯半
径大的作从动轮，速度较大，处于内径的轮子成为主动轮，这样
交替变换。不会产生因为转弯半径过大而导致侧翻的情况。
中图分类号 ：TB472 文献标识码 ：A 文章编码 ：1672-7053(2019)09-0158-02
Abstract ：Carbon-free trolley is driven by the gravitational potential energy obtained by the falling of the weight attached to the trolley as the only power source, which can be converted into mechanical energy. The trajectory of the car is similar to the "S-ring" type. This paper describes the design process of the car from five modules: the original mechanism, the transmission mechanism, the steering mechanism. Key Words ：S-ring; Carbonless trolley; Structural Design
S型无碳小车设计
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。
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。
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s型无碳小车的设计说明
s 型无碳小车的设计说明1.小车行走轨迹的规划和计算小车的行走轨迹为正弦型曲线，最小振幅为200mm ，周期为2000mm 。
其运动轨迹为 ：后轮的参数设计：设计目标：小车行走水平距离S′=60m ，理论行走时间t 总=10min小车行走路线为正弦曲线，曲线振幅为200mm ，一个周期的水平距离为2000mm ，所以可得出曲线函数式：x y πcos 2.0= 计算曲线路程m x s 4.2)sin 2.0(11221=-+⨯=⎰ππ周期数n=2s '=30 所以总路程m s n s 72='= 周期T=t n =60030=20s 车身速度1 2.4/0.12/20s v m s m s t === 重物下降速度00.41//6001500h v m s m s t === 设绕绳轮半径为0r ，则02r n h π=所以00010.314/15000.0021231v w rad s r ===⨯ 又10v v = 10w w =设偏心轮偏心距为e ，半径为1r 前轮半径为2r ，后轮半径为r 5， 大带轮半径为r 3，小带轮半径为r 4 带轮传动比为i=3 则03w w = 01w w =4350.942/w iw w rad s ===05553550v v w r iw r i r v r ==== 所以050127.386r vr mmiv ==则后轮的直径为127.4mm,前轮直径60mm ，车底板总长180mm ，宽170mm带轮的参数设计已知功率W mgv P 15010== 转速min /926041r w n ==π1、确定计算功率ca P查得工作情况系数0.1=A K 故W P K P A ca 150115011*=⨯== 2、 选择带型选用Y 型带 3、 确定带轮的基准直径，并验算带速v 1）初选小带轮的基准直径。
由表查得取小带轮的基准直径mm d d 251= 2）验算带速s m n d v d /011775.010006092514.310006011=⨯⨯⨯=⨯=π3）计算大带轮的基准直径mm id d d d 7525312=⨯== 根据表查得，圆整为mm d d 712=4、 确定带的中心距a 和基准长度Ld1）根据式（8-20） )(2)(7.021021d d d d d d a d d +≤≤+ 1922.670≤≤a 2）初定中心距 mm a 1300=3）由式（8-22）计算带所需的基准长度mmmm a d d d d a L d d d d d 4151304)2571()2571(213024)()(22202122100≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯-+++⨯=-+++≈ππ 由表8-2选带的基准长度mm L d 450=4）按式（8-23）计算实际中心距amm L L a a d d5.14720=-+= 5、 验算小带轮上的包角oo o ood d oa d d 907.1591303.57)2571(1803.57)(180121≥=--=--=α6、 计算带上的有效拉力Fe由1000*v Fe P =得N N vPFe 5662.0011775.0101501100010003=⨯⨯==- 阶梯轴的参数设计设重物在刚开始下降的瞬间加速下降的距离为0h设绕线一圈，则r h '=π20（r '为加速绕线处主动轴半径）...................(1) 又在这一过程中022ah v =...........................................(2) 0F mg ma -=........................................(3) Me r F ='0...........................................(4) 其中23310123.2105.35531.0--⨯=⨯⨯=⨯=r Fe Me 由以上四式可解出mmr mmh 124.233872.130='=转向机构和可调节机构的选取转向机构：本机构设计采用偏心轮+连杆+摇杆，其单位面积所受压力比较小而且接触面便于润滑，摩擦小制造方便能获得较高的精度。
S型无碳小车设计
3 构造设计及参数选择
完毕多种零件旳装配后得到了无碳小车旳完整装配图
3 构造设计及参数选择
完毕多种零件旳装配后得到了无碳小车旳完整装配图
4 仿真成果
在完毕整体装配图旳环境下，单击左下角旳运动算例，把动画模拟时间轴拉到20秒旳位置。 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，为绳轮轴添加一种虚拟马达。虚拟马达模拟重锤下落时牵动绳子带动绳索转动旳情况， 设定虚拟马达旳转速为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。输出动画成果，对 成果进行分析。 对于建立旳无碳小车，在没有考虑其他摩擦力、阻力、能量损失旳情况下，加人虚拟马达模 拟运动时，绳轮能带动轴旳转动，引起齿轮2旳转动，齿轮2又带动齿轮1、齿轮3旳转动。当 车轮转过1.5圈时，凹槽轮刚好转过0.5圈，阐明齿轮1、齿轮2、齿轮3在齿数设计上符合拟定 旳运动轨迹转向要求。 对于转向机构旳设计，凹槽轮转动时，拨杆球面与凹槽面相切运动，伴随凹槽旳变化，拨杆 也能伴随凹槽途径变化，引起转向轴旳变化，带动前轮转动。阐明设计旳这种转向机构有一 定旳实用性，能够带动小车有规律旳转向。同理能够经过边凹槽轮上旳凹槽途径，设定出特 定规律旳途径，让无碳小车沿不同特定规律路线行走。例如走“8”字型、“0”路线。
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无碳小车
12/8/2023 023-12-8
课题内容
1
整体设计思绪
2
目录
4
仿真成果
3
构造设计及 参数选择
1 课题内容
本课题围绕主题：基于SolidWorks下无碳小车旳设计及模拟仿真，设计一种无碳小 车，根据能量转换原理,驱动小车运动旳能量是给定重力旳重锤下落旳势能转换来旳 机械能让其行走及转向旳。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg旳 重块（￠50×65 mm，一般碳钢）铅锤下降来取得，落差400±2mm，重块落下后， 能和小车一起运动并被小车承载，防止铅垂从小车上掉落。图1-1为小车示意图。
浅谈“S形”无碳小车的轨迹调试
浅谈“S形”无碳小车的轨迹调试“S形”无碳小车是一种基于无碳轨道技术的新型交通工具，其特点是能够在特定的轨道上进行高速行驶，并且能够实现自主控制和自动导航。
在实际运营过程中，由于各种因素的影响，无碳小车的轨迹可能存在一些偏差，需要进行调试和优化，以保证其运行的稳定性和安全性。
本文将从设计原理、调试方法和效果评估三个方面对“S形”无碳小车的轨迹进行浅谈。
设计原理是无碳小车轨迹调试的基础。
无碳小车的设计原理是利用轨道上的磁场进行悬浮和推进，通过电磁力来实现小车的运动。
调试过程中需要根据原理进行参数设置，包括磁力和速度的控制，以及轨道的设计和布置。
在设计原理的基础上，可以根据实际情况进行调试和优化。
调试方法是无碳小车轨迹调试的关键。
调试方法需要根据实际情况进行选择和应用，常用的方法包括试错法、仿真模拟和实验验证等。
试错法是通过多次调试和实验，不断调整参数和修正错误，逐步优化小车的轨迹。
仿真模拟是利用计算机软件进行虚拟实验，通过模拟运行情况来调试轨迹。
实验验证是在实际运行环境中进行调试，通过观察和测试小车的运动轨迹来进行调整和优化。
调试方法需要根据实际情况进行选择和结合，以提高调试的效率和准确性。
效果评估是无碳小车轨迹调试的重要环节。
调试的目的是为了使无碳小车能够在轨道上稳定行驶，达到预期的效果。
需要对调试的结果进行评估和分析，包括小车的运行速度、悬浮稳定性和轨迹精度等方面。
评估的方法可以通过观察实际运行情况、测量数据和模拟分析等方式进行。
评估结果可以用于判断调试的效果，并进行进一步的调整和优化。
“S形”无碳小车的轨迹调试是一个复杂而关键的过程，需要结合设计原理、调试方法和效果评估进行。
通过科学合理的调试方法和有效的评估手段，可以使无碳小车的轨迹达到预期的目标，实现安全稳定地行驶。
相信随着技术的不断进步和完善，“S形”无碳小车将会在未来的交通出行中发挥越来越重要的作用。
浅谈“S形”无碳小车的轨迹调试
浅谈“S形”无碳小车的轨迹调试一、“S形”无碳小车的轨迹特点我们来看一下“S形”无碳小车的轨迹特点。
所谓“S形”无碳小车，指的是一种结构紧凑、操控灵活的小型电动车辆，其整体形状呈现出S形曲线的特点。
这种车辆设计的初衷是为了让车辆能够更好地适应城市道路的复杂环境，提高车辆的通过性和操控性能。
在行驶过程中，“S形”无碳小车需要能够灵活应对各种复杂的曲线轨迹，这就要求车辆具有较高的稳定性和精准的操控性。
与传统的直线行驶相比，“S形”无碳小车在曲线轨迹上的要求更加苛刻，需要车辆能够通过加速、转向和制动等操作，实现对曲线轨迹的快速、稳定地适应和响应。
接下来，我们来谈谈“S形”无碳小车的轨迹调试方法。
轨迹调试是指通过对车辆的悬挂系统、转向系统、制动系统等关键部件进行调整和优化，使得车辆能够更好地适应曲线轨迹。
一般来说，轨迹调试可以分为静态调试和动态调试两个阶段。
静态调试主要是通过对车辆的悬挂系统进行调整，使得车辆在通过曲线轨迹时能够保持较好的姿态。
这包括了对悬挂系统的弹簧、减震器等部件进行调整，以及对车辆的重心高度、轮距等参数进行优化。
静态调试的关键是要使得车辆在曲线轨迹上行驶时，能够保持足够的侧倾角和抓地力，从而提高车辆的操控性和稳定性。
我们要强调一些“S形”无碳小车的轨迹调试注意事项。
需要充分了解车辆的设计和结构特点，以便能够更好地进行轨迹调试。
要注意对车辆的关键部件进行调试和优化，不仅要注重单个部件的性能，还要考虑到各个部件之间的协调和配合。
要注意在轨迹调试过程中保持安全，尤其是在动态调试阶段，需要通过专业的测试设备和场地来进行，以免发生意外。
“S形”无碳小车的轨迹调试是一个非常复杂和细致的工作，需要研究者和实践者深入分析车辆的特点和要求，结合相关的理论知识和实践经验，才能够取得理想的调试效果。
希望通过本文的介绍，能够为相关领域的研究和实践工作提供一些参考和帮助，推动无碳小车技术的进步和应用。
S型无碳小车的建模设计与运动仿真及试验
机床与液压MACHINE TOOL&HYDRAULICSApr.2019 Vol.47No.82019年4月第47卷第8期DOI：10.3969/j.issn.1001-3881.2019.08.020本文引用格式：黄志辉，宋天革,周志豪，等.S型无碳小车的建模设计与运动仿真及试验[J].机床与液压,2019,47(8):88-91.HUANG Zhihui,SONG Tiange,ZHOU Zhihao,et al.Modeling Design and Motion Simulation and Test for S Type Carbon-free Car[J].Machine Tool&Hydraulics,2019,47(8)：88-91.s型无碳小车的建模设计与运动仿真及试验黄志辉，宋天革，周志豪，纪陈成，凌凯，黄国栋(无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡214121)摘要：根据全国大学生工程训练综合能力竞赛的命题，设计一种可以将重力势能转化为机械能并能驱动小车行走的无碳小车。
先运用NX10.0软件对无碳小车进行建模设计、装配和运动仿真；接着根据设计的模型完成小车的零件加工和装配；最后对实物样机进行调试，记录轨迹数据，将试验结果与运动仿真的结果进行对比。
结果表明：运动仿真的轨迹基本符合小车实际情况下行走的轨迹，验证了设计方案的可行性；运动仿真小车能避开障碍物桩距范围为190-305mm,试验中小车能避开障碍物桩距范围为180-350mm,达到了预期设计要求的200-300mm,也为后期的结构优化提供了更便捷的方法。
关键词：无碳小车；建模设计；运动仿真；NX试验中图分类号：TH128Modeling Design and Motion Simulation and Test for S Type Carbon-free CarHUANG Zhihui,SONG Tiange,ZHOU Zhihao,JI Chencheng,LING Kai,HUANG Guodong(Mechanical Institute of Technology,Wuxi Institute of Technology,Wuxi Jiangsu214121,China) Abstract:According to the requirements of National College Students Comprehensive Ability Competition in Engineering Training,a carbon-free car was designed which converted gravity energy into mechanical energy and drove the car to walk.NX10.0software was applied for modeling design,assembling and motion simulation of the carbon-free car；the parts processing and assembly were finished according to the designed model；the prototype was tested,the track data were recorded and the results were compared with motion simulation.The results show that,the motion simulation basically confonns to the actual situation,which verify the feasibility of the design；the motion simulation results show the car can avoid the barrier pile spacing of190~305mm,and the test shows the car can avoid the barrier pile spacing of180-350mm,which meet the requirements of the design requirements200~300mm.It also provides a more convenient way for the later structural optimization.Keywords:Carbon-free car；Modeling design；Motion simulation；NX test0前言无碳小车具有经济、环保、便利等优点，它对传统能源的逐渐取代以及提高能量的利用率具有深远意义。
S形轨迹无碳小车的结构设计
车行驶路线遥
参赛的无碳小车行驶性能要适应赛道表面摩擦因
* 黑龙江科技大学素质教育项目渊编号院SZ17-101冤 收稿日期院圆园员7 年 12 月
机械制造 56 卷 第 646 期
数特性和障碍桩的布置间距袁 无碳小车的结构应力求 简单袁以适应拆装要求遥
无碳小车以 4 J 重力势能克服摩擦力做功袁 摩擦 力包括车轮与赛道间的摩擦阻力和无碳小车机构的摩 擦力袁摩擦力对比赛结果有重要影响遥车轮与赛道间的 摩擦力与车轮材料尧赛道表面特性及车体的质量有关遥 车体质量大袁会增大车轮与赛道间的摩擦力袁影响无碳 小车前行距离遥车体质量轻袁则会降低无碳小车行驶的 稳定性遥 无碳小车机构的摩擦力还与无碳小车的结构 和制造精度有关遥 无碳小车的行驶路径根据障碍桩的 设置自动控制咱2暂遥
3 设计方案
实现 S 形轨迹无碳小车有多种方案袁 对各种方案 进行分析尧比较尧仿真和评价袁从中选择最优或次优的 方案遥
根据无碳小车的工作原理和外部边界条件袁 无碳 小车的设计方案如下院无碳小车采用三轮结构袁后轮驱 动袁 前轮控制转向曰 后轮的驱动力矩来自 4 J 重力势 能袁通过绕线轴尧齿轮驱动后轮前进曰后轮可采用传统 的齿轮差动机构袁或采用一轮驱动尧一轮随动曰通过曲 柄摇杆机构控制前轮转向遥
渊1冤
式中院m 为砝码质量袁kg袁m=l kg曰d 为绕线轴直径袁mm遥
4.2 传动机构
传动机构的主要功能是将运动从源动机构传递到
执行机构袁改变运动的方向尧速度和力矩遥 常用的传动
方式有机械传动尧电气传动尧液压传动尧气压传动袁机械
传动有齿轮传动尧带轮传动尧摩擦轮传动尧丝杠螺母副
传动等遥由于无碳小车的驱动力较小袁因此无碳小车采
Key Words院 Carbonless Car Structure Design
浅谈“S形”无碳小车的轨迹调试
浅谈“S形”无碳小车的轨迹调试“S形”无碳小车是一种利用纯机械原理完成轨迹控制的小车。
与电子控制的小车相比，这种小车具有低功耗、低成本、易于实现曲线运动、不受外部干扰等优点。
在实际应用中，轨迹调试是保证小车能够准确运动的关键之一。
本文将从设计原理、轨迹规划及调试过程等方面进行探讨。
1.设计原理“S形”无碳小车是由车身、支撑杆、控制杆、行程限制器和轮子等部件组成。
其中，控制杆是调节小车运动轨迹的核心部位，其长度决定了小车转弯的半径。
当控制杆的长度为某一个长度时，小车的运动轨迹将呈现出一个S形（正弦型）曲线。
这是因为，当小车转弯时，控制杆的作用将转换车身的方向，从而达到曲线运动的目的。
2.轨迹规划为了实现“S形”曲线运动，需要对小车的轨迹进行规划。
一般来说，轨迹规划可分为两个阶段：前半段和后半段。
前半段是小车进入曲线的过程，需要控制小车以逐渐增加的半径进入曲线，以避免突然偏离或失控。
后半段是小车退出曲线的过程，需要控制小车以逐渐减小的半径退出曲线，以避免过冲或失控。
3.调试过程调试过程中应注意以下几点：（1）确认控制杆长度是否合适。
控制杆的长度直接影响小车转弯的半径，过长或过短都会导致小车偏离轨迹。
因此，在调试过程中应根据实际情况逐步调整控制杆的长度。
（2）逐渐增加运动速度。
在调试过程中，为保证小车的稳定性，应逐渐递增小车的运动速度。
如果速度过快，小车易失控或偏离轨迹，而速度过慢则会影响小车的行驶效率。
（3）根据实际情况调整轨迹规划。
在调试过程中，应根据实际情况逐步调整小车的轨迹规划。
例如，如果小车在进入曲线的过程中偏离轨迹，可以适当增加前半段的曲线半径；如果小车在退出曲线的过程中过冲，可以适当增加后半段的曲线半径。
（4）为减少误差，可增加传感器辅助。
在实际应用中，为了减少误差并且更加准确地规划小车的运动轨迹，可以增加传感器辅助。
例如，可以使用光电传感器或者红外传感器等方式获取小车位置信息，然后进行相应的调整。
S形轨迹无碳小车的结构设计(1)
“S形轨迹无碳小车的结构设计摘要：针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，设计一辆通过重力驱动的纯机械结构的无碳小车，且小车具有周期性越障功能。
通过所学知识，设计并制作该小车，参加比赛。
设定不同的参数，借助工程软件MATLAB对小车的轨迹进行仿真计算。
通过分析，设计出一辆满足比赛要求的小车。
并且通过调试证明，小车能够稳定行驶，具有较高的可靠性。
关键词：无碳小车越障轨迹仿真0前言本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于“S”形轨迹的要求，设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小车。
小车为三轮结构，前轮为方向轮；后面一轮为驱动轮，一轮为从动轮。
小车具有可调节的转向控制机构，以适应700-1300mm间距的不同间距障碍物。
1小车结构设计本文把小车的机构分为：原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身。
除了轴承、螺栓螺母等标准件可以直接选用外，小车的其余部件均使用L Y102铝合金制作。
本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调，满足强度要求、实现不同距离的越障功能。
下面是各个机构的设计：1.1原动机构设计原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能，从而驱动小车前进和转向的机构。
重物是1kg的标准砝码，重物周围是三根均布的钢管，从而约束重物的自由度，使重物直线下降，减少了能量损失，保证了小车重心的稳定性。
重物通过尼龙线绕在小车的绳轮上，在下降的过程中，带动绳轮的转动，实现了能量转换。
在实际测试中，证明了该结构简单、能量转化率高、成本低等特点。
1.2传动机构设计传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽，本文设计的小车的传动机构由后轮、一级齿轮、及其相关零件组成。
由于小车具有转向的功能，为不干扰小车的转向，后轮采用差速连接。
小车的右后轮为主动轮，左后轮为从动轮。
主动轮与传动机构相连，驱使小车的运动，从轮轮用轴承空套在后轴上，跟随小车的运动。
为了适应不同间距越障，同时增大小车行驶的距离，我们采用多组齿轮啮合的方式,将700-1300mm的间距大致分为三组：700~900mm，900~1100mm，1100~1300mm。
毕业论文(设计)无碳小车的整体设计及仿真分析
毕业设计任务书1．设计的主要任务及目标通过本次毕业设计了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序。
结合无碳小车的工作要求，不利用有碳能源，根据能量转换原理，利用重力势能驱动具有方向控制功能的小车模型。
完成无碳小车的整理设计。
借助于三维软件及动力学仿真软件，做出所需零件并完成装配，进行仿真模拟以验证设计的合理性。
2．设计的基本要求和内容了解无碳小车的设计要求采用偏心轮机构实现前轮的转向分析车身转角与前轮转角之间的关系，完成偏心轮的设计通过三维造型和动力学仿真软件对小车的运动进行仿真分析3．主要参考文献[1] 孙桓,陈作模.机械原理.7版.北京：高等教育出版社,2010[2] 李增刚.ADAMS入门详解与实例.北京：国防工业出版社,2006[3] 刘庆立.共轭凸轮机构参数化仿真设计技术的研究.包装工程，2012(5)[4] 张星.基于Pro/E的凸轮参数化设计及ADAMS仿真.科技经济市场,2008(2) 4．进度安排无碳小车的整体设计及仿真分析摘要：本设计来源于“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛和中国大学生创业计划竞赛，设计一种将重力势能转换为机械能，并可用来驱动小车行走及转向的装置。
本小车着重体现了无碳的概念，小车的动能完全由重力势能提供，是对环保的最高理想。
设计需要借助三维软件及动力学仿真软件进行可行性分析，验证设计的合理性。
使用Proe软件辅助设计并三维造型，使用Adams软件仿真分析，设计出了合理的转向机构，得到了符合比赛要求的行驶轨迹。
对小车行驶过程做出分析，得到速度曲线。
关键词：无碳小车，整体设计，三维造型，模拟仿真Carbon-free car's overall design and simulation analysisAbstract: This design is derived from the "challenge cup" national university student extracurricular academic science and technology works competition and Chinese college students business plan competition, design a kind of gravitational potential energy into mechanical energy, and can be used to drive the car to walk and to the device.This car will reflect the concept of free carbon, the kinetic energy of the car completely provided by the gravitational potential energy, is the highest ideal of environmental protection.Design need to use 3 d software and dynamic simulation software of feasibility analysis, validate the rationality of the ing Proe software aided design and 3 d modeling, simulation using Adams software, the design of steering mechanism, the movement track of conform to the requirements of the game.Make analysis to the car drive, speed curve.Keywords:Carbon-free car,integrated design,3D modeling,simulation目录1 绪论 (1)1.1 研究目的及意义 (1)1.2 无碳小车竞赛 (1)1.3 小车设计方法 (2)2 理论基础及方案设计 (4)2.1 车架设计 (4)2.2 原动机构设计 (4)2.3 传动机构设计 (5)2.4 转向机构设计 (6)2.5 行走机构设计 (16)3 三维造型及仿真分析 (17)3.1 三维造型 (17)3.1.1 原动机构造型 (18)3.1.2 传动机构造型 (19)3.1.3 转向机构造型 (20)3.1.4 行走机构造型 (21)3.2 仿真分析 (21)3.2.1 基于PROE的运动学仿真 (21)3.2.2 基于ADAMS的动力学仿真 (24)4 结果分析 (32)4.1 小车行驶轨迹分析 (32)4.2 小车行驶速度分析 (33)4.3 成果与展望 (35)参考文献 (36)致谢 (37)1绪论1.1研究目的及意义毕业设计是教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。
S型轨迹无碳小车的运动与仿真分析
S型轨迹无碳小车的运动与仿真分析作者：***来源：《价值工程》2019年第19期摘要：按照工程训练竞赛中“S”型赛道的竞赛要求，我们设计了一种仅由重力驱动的无碳小车。
为提高计算精度，优化设计，我们引入matlab作为求解工具，从微分学角度分析小车的运动过程。
通过对机构设计中的相关参量的赋值改变，探究其参数对小车轨迹的影响，从而取得最优解。
我们研制的小车在第六届全国大学生工训竞赛中荣获国家二等奖，本文所建立的算法为无碳小车的改进提供一种便捷的途径，对机构运动特性的相关研究也具有一定参考价值。
Abstract： In accordance with the requirements of the "S" track in the engineering training competition， we designed a carbon-free car driven only by gravity. In order to improve the calculation accuracy and optimize the design， matlab was introduced as the solving tool to analyze the car's motion process from the perspective of differential calculus. By changing the values of the relevant parameters in the mechanism design， the influence of the parameters on the trajectory of the car is explored， and the optimal solution is obtained. The car we developed won the second prize in the sixth national university student engineering training competition. The algorithm established in this paper provides a convenient way to improve the car without carbon， and has certain reference value for the research on the motion characteristics of the mechanism.关键词：无碳小车;matlab;轨迹计算;仿真分析Key words： carbon-free car;matlab;trajectory calculation;simulation analysis0; 引言S型无碳小车避障赛是第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的重要项目之一，是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，旨在提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养。
基于Solidworks的S型无碳小车设计和运动仿真分析
2019年第7期基于Solidworks 的S 型无碳小车设计和运动仿真分析刘英建，马天保，刘丽鑫，马佳宁（河北农业大学，河北保定071001）摘要：根据工程训练综合能力竞赛中的S 型运动特性无碳小车能够在规定一米桩的±300mm范围内任意摆放的要求，利用Solidworks 进行设计并进行仿真模拟，对运行轨迹进行分析，来减小实际运动中的误差。
关键词：无碳小车；Solidworks 建模；设计仿真模拟作者简介：刘英建（1998-），男，河北承德人，本科在读，主要研究方向：机械设计制造及其自动化。
1无碳小车设计1.1材料设计根据比赛的要求，利用质量为1kg 的钩码，降落高度为400±2mm ，将重力势能转化为小车的动能，要求车架材料不宜过重，重心要低，否则会增大地面与轮子的摩擦力，浪费更多能量，因此我们选用铝合金材质，其硬度较低且塑性好，强度高，接近甚至强于优质钢；另外一些较不关键的零件，例如轴承端盖、垫片使用亚克力材料，较铝合金更轻，价格低廉，通过AutoCAD 绘图和激光切割技术，进行零件的加工，最终达到减重的效果。
1.2零件设计本车采用两个轴承座与车底板螺纹连接，螺钉孔选用U 型孔，确定一侧，另外一侧轴承座可以进行微调，从而利于保证主动轴和从动轴一致的同轴度，如图1所示。
图1轴承座位置对于一些传统的机械加工方法难以完成或者精度无法保证的较小零件，采用3D 打印技术，如转向机构、双轨定滑轮和流线型绕线轮。
1.3设计亮点本车的最大亮点是在于其微调机构的设计，对于螺丝杆连接的方法，精度过低，且在调试过程中不易调节，操作十分不便，可以说是微调却难调，而此车进行了创新型设计，类比千分尺的结构，铝质空管与方管配套，通过刻度记位，实现连杆长度的精准变化，达到精准微调效果，如图2所示。
图2微调机构2Solidworks 建模和运动仿真分析2.1整机的设计根据上述方案进行Solidworks 整体装配建模，如图3所示，防止出现干涉问题，导致无法加工的情况。
“S”型无碳小车结构创新设计
型无碳小车结构创新设计
蒋创宇李笑笑 （河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003）
摘 要：本次研究的是可自发行走的方向可控的无碳小车，利用齿轮啮合将运动传递给后轮轴实现前进动作；并利用曲柄摇
杆机构实现前轮转向。我们根据功能要求分别做模块化分析。原动机构把重力势能转化为机械能，同时要降低摩擦损耗。传动机
构把机械能转化为满足小车前进及转向的动能。转向机构利用齿轮-齿轮（带有滑槽）间的传递，后经滑槽连接的连杆传递给转向
轮，实现往复摆动，调节转向轮转角大小使小车顺利绕桩行走。应用Solidedge、Proe、CAD等软件进行三维设计及仿真分析轨迹路 径，验证了小车的稳定性。
关键词：无碳小车；能量转换；结构设计
参考文献 [1]何川,封坤等.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].西南 交通大学学报,2015,5（1）. ⑵苏海鹏.盾构法隧道施工过程中的安全控制策略研究[J].四川 建材,2013,39（1）. [3]王磊，袁文征.盾构管片吊运系统平衡梁结构设计及优化[J].建 筑机械,2016⑷.
作者简介：陈艳（1989,4-）,男，汉族，湖北荆州人，湖北大学
小车趋近匀速行驶。设计中使锥状滚筒大端到小端平稳过渡。
驱动力大小适中，避免了拐弯时由于速度过大而侧翻,或者由
于重物摇晃幅度大影响行走叫
驱动力分析。设小车质量为m”重块质量为m2,地面支反力
为N;地面对车轮摩擦力为f,摩擦系数为4驱动轮直径为d,
(半径为r,);锥状滚筒传递的扭矩为M,其中最大直径为半 径d),最小直径d3；摩擦力对轮轴的扭矩为⑷,受力如图1所
4结论 本文综合性论述了隧道掘进机有关管片吊运技术，从轨道
型式，水平行走和起吊方式上进行详细的阐述。在特定工况模 式下，需详细分析设计。盾构开挖直径，地质结构，管片布置形 式,运输控制要求,成本要求和安全性等要求,对具体的吊运技 术选择，均有不同影响。在设计过程中，需与实际工况要求、管 片型式、后配套拖车设计接口、拼装机设计接口以及出渣系统设 计接口相关联。
S 型无碳小车结构优化设计
小车的转向机构设计是实现 S 型轨迹的 重要机构。转向机构的设计应该满足将绳轮 的转动转换为前轮的摆动的基本要求，在此 基础应尽可能简化机构，减少摩擦损失。
图 1 小车工程简图
2 工作原理
根据全国大学生训练综合能力大赛给出 的外部边界条件，S 型赛道障碍桩等间距（1m） 或不等间距（0.7-1.3cm）布置在一条直线上， 因此要求无碳小车的行驶路径近似满足余弦 函数曲线。参赛的无碳小车行驶性能主要是 要适应赛道的表面摩擦因数特性和障碍桩的 布置间距，设计的小车应考虑摩擦问题尽可 能的简化机构，摩擦力对小车能否按正确轨 迹行驶有重要影响。
砝码产生的重力势能通过绳轮上的齿轮 转化为驱动车轮的驱动力，曲柄轴将圆周运 动转化为连杆的水平运动。连杆推动滑块在 滑槽中运动，从而带动摇杆使前轮与摇杆同 步转动，从而使小车转向。
行走机构： 启动力矩计算： 曲柄轴：
驱动轴：
通过查询可知齿轮效率 为 0.99，轴承 的效率 为 0.99，曲柄滑块的效率 为 0.8。
图 4 微调机构 2
曲柄转过角度为 时，连杆平移距离 其中 r1 为曲柄半径，L 为连杆长度， 故
图 7 转向机构
小轮轴心 Δx
α
由轨迹可以看出小车的理论行驶轨迹符 合大赛要求的边界条件，说明设计方案合理。 在实践运行时，只要合理的进行调试，就能 走出正确的 S 型路线。
6 结束语
通过对无碳小车进行参数化设计，仿真 模拟即可得到小车的运动轨迹。三处微调机 构可以进行对参数的调节运动轨迹，微调机 构精度越高，调解时越快越精确，更容易达 到理论研究的路线。在制作应尽量减少小车 内部结构误差，减小运动副的摩擦，减小传 动阻力，从而减小驱动力。根据驱动力的大 小改变绳轮直径以获得更长行驶距离。
基于Solidworks的S型无碳小车设计和运动仿真分析
基于Solidworks的S型无碳小车设计和运动仿真分析时代农机TIMES AGRICULTURAL MACHINERY2019年第7期第46卷第7期Vol.46No.72019年7月July.2019基于Solidworks 的S 型无碳小车设计和运动仿真分析刘英建，马天保，刘丽鑫，马佳宁（河北农业大学，河北保定071001）摘要：根据工程训练综合能力竞赛中的S 型运动特性无碳小车能够在规定一米桩的±300mm范围内任意摆放的要求，利用Solidworks 进行设计并进行仿真模拟，对运行轨迹进行分析，来减小实际运动中的误差。
关键词：无碳小车；Solidworks 建模；设计仿真模拟作者简介：刘英建（1998-），男，河北承德人，本科在读，主要研究方向：机械设计制造及其自动化。
1无碳小车设计1.1材料设计根据比赛的要求，利用质量为1kg 的钩码，降落高度为400±2mm ，将重力势能转化为小车的动能，要求车架材料不宜过重，重心要低，否则会增大地面与轮子的摩擦力，浪费更多能量，因此我们选用铝合金材质，其硬度较低且塑性好，强度高，接近甚至强于优质钢；另外一些较不关键的零件，例如轴承端盖、垫片使用亚克力材料，较铝合金更轻，价格低廉，通过AutoCAD 绘图和激光切割技术，进行零件的加工，最终达到减重的效果。
1.2零件设计本车采用两个轴承座与车底板螺纹连接，螺钉孔选用U 型孔，确定一侧，另外一侧轴承座可以进行微调，从而利于保证主动轴和从动轴一致的同轴度，如图1所示。
图1轴承座位置对于一些传统的机械加工方法难以完成或者精度无法保证的较小零件，采用3D 打印技术，如转向机构、双轨定滑轮和流线型绕线轮。
1.3设计亮点本车的最大亮点是在于其微调机构的设计，对于螺丝杆连接的方法，精度过低，且在调试过程中不易调节，操作十分不便，可以说是微调却难调，而此车进行了创新型设计，类比千分尺的结构，铝质空管与方管配套，通过刻度记位，实现连杆长度的精准变化，达到精准微调效果，如图2所示。
环“S”形势能无碳小车设计与仿真
环“S”形势能无碳小车设计与仿真
朱桂成;张小奇
【期刊名称】《现代机械》
【年(卷),期】2022()1
【摘要】设计一款由重力势能提供能量,能够自动避开障碍桩行走的无碳小车。
无碳小车由凸轮摇杆机构实现转向、齿轮机构实现传动,根据前后轴距离A、主动轮偏距E设置无碳小车参数,运用MATLAB、SOLIDWORKS软件模拟仿真其运动轨迹。
通过微调机构调整无碳小车运动轨迹,使该车能够精确地按照预定轨迹运动并自动绕开障碍桩。
【总页数】4页(P80-83)
【作者】朱桂成;张小奇
【作者单位】长春师范大学工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH112
【相关文献】
1.基于凸轮机构的环S形无碳小车转向机构设计
2."S"形轨迹无碳小车的结构设计与运动仿真
3.双8字形轨迹无碳小车的设计与仿真
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将小车微分运动看作是绕其某一圆心的圆周运动，如
图 3 所示，则小车车身中线运动的圆弧长度为前轮运动距
离 Sf，圆弧半径为 Rf，小车车身中线在微分运动 i 内转过
的角度为：
（7）
图 4 小车微分运动原理图
方法 2： 将小车微分运动看作小车车身中线末端沿着上一个 微分运动结束时的中线方向直行，车身中线前端 （即前
（2） 式中：r———正弦机构的曲柄长度； l———正切机构的转向杆旋转轴心与导轨间距离； l0———导轨长度微调量； 琢0———前轮拐角微调量。 2 运动轨迹求解 由于小车运动机构的复杂性，难以直接利用数学方程 对小车前进的运动轨迹进行积分求解。利用 MATLAB 仿 真 软 件 ，将 小 车 的运 动 进 行 微 分 ，求 出 每 个 微 分 运 动 中 小 车转向及位移的变化量，最后将各个微分运动结果进行叠 加，即可求得小车总体的运动轨迹。 在每个微分运动内，当小车处于转弯状态时小车的三 个轮子可以看作是进行圆弧运动，如图 3 所示，小车左右 转运动时其主动轮右后轮分别处于运动轨迹圆弧的外侧 及内侧[2]，不便于求解其微分运动结果后进行叠加运算，因 此为了方便计算选取小车前轮的运动轨迹进行求解。 图 3（a）中，当小车处于右转状态时，主动轮右后轮位于 运动轨迹弧线内侧，前轮的转弯半径 Rf1 大于右后轮的转弯 半径 Rr1，假设微分运动内前轮转角为定值 琢1，依据几何关 系列出前轮前进距离 Sf1 与绕线轴转角 兹1 之间关系方程：
（3）
Internal Combustion Engine & Parts
· 241 ·
轮）沿着前轮方向前行[3]，如图 4 所示，则可得出微分运动 i 结束后小车车身中线相对跑道在微分运动内转过的角 度 茁（i）为：
（8）
（a）小车右转
（b）小车左转
图 3 小车转弯示意图
求解得到：
（4）
图 3（b）中，当小车处于左转状态时，主动轮右后轮位 于运动轨迹弧线外侧，前轮的转弯半径 Rf2 小于右后轮的 转弯半径 Rr2，微分运动内前轮转角为定值 琢2 时，列出前 轮前进距离 Sf2 与绕线轴转角 兹2 之间关系方程：
1 结构设计 为了实现小车 S 轨迹前进，将无碳小车设计为前轮转 向，后轮驱动结构，其结构简图如图 2 所示。
图 2 无碳小车结构简图
图 2 所示结构简图中以无碳小车底盘作为机架。由于 小车在进行前进中前轮不断左右转向，转向过程中左右两 个后轮会存在速度差，因此设计小车的右后轮为主动轮， 其与后轮轴通过法兰盘钢性连接；左后轮为从动轮，其与 后轮轴通过滚动轴承连接[1]。重锤系上细线绕过小车顶部 静滑轮后缠在绕线轮上，重锤的下落运动通过拉动细线驱
关键词院无碳小车曰MATLAB曰运动仿真
0 引言 第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛比赛项目 1 要求设计并制造一个三轮结构的小车，仅以 1kg 的重锤 下落 40cm 高度的重力势能为动力，在具有障碍物的平直 跑道上以 S 轨迹绕障碍物前行，其典型运动轨迹如图 1 所 示，前进越远则得分越高。
图 1 无碳小车 S 型运动轨迹
动绕线轮旋转转化成为绕线轴的旋转运动；绕线轴通过一 对齿轮带动后轮轴及右后轮旋转，驱动小车向前运动。设 i 为绕线轴与后轮轴之间齿轮啮合的传动比，R 为后轮半 径，则右后轮前进距离 Sr 与绕线轴的转角 兹 之间关系为：
（1） 绕线轴的旋转运动同时要驱动小车前轮的转向运动， 最简单的转向结构是空间曲柄摇杆机构，但其存在有急回 特性，不易计算，难以微调等缺陷。因此，利用正弦机构与 正切机构组成小车的转向系统，如图 2 所示，绕线轴带动 与其钢性连接的曲柄进行的旋转运动，先通过正弦结构转 化成为导轨的往复运动；再利用正切机构将导轨的往复运 动转化成小车转向杆的摆动，带动小车前轮左右转向，前 轮转角 琢 与绕线轴转角 兹 之间关系为：
依 据 式（4）与 式（6）可 以 求 得 每 个 微 分 运 动 内 前 轮 前 进的距离。每个微分运动结束后前轮相对于跑道的转角 啄 由两部分构成，分别为前轮相对车底板的转角 琢，及车底 板相对于跑道的总转角 酌。琢 值可依据其与绕线轴转角 兹 之间关系式（2）求得。每个微分运动内车底板相对于跑道
（5）
角，式（12）中 x0 与 y0 为小车出发前前轮的ຫໍສະໝຸດ 始坐标值。 3 MATLAB 轨迹仿真
依据无碳小 车 运 动学 方 程 式编 写 MATLAB 仿 真 程
求解得到：
序，方法 1 与方法 2 都可以得到小车前轮的运动轨迹，选 取合适的小车结构参数及初始方位可以得到符合参赛要 （6） 求的小车运动轨迹，如图 5 所示，图 5（a）中两条曲线分别
微分运动 i 结束后车底板相对于跑道的总转角 酌（i）为：
（9） 微分运动 i 结束后前轮相对小车出发前车身中线位 置的总转角为：
（10） 可以得到小车前轮在微分运动 i 内沿着跑道内固定 的笛卡尔坐标系的坐标轴的位移分别为：
小车前轮在坐标系内的轨迹方程为
（11）
（12）
式（11）中 酌0 为小车出发前小车中线与 x 轴的初始夹
是利用方法 1 与 2 将重锤下降 10cm 带动小车运动的过 程微分为 100 段计算得出的小车前轮的运动轨迹，图 5 （b）中两曲线为与图 5（a）中其他条件相同时，微分为 1000 段得出的两条轨迹，图 5（c）为微分为 10000 段得出的两 条轨迹。
的转角 茁 值的求解有以下两种方法：
方法 1：
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内燃机与配件
野S冶形轨迹无碳小车的结构 设计与运动仿真
李瑾曰宁志强
（山西工程技术学院机械电子工程系，阳泉 045000）
摘要院针对全国工程训练大赛竞赛项目的要求设计了一个右后轮驱动的三轮无碳小车袁利用正弦结构加正切结构组成其前轮转 向系统袁分析其运动及转向机构的特点并给出其运动学方程遥 在 MATALAB 语言环境下利用微分思想给出了两种编程方法编写程序 生成了小车前轮运动轨迹遥 根据仿真结果袁无碳小车可以实现 S 型轨迹运动袁符合比赛要求袁其结构设计满足设计需求遥
（a）n=100
（b）n=1000 图 5 前轮轨迹仿真结果