无碳小车动力学分析
无碳小车的机构与运动分析
1 无碳小车的设计要求设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。
竞赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。
要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均来自重物重力势能转换，不可使用任何其他的能量来源。
要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。
要求小车为三轮结构。
2 无碳小车机构运动设计和性能分析图1 无碳小车机构简图小车由重物下降通过尼龙线带动绕线轮为小车提供动力，由零件1，2,3,4,5无碳小车的机构与运动分析吴朝春 西南交通大学机械工程学院 四川成都 611756组成的曲柄连杆机构控制前轮的摆动实现小车的导向，利用齿轮传动将动力传递到后轮轴实现小车的驱动。
同时为了更好的实现小车的性能要求：位移路程比V、位移S、、跑偏量L、绕桩数N，对小车五大机构进行最大程度优化。
3 无碳小车机构分析3.1 无碳小车的结构组成无碳小车主要有五大机构构成： 1）支撑机构：小车的骨架，是各机构布置的基础；2）原动机构：提供小车运动的装置，实现重物块重力势能转变为小车的动能； 3）传动机构：将原动机构一部分能量传递到转向机构；4）转向机构：完成小车的导向，保证小车实现预定轨迹运行； 5）驱动机构：实现小车的前进 。
3.2 支撑机构的设计车辆底板承受较大的载荷，而且要求在强度足够的情况下，重量尽可能地小。
考虑到重量、加工成本等，底板采用3mm 厚的铝合金加工压制制作，底板前端叠加一块加固板增加转向部分的强度；后轮主轴支架，大齿轮轴支架采用5mm 厚铝合金板制作，而且采用一体成型的方法，减小零件数量。
铝的材料密度小，强度较大，而铝合金的性能更优于普通铝制材料，适合用来制作支架。
其次，为了制作和携带方便，将重物支撑架单独制作，将每一根支架杆两端攻螺纹，最后用螺栓固定到底板上。
无碳小车设计使用说明(一等奖作品)
第二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：龚雪飞赵鹏飞刘述亮指导老师：朱政强戴莉莉2011-1-16摘要第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题主题为“无碳小车” 。
在设计小车过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。
我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法；采用了MATLAB 、PROE 等软件辅助设计。
我们把小车的设计分为三个阶段：方案设计、技术设计、制作调试。
通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能向最优设计靠拢。
方案设计阶段根据小车功能要求我们根据机器的构成（原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助部分）把小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块，进行模块化设计。
分别针对每一个模块进行多方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。
我们的方案为：车架采用三角底板式、原动机构采用了锥形轴、传动机构采用齿轮或没有该机构、转向机构采用曲柄连杆、行走机构采用单轮驱动实现差速、微调机构采用微调螺母螺钉。
其中转向机构利用了调心轴承、关节轴承。
技术设计阶段我们先对方案建立数学模型进行理论分析，借助MATLAB分别进行了能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析。
进而得出了小车的具体参数，和运动规律。
接着应用PROE 软件进行了小车的实体建模和部分运动仿真。
在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。
小车大多是零件是标准件、可以购买，同时除部分要求加工精度高的部分需要特殊加工外，大多数都可以通过手工加工出来。
对于塑料会采用自制的‘电锯'切割。
因为小车受力都不大，因此大量采用胶接，简化零件及零件装配。
调试过程会通过微调等方式改变小车的参数进行试验，在试验的基础上验证小车的运动规律同时确定小车最优的参数。
无碳小车设计研究
无碳小车设计研究针对全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，要求设计一辆S型或者8字型无碳小车，竞赛命题是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行装置。
文章主要分别介绍了无碳小车S型与8字型的异同点，使人们对无碳小车有更深入的了解。
标签：无碳小车；8字型与S型区别；结构设计1 8字型无碳小车1.1 设计简图8字型无碳小车以重力作为驱动力，具有自动转向功能。
小车的综合性能以越障能力作为评优标准。
设计的结构简图如图1所示1.2 小车整体设计8字型无碳小车结构是由原动机构、传动机构、转向机构和调节机构组成的。
其中原动机构的动力是由重物下落时的重力势能转化而来；传动机构可以采用齿轮传动；转向机构是由曲柄摇杆结合不完全齿轮构成；调节机构则通过调节螺丝来完成。
1.3 加工制作车底板因为不需要承受很大的压力，精度要求不是非常高，考虑到质量轻，并且加工方便以及成本低等因素，决定用铝合金薄板加工制作成三角形式底板。
可以利用&=4mm铝合金板的边角废料，节约且易加工。
1.4 转向机构转向机构是本小车的关键部分，尤其8字型小车要求十分严格。
能实现转向控制的机构通常有：曲柄连杆+摇杆，曲柄摇杆，凸轮机构+摇杆和差速转弯等几种方式。
通过实际对比分析可得出，凸轮机构虽然结构简单，紧凑，但轮廓轨迹加工和计算难度较大。
而曲柄连杆+摇杆，其工作原理简单明了，加工和零件设计均易实现。
该结构可将旋转运动转化为满足实际要求的往复直线运动，进而使得摇杆带动转向轮做周期性左右转动来实现拐弯避障功能。
为了减少因紧固连接而造成的摩擦损耗，可以在连杆两段使用万向节。
万向节转向灵活，机构紧凑可购买。
既提高了转向精度又降低了成本，此转向机构具有结构易加工，成本低，调节稳定等优点。
1.5 动力转换机构动力转换机构的功能是将重块的重力势能转化为主动轮的驱动力，从而把重力势能转换为小车前进的动能。
其中简单易行的方案是：利用细线和定滑落机构，细线两段分别绕在卷筒上和栓在重锤上，而卷筒则固定在驱动轮轴上，使得重锤的重力可以转换为驱动轮上的扭矩，从而带动主动轮产生动力。
无碳小车设计方案1
对于微调机构，我们小组提出了：
a.螺母b.键槽
但是对于我们小车的调整，我们认为键槽的可调性更大，更方便于我们在测试小车时的调整，以及使我们的调整空间更大。
技术设计
一、建立数学模型与参数确定：
1.运动学分析模型：
建立坐标系，小车的移动轨迹为余弦函数：
微分求的小车一个周期行走路程为：
，
,经测量，得到路程大概数值为2500mm左右。
1.竞赛主题：
本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。
要求经过一定的前期准备后，在比赛现场完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。
2.竞赛命题：以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车
设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。
一、车架
车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝板加工制作成。其中三角形结构紧凑但不能携带落下的重物、矩形结构平稳但材料浪费且增加小车自重，而三角形和矩形综合能汇集三角形和矩形的优点同时又避免了主要缺点，因此选用三角形和矩形综合型。
二、原动机构
原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。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倾翻，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，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，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摩擦可能不一样，在不同的场地小车是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。而带轮和链轮适用于电机作为动力的机构中。基于以上分析我们选择绳轮式原动机构
无碳小车动力学分析
无碳小车动力学分析第一篇：无碳小车动力学分析2、相关计算：原动机构的作用是将重物下降的重力势能转化为小车的动能。
在重物下降过程中，驱动轴转动，为小车提供动力，设重物质量为M,下降高度为h，则其重力势能为Mgh,转化为自身的动能EK1、小车的动能EK2、小车行走过程中的摩擦及损耗W损，Mgh=12Mv12，E1k1+EK2+W损其中，EK1=12Mv12，EK1=v为重物下降的速度，也是驱动轴的线速度；n周，v2为同一时刻小车的行进速度，也是后轮的线速度；设驱动轴转动一周，后轮转动所以，vv12=d驱动轴nd后轮设重物下降过程中加速度为a, 绳子的拉力为T, 有：T=M(g-a)由此产生的力矩为：M1=T⋅R驱动轴⋅λ（其中λ为考虑摩擦影响而设置的系数）分析可得：1.当拉力一定时，驱动轴半径越大，产生的力矩越大，驱动轴半径越小，产生的力矩越小；2.当力矩M达到一定的大小保持不变，驱动轴半径越小，拉力T越大，从而使物块减速。
3、机构设计根据前面的分析与计算，将驱动轴设计为阶梯轴：3.1.3动力学分析模型 a、驱动如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为T，有T=m(g-a) 产生的扭矩M2=T⋅r2⋅λ1，（其中λ1是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。
）驱动轮受到的力矩MA，曲柄轮受到的扭矩M1，NA为驱动轮A 受到的压力，FA为驱动轮A提供的动力，有MA+M1=M2⋅λ2i（其中λ2是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数）MA=NA⋅δ+FA⋅Rb、转向假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为MC，其大小可Nc1⋅BRc1-μ11-μ2π(+)E1E222σc=由赫兹公式求得，Nc=σc⋅B⋅2b 由于b比较小，故 Mc=μσcbB142对于连杆的拉力Fc，有sinθc2=θc=1r1⋅sinθ1 lπ2-α-arcsinc⋅(1-cosα)l⋅cosθc2Mc=Fc⋅cosθc2⋅c⋅sinθc1M1=Fc⋅c⋅sin(θ+θc2)c、小车行走受力分析设小车惯量为I，质心在则此时对于旋转中心O'的惯量为I'22'I=I+m[(ρA-a1)+a3]（平行轴定理）Nc⋅δNB⋅δ22I'⋅α=FA⋅ρA-⋅(ρA-a1)+d-(ρA-a1-a2)rcR小车的加速度为：aA=δ⋅ρAaAa=Rr2整理上述表达式得：第二篇：无碳小车第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题说明及赛项安排（讨论稿）1.竞赛主题本届竞赛主题为“无碳小车越障竞赛”。
关于无碳小车力学与材料的实践课程要求(细节版)
关于《工业产品力学分析》、《工业产品材料分析与设计实践》的课程要求1 无碳小车整体动力学分析报告含无碳小车各机构运动学分析（运动轨迹计算、机构各构件长度尺寸确定等）这部分的我们已经在机构课程设计过来，并且有matlab源文件代码！无碳小车动力学分析，各运动副摩擦分析、各构件受力分析。
铰链的摩擦分析，我们当时是直接给出来效率，这次要更详细的分析铰链的受力了，还有各个构件的受力分析，我建议用adams进行受力分析和建模，会比较方便！要求Matlab编程计算（附源代码）有些分析不一定要用matlab计算，但有能力的还是希望多掌握一种强大工具，这里大家自由选择吧！2 无碳小车各构件材料力学性能分析报告含各构件的尺寸设计（通过强度、刚度与稳定性分析与计算-按假设的力学分析模型分别按静载荷或动载荷分析）；【注意：要说明力学分析模型简化的理由！】构件的长度影响整体的运动趋势，构件的尺寸影响结构的强度、刚度和稳定性，这点是不同的，这部分我建议用，我也想不到什么软件，不过pro/e的mechanism似乎可以结构分析，但建模的话我建议就我们的实际做出来的重力小车通过测绘的方法建模，更接近实际。
基于结构安全的无碳小车各构件尺寸与结构优化方案。
呵呵，结构安全？谁有兴趣接着部分的工作？要求Matlab编程计算（附源代码）看来这matlab不学不可啊！（如果采用可靠性设计与分析方法，将加分）很重要的一点，可靠性设计与分析方法，我们组可以试试，我大概看来一下，需要一些高中的统计和概率知识基础，大家有兴趣可以在暑假期间学学。
3无碳小车典型零件材料组织分析取无碳小车中典型金属材料进行材料组织分析，给出3种以上材料试样制作方法、组织照片等。
4、无碳小车的成本核算报告要求列出无碳小车的材料与制造成本分析报表。
5无碳小车制造与竞赛各组制造好小车，并调试。
最后进行绕桩竞赛（竞赛规则见机构分析与综合课程要求）。
附分析报告提纲一、无碳小车整体动力学分析报告1、各机构运动学分析含小车运动要求，运动轨迹测算，根据这些要求设计机构，进行运动学分析，根据运动学参数进行机构结构优化（如你设计的凸轮机构有刚性冲击，给出避免刚性冲击的方案，主要是要求加速度比较小，或者是加速度变化比较均匀），速度波动等本步骤主要给出各机构初步尺寸，为后续计算做准备，并给出修改方案。
工程训练大赛无碳小车说明及其计算
谢谢大家！
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2420.1 0.2419:04:1519 :04:15 October 24, 2020
•பைடு நூலகம்
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月24 日下午7 时4分2 0.10.24 20.10.2 4
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2 020年1 0月24 日星期 六下午7 时4分1 5秒19:04:1520 .10.24
凸轮机构、连杆机构、气动装置、液动装置、电动装置
等等
但是注意：为减少效率损失，传动步骤越少越好
六、结构分析
主要考虑：能量转化机构、传动机构、转向机构、车体结构；
非常多，而且繁杂。 注意：命题中是单轮导向，不要拘泥于资料文献的各种框框，要讲究突破思维定势、 小巧灵活。能够完成单轴摆动即可。
六、结构分析
主要考虑：能量转化机构、传动机构、转向机构、车体结构；
八仙过海各显神通 注意： 1.体积不要过大，.重量要轻； 2.重心要低； 3.轮距适中，注意保持稳定性； 4.根据“神牛”结构，可不必使用差速器；
ω P
r v1 v1
vv33
2L
5
4
2
1
3
H2 差速器
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2420 .10.24Saturday , October 24, 2020
Φ
G
G=1kg
五、计算分析
力约束—— （克服运行阻力的最小值和不打滑的最大值）
克服运行阻力： 车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力 惯性阻力（N）=P0 ×a (小车启动加速度) 静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流阻力等
无碳小车设计报告
2014年****工程训练综合能力竞赛无碳小车设计报告参赛者：指导老师：2014/10/151、设计概述“无碳小车”是将重力势能转换为机械能，使小车实现行走及转向功能的装置。
小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，首先通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，继而通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮，利用横纵向直线运动复合运动使转向轮呈正弦波形周期性摆动，从而避开设置在波形内固有间距的障碍物。
具体设计为小车以1kg重物块下落500mm产生的重力势能作为动力，通过线绳带动齿轮轴等传动机构，单轮驱动；通过正弦机构带动前轮周期性摆动实现转向。
无碳小车结构设计总装图如图所示。
2、设计思路和方案小车的设计分为三个主要阶段：功能分析、、制造加工调试2.1功能分析对小车功能要求进行分析，寻找功能元解，将小车分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构六个模块。
对每一个模块进行多方案设计，综合对比选择最优的方案组合。
2.2参数分析与个性化设计利用Solidworks软件进行小车的实体建模、部分运动仿真。
对方案建立数学模型进行理论分析，使用MATLAB软件分别进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析、灵敏度分析，得出小车的具体参数和运动规律。
2.3 机械总功能分解及功能元解表1.势能转向小车形态学矩阵2.4 机构选型基本原则①满足工艺动作和运动要求。
②结构最简单,传动链最短。
③原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。
④机构有尽可能好的动力性能。
⑤机器操纵方便、调整容易、安全耐用。
⑥加工制造方便，经济成本低。
⑦具有较高的生产效率与机械效率。
2.5转向机构分析目前，能够实现无碳小车车轮转向控制的机构主要有曲柄摇杆机构、正弦机构（曲柄移动导杆机构）、RSSR空间四杆机构凸轮推杆机构和圆轮导杆机构。
这5 种机构在结构和功能上有各自的特点。
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尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。
无碳驱动小车关键参数分析
无碳驱动小车关键参数分析从力求结构简单的角度出发，确定了小车结构方案，并在此基础上，对一些关键参数如驱动力矩、驱动轮直径、传动机构齿轮齿数比、凸轮推杆位移及调节参数等进行了分析。
该分析对小车的设计具有一定的参考价值。
标签：无碳小车；参数分析；驱动力矩；轨迹设计无碳小车是目前发展低碳经济大环境下，训练学生工程综合能力的一个创新实践项目。
该项目通过一定质量的重物下落一定高度将重力势能转换为动能，并让小车自动前行，前行过程中，小车要能自动避开预先在赛道上放置好的障碍物，障碍物之间间隔距离相等。
小车须采用三轮结构。
小车设计要解决的关键问题有以下几个：重力势能转化为动能、在动能驱动下小车自行行走、行走过程中能自动避开障碍物等。
按此功能要求，本着结构简单、性能优化、成本低廉的原则，基本确定小车结构方案如图1所示[1][2][3]。
以下就此方案对相关参数进行分析。
1 驱动力矩小車前行以及转向都需要有驱动力驱动。
该项目驱动力来源于重力势能转化成的动能。
图2为能量转化用滑轮或滑轮组，其中，G为重物的重量，重物系在线绳上，另有线绳绕在线轴（如图1）上，F为线绳的拉力，同时也是驱动线轴转动的驱动力，T=Fd/2为输入力矩，d为线轴直径。
对于小车来说，后轮为驱动轮，也是输入力矩的主要耗用者，因此，小车能不能行走以及能否稳定行走与驱动后轮的力矩TQ有关，在图1方案a中，TQ=T/u，（u=z2/z1为齿轮齿数比），图1方案b中，TQ=T。
可见，驱动力矩TQ与线绳拉力F、线轴直径d以及传动方案有关。
为实现小车行走的稳定性要求，驱动力矩TQ大小要适中，既不能因为过大导致小车倾翻，或重块晃动影响正常行走，也不能因为过小导致小车不能启动。
下面，针对影响驱动力矩的因素进行分析。
1.1 线绳拉力如图2所示，根据能量平衡，有G·H=F·L。
式中，H为重物下落高度，L为缠绕驱动轴的线绳移动的距离，L的大小与小车走过的轨迹长度成正比关系。
无碳小车结构原理
无碳小车结构原理无碳小车是指使用无碳能源驱动的小型车辆，其结构原理主要涉及能源供给、动力传输和控制系统三个方面。
一、能源供给无碳小车使用的能源主要包括太阳能和电能。
太阳能是一种清洁、可再生的能源，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，供给小车的动力系统。
太阳能电池板由多个光电池组成，光电池将光能转化为电能。
这些光电池通过串联或并联的方式组成太阳能电池板，以提高输出电压和电流。
另一种能源供给方式是电能，可以通过外部电源或者内置的电池供给无碳小车的动力系统。
外部电源可以是充电桩或插座，通过连接线将电能传输到无碳小车的电池中。
内置的电池可以是锂电池或者其他可充电电池，通过充电器将电能存储在电池中，供给小车的动力系统使用。
二、动力传输无碳小车的动力传输主要通过电机实现。
电机是将电能转化为机械能的装置，常见的电机有直流电机和交流电机。
无碳小车通常采用直流电机，其结构简单、效率高。
电机通过传动装置将产生的旋转力矩传递给车轮，推动车辆前进。
传动装置通常由齿轮、链条和带轮等组成。
齿轮传动可以实现不同转速和扭矩的传递，通过合理的齿轮组合可以使车轮获得适当的转速和扭矩，以适应不同的道路条件和速度要求。
链条传动和带轮传动主要用于长距离传递动力，通过链条或带轮将电机的动力传递到车轮，推动车辆前进。
三、控制系统无碳小车的控制系统是实现车辆运动控制的关键部分，主要由控制器、传感器和执行器组成。
控制器是车辆的大脑，负责接收传感器的信号，处理并发出控制指令。
传感器用于感知车辆周围的环境和车辆本身的状态，常见的传感器有光电传感器、温度传感器和加速度传感器等。
执行器根据控制器的指令，控制车辆的转向、加速和制动等动作。
控制系统采用微处理器和编程控制技术，根据预设的程序和算法进行控制，实现车辆的自动驾驶或远程控制。
无碳小车的控制系统还可以通过无线通信技术与其他设备进行信息交互，实现智能化和互联网功能。
无碳小车的结构原理主要包括能源供给、动力传输和控制系统三个方面。
无碳小车设计说明
其它的一些细节设计
车身的设计 车轮的设计 轴承的设计 车身部件的一些材料的取用 以上的各种细节设计都要以减小小车重力和阻 力为目的 ，同时要考虑其价钱的多少和设 同时要考虑其价钱的多少和设 计出来的艺术效果。 计出来的艺术效果。
驱动部分的大致结构图
物体在下落过程中所受到的阻力图
阻 力
速 度
驱动
原理：绳拉力为动力。 原理：绳拉力为动力。将物块下落的势能尽 可能多的转换为小车的动能， 可能多的转换为小车的动能，进而克服阻力 做功。 做功。物块在下落的过程中不可避免的要与 小车发生碰撞，碰撞过程必然要有能量损失， 小车发生碰撞，碰撞过程必然要有能量损失， 所以要解决的问题： 下降过程中 下降过程中， 所以要解决的问题：1下降过程中，尽可能的 降低下落的速度； 在将要下降到小车时 在将要下降到小车时， 降低下落的速度；2在将要下降到小车时，改 变转速比，使物块减速下落， 变转速比，使物块减速下落，进一步减少碰 撞损耗。 撞损耗。
小车的运动轨迹
其他方面的一些想法
1，在后轮转轴上安放多个不同半径的带轮， ，在后轮转轴上安放多个不同半径的带轮， 微调转矩，适应不同的环境下阻力的不同。 微调转矩，适应不同的环境下阻力的不同。 2，传输功率 转矩 角速度 ，通过一系列 转矩X角速度 通过一系列 ，传输功率=转矩 的齿轮，带轮，转轴产生转速比， 的齿轮，带轮，转轴产生转速比，使作用 在后轮的转矩和阻尼转矩平衡， 在后轮的转矩和阻尼转矩平衡，物块低速 匀速下落。 匀速下落。 3，制作多套后轮，微调转矩。改变后轮时， ，制作多套后轮，微调转矩。改变后轮时， 也要相应的改变转向传动轮的大小， 也要相应的改变转向传动轮的大小，同时 保持车身水平，适当调整前轮转轴的长度。 保持车身水平，适当调整前轮转轴的长度。
无碳小车的能耗规律与稳定性分析
无碳小车的能耗规律与稳定性分析第一篇：无碳小车的能耗规律与稳定性分析无碳小车的能耗规律与稳定性分析（西南交通大学峨眉校区，四川峨眉 614202）杜磊摘要根据第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求，对无碳小车进行了能耗规律模型的建立以及进行了稳定性分析，确保小车在行走过程中，能量消耗更少，行走更稳。
经过大赛的实践表明，针对小车建立的能耗规律模型以及稳定性分析起到至关重要的作用，取得了优异的竞赛成绩。
关键词无碳小车能耗规律动力系统稳定性0 引言无碳小车是一种利用给定重力势能转化为动能来驱动其行走及转向的小车。
要求小车为三轮结构，小车转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。
竞赛小车在前行时能够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，沿直线等距离摆放。
以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。
在保证小车精度的前提下，建立良好的能耗规律模型及稳定性分析更有助于小车平稳的行驶更远的距离，将取得更加优异的成绩。
1能耗规律模型的建立设小车内部的能耗系数为1-ξ，即小车能量的传递效率为ξ。
小车轮与地面的摩阻系数为δ，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上。
则有：⎧3⎪⎪∑Ni*δRisi=ξmgh⎨i=1⎪3 ⎪⎩∑Ni=m总gi=1Ni为第i个轮子对地面的压力 Ri为第i个轮子的半径 Si为第i个轮子行走的距离 m总为小车总质量为了更全面的理解小车的各个参数变化对小车前进距离的变化下面分别从1.轮子与地面的滚动摩阻系数、2.轮子的半径、3.小车的重量三方面进行考虑。
通过查阅资料知道一般材料的滚动摩阻系数为0.1-0.8间。
图1为当摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5.....mm时小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图：图1 小车行走距离随摩阻系数变化规律图由图1可知滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。
无碳小车之运动分析
小车运动模拟视频
初方案视频
试验车b.avi
预备方案
修改后.avi
传动部分机构俯视图
传动部分正视图
匀速机构
匀速
机构运动简图
自由度：F=(6-3)*4-(5-3)*5-(4-3)*1=1
运动分析
• • • • 1.向左转弯 θ= θ’ 2.直线行驶 θ=0 3.向右转弯 最大角度θ =θ’’ 4.直线行驶 θ=0
tan θ’=c1c2 ÷oc2=b2b1 ÷oc2
C点随时间的位移图
原方案
预备方案
由图可以看出，连杆2的长度必须大于摇杆1的长度的才能保 证各机构的正常工作。鉴于小车本身长度的限制，我们准备 了一个预备方案如下：
• 原方案yundong.avi
预备方案修改 后.avi
改方案原因
a1 b1 c1 1.左转弯θ’
θ’
a2 b2 c2 2.直线行驶
a3
b3
c3 3.右转弯θ’’
摇 杆1
a2 a2 a3a3 b3a1
连杆 2 b2 b1
连杆 3
o θ’’
c3θ’ c2c1来自a1tan θ’’=c3c2 ÷oc2=b3b2 ÷oc2 要使θ’’=θ’，即b3b2=b2b1 又b3b2+b2b1=2倍摇杆长度 所以b3b2=b2b1=摇杆的长度 tan θ’’= tan θ’=摇杆的长度÷oc2 其他分析： 装配体1.avi
无碳小车受力分析
无碳小车受力分析
驱动力系：
根据作用力与反作用力的关系有：
重力（mo+m）g=地面支持No
小车质量：mo
砝码的质量为：m1
绳轮的直径为：Ds
第一级齿轮直径为：D1
第二级齿轮直径为：D2
绳的拉力为：T，则有：T=mi（g-a）
ax：为砝码下降的加速度
小车的源动力矩为：Mo，则有：
Mo=T-Ds/2
力的传递分析：
M1=Mo
M1：M2=D1：D2
小车的驱动力矩M1=M0
等效驱动力：Fo=2M:/Da
Do：为驱动轮直径
惯性阻力系：
小车的启动加速度为：ao，则：惯性阻力F2=（mo+m）基本阻力F=（mo+m）g“Y g重力加速度
Y运行阻力系数，经验数据约为：0.01
要想使小车正常运行，则Fo>（mo+mi）.（a+g"W）
地面摩擦阻力Fr F=（mo+m）g“f F摩擦系数（木质地板约为0.05-0.08）要是小车不打滑的条件为：
Fo<F=（mo+mi）g-f
转向等效阻力：F2假设转向阻力矩恒为：Mz则有：
F=Mz/L L：为转向轮曲柄的长度
推杆的推拉力为：F则，F=F"cose=（M3/D3）-Sine。
无碳小车原理
无碳小车原理无碳小车，顾名思义，就是指不产生碳排放的小型交通工具，它是一种环保、节能的交通工具，受到了越来越多人的关注和青睐。
那么，无碳小车的原理是什么呢？首先，无碳小车的动力系统是其关键。
与传统燃油车不同，无碳小车通常采用电动驱动系统，也就是说，它们使用电池来储存能量，通过电动机驱动车辆运行。
这样一来，无碳小车在行驶过程中不会产生任何尾气排放，从根本上解决了传统燃油车所带来的环境污染问题。
其次，无碳小车通常会采用轻量化设计。
轻量化设计可以降低车辆整体重量，减少能源消耗。
轻量化设计不仅包括车辆的材料选择，还包括结构设计和零部件的优化。
通过轻量化设计，无碳小车可以更加高效地利用能源，延长续航里程，提高行驶效率。
此外，无碳小车还会采用再生能源充电。
再生能源充电是指利用太阳能、风能等再生能源来为电动车充电，减少对传统能源的依赖。
再生能源充电不仅可以减少碳排放，还可以降低能源消耗成本，实现可持续发展。
除此之外，无碳小车还会采用智能节能技术。
智能节能技术可以通过对车辆动力系统、辅助系统的智能控制，实现能源的高效利用。
比如，智能节能技术可以通过智能化的动力管理系统，实现动力的精准输出，最大限度地减少能源浪费。
同时，智能节能技术还可以通过对车辆的智能化管理，优化车辆行驶路线，减少能源消耗。
综上所述，无碳小车的原理主要包括电动驱动系统、轻量化设计、再生能源充电和智能节能技术。
这些原理的结合，使得无碳小车成为了一种环保、高效的交通工具。
随着科技的不断发展，相信无碳小车将会在未来的交通领域发挥越来越重要的作用，为我们的生活带来更多便利和环保。
无碳小车的原理与计算
无碳小车的原理与计算原理介绍一．连动原理：我们使用了凸轮转向机构来实现转向轮的转向功能。
具体方法如下：在齿轮的外侧表面上制作凸圆形的内槽道，滚子置于槽道内。
滚子与连杆以转动副相连，连杆与转向把以转动副连接，这样，当齿轮转动时，凸圆槽道在转动过程中就会推动连杆做进给运动，实现转向把转动可控制转向轮的方向。
我们将凸轮设计成内凹槽轨道凸轮机构，而外形设计成齿轮，这样的设计有以下优点：1.凸轮起到了齿轮和凸轮的双重作用，一轮两用有利于我们的加工，节约成本和加工时间减少重量。
2.使用内凹槽轨道与滚子连接可以使装置的稳定性增强，不会产生脱扣滑扣得困扰。
二．驱动原理：绳拉力为动力。
将物块下落的势能尽可能多的转换为小车的动能，进而克服阻力做功。
物块在下落的过程中不可避免的要与小车发生碰撞，碰撞过程必然要有能量损失。
要解决的问题：1下降过程中，尽可能的降低下落的速度；2在小车运动中，会受到转弯时的向心力做离心运动，从而不稳定，会导致轨道变形。
解决方案：1.把绕线轮设计成锥形，在开始运动时绕线轮的半径较大，使得开始有足够的驱动力使小车驱动。
在驱动之后，绕线轮的半径较小，使小车能在运动中持续稳定。
2.在重物周围加三根垂直细杆，固定重物的下落轨迹，保持小车的稳定。
无碳小车计算一．受力计算：小车质量P0，小车驱动力矩M，物块质量m, D轮子直径，Φ拉力轴直径M=F0×D/ 2M由G获取M= G×Φ/ 2= F0×D/ 2此时F0= G×Φ/D二．摩擦计算：S为小车行走距离，mm，η为小车总效率，F0为小车牵引力，F0×S =G×400mm×ηS =G×400mm×η/ F0前面防滑计算得出：F0＜F = M（小车）g×f为了增大小车行走距离，为了避免能量损失不打滑，在保证能够驱动小车行走的前提下，F0 越小越好。
具体数据的计算：在确定驱动轮半径长度时，通过8字曲线的长度来确定，在定量凸轮制成后由实验准确数据测得8字曲线长度，换算得来。
无碳小车8型设计方案
千里之行，始于足下。
无碳小车8型设计方案设计方案：无碳小车8型背景介绍：随着环境保护意识的不断提高，无碳出行成为了现代社会中一种重要的趋势。
无碳出行即指使用不排放有害废气的交通工具，以减少对环境的污染。
为了响应环保的号召，设计一款无碳小车8型。
设计目标：1. 使用无碳能源，如电能等，避免废气排放；2. 节能高效，提高能源利用率；3. 安全可靠，具备必要的安全保障措施；4. 操控性强，方便驾驶和停放；5. 符合人体工程学设计，提供舒适乘坐体验；6. 注重材料和制造过程的环保性。
设计方案：1. 动力系统：采用锂电池作为动力源，通过电动机驱动车辆运行。
锂电池具有能量密度高、使用寿命长等优点，以及没有废气排放的特性，非常适合无碳小车的使用。
2. 能耗管理系统：采用先进的能耗管理系统，通过智能控制，优化能源使用效率，延长续航里程，并提供实时能耗监控功能。
3. 安全系统：安装碰撞传感器、刹车辅助系统、防滚系统等多种安全设备，提供全方位的安全保障。
此外，还配备智能驾驶辅助系统，提高驾驶的安全性和便利性。
第1页/共2页锲而不舍，金石可镂。
4. 车身设计：采用轻量化材料，如铝合金等，减少车辆自重，提高能源利用效率。
车身设计符合空气动力学原理，减小空气阻力，提高行驶的平稳性和舒适性。
5. 内饰设计：注重人体工程学设计原则，采用舒适的座椅、可调节座椅和方向盘等，提供良好的乘坐体验。
此外，还设置空调系统、音响系统等，提供舒适的室内环境。
6. 制造过程环保性：优化制造过程，减少对环境的影响。
采用可回收材料，并降低废弃物的产生，实现制造过程的绿色化。
总结：无碳小车8型设计方案采用锂电池作为动力源，具有不排放废气的特点，并通过能耗管理系统和轻量化设计，提高能源利用效率。
在安全、操控性和乘坐体验方面，也做出了相应的设计。
以此方案为基础，无碳小车8型能够实现零排放、高效能耗以及舒适安全的出行体验。
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2、相关计算：
原动机构的作用是将重物下降的重力势能转化为小车的动能。
在重物下降过程中，驱动轴转动，为小车提供动力，设重物质量为M ,下降高度为h ，则其重力势能为Mgh ,转化为自身的动能E K 1、小车的动能E K 2、小车行
走过程中的摩擦及损耗W
损，
W E E
K k Mgh 损
++=
21
其中，
v E M K 2
1121=
,
v E M K 21121=
,
v 1
为重物下降的速度，也是驱动轴的线速度；
v
2为同一时刻小车的行进速度，也是后轮的线速度；设驱动轴转动一周，后轮转动
n 周，
所以，
d d v
v
n 2
1后轮
驱动轴
=
设重物下降过程中加速度为a , 绳子的拉力为T , 有：
)(a g M T -=
由此产生的力矩为：
λ
⋅⋅=R M
T 驱动轴1
（其中λ为考虑摩擦影响而设置的系数）
分析可得：
1.当拉力一定时，驱动轴半径越大，产生的力矩越大，驱动轴半径越小，产生的力矩越小；
2.当力矩M 达到一定的大小保持不变，驱动轴半径越小，拉力T 越大，从而使物块减速。
3、机构设计
根据前面的分析与计算，将驱动轴设计为阶梯轴：
3.1.3动力学分析模型 a 、驱动
如图：重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为T ，有
)(a g m T -=
产生的扭矩122λ⋅⋅=r T M ，（其中1λ是考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。
）
驱动轮受到的力矩A M ，曲柄轮受到的扭矩1M ，A N 为驱动轮A 受到的压力，A F 为驱动轮A 提供的动力，有
221
λ⋅=+
M i M M A （其中2λ是考虑到摩擦产生的影响而设
置的系数）
R F N M A A A ⋅+⋅=δ
b 、转向
假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为C M ，其大小可
由赫兹公式求得，)
11(1
2
2
212
1E E R B N c
c c μμπσ-+-⋅=
b B N
c c 2⋅⋅=σ
由于b 比较小，故
2
4
1bB
M c c μσ=
对于连杆的拉力c F ，有
l
r c 1
1sin 2sin θθ⋅=
2
1
cos )cos 1(arcsin
2
c c l c θααπ
θ⋅-⋅--=
1
2sin cos c c c c c F M θθ⋅⋅⋅=
)
sin(21c c c F M θθ+⋅⋅=
c 、小车行走受力分析
设小车惯量为I ，质心在则此时对于旋转中心O '的惯量为I '
]
)[(232
1a a m I I A +-+='ρ（平行轴定理）
)
()(21221a a R N d a r N F I A B A c c A A --⋅-+-⋅⋅-⋅=⋅'ρδρδρα
小车的加速度为：
A A a ρδ⋅=
2r a
R a A =
整理上述表达式得：。