工程训练大赛无碳小车说明及其计算

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二、小车的起始和结束过程
• 梯形原动轮的设计实现小车的起动 和物块的从低速到减速下落。减小 因碰撞而损失的能量。
梯形原动轮
阻力
速度
• 1.在起始时原动轮的转动半径较大，起动转 矩大，有利起动。 • 2.起动后，原动轮半径变小，转速提高，转 矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。 • 3.当物块距小车很近时，原动轮的半径再次 变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动， 但是由于物块的惯性，仍会减速下降， 原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢 减速，直到停止，物块停止下落，正好接触 小车。
四、比赛要求
集中参赛：（与预赛的时间、地点关系？）
四、比赛要求
集中参赛：（与预赛的时间、地点关系？）
四、比赛要求
总成绩：
五、计算分析
力分析—— 小车质量P0 ，重力P0 g=地面支反力N0
G=1kg
小车驱动力矩M=等效力偶F0×D/ 2
（小车驱动力）F0=2M/D M由G获取 例如：M= G× Φ / 2= F0×D/ 2（暂不计效率）
解决方案 一、小车的匀速运动过程
• 传输功率=转矩X角速度 ，通过一系列的齿 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，物块低速匀速 下落。 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。 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，同时 保持车身水平，适当调整前轮转轴的长度。 （现场可实现）
• 在整个过程中，重力势能完 全转换为小车运动过程的损 耗。使小车行进的更远.
4．细节设计
• 车身 • 车轮 • 轴承 以减小小车重力和阻力为目的
一. 二. 三. 四. 五. 六.
命题 设计要求 制作要求 比赛要求 计算分析 结构分析
一、命题
主 题：无碳小车（三轮）
考核内容：设计、工艺、成本分析、工程管理。
G
五、计算分析
效率分析—— 小车总效率η ，包括 机械传动效率； 能量转换效率 等
部分机械传动效率见右表
能量转换过程中的效率损失 练习查找资料
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；不主张遥控。 重力势能转换为动能
动能和势能总称为机械能，包括：
（1）动能：物体由于运动而具有的能，叫做动能，动能的标志是运动。 （2）重力势能：物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能，重力势能的标志是举高。
此时 F0= G× Φ /D
Φ
G
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）
G=1kg
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 基本阻力(N)=P0 g w 式中：g 重力加速度；w 运行阻力系数，实验得出经验数据，约0.01。 F0 ＞ P0 (a+ g w ) 地面对小车摩擦阻力Ff ， Ff = P0 g × f（摩擦系数） 不打滑条件 F0 ＜ Ff = P0 g × f （注意，命题中没有运行时间要求）
五、计算分析
做功分析—— 设：S为小车行走距离，mm，η为小车总效率， F0 × S =G× 500mm× η 则： S =G× 500mm× η / F0 前面防滑计算得出：F0 ＜ Ff = P0 g × f 可见：
G=1kg
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。 Φ F0= G× Φ /D
作品内容：1.“无碳小车”实物作品； 2.加工制作及组装过程的视频录像（10分钟）；
3.带有徽标的载荷质量块（徽标说明）；
4.作品的设计说明书（word、.ppt 文稿）； 5.工程管理方案、加工工艺方案、成本分析方案。等
二、设计要求
1.驱动力：重力势能，1kg（Q235， Φ50mm*65mm ），落差高500mm； 不准使用任何其它的能量形式 2.车结构：三轮，1轮导向，2轮驱动； 3.转向轮：最大外径≥Φ30mm； 4.配载荷：不小于400g、外型Φ60mm*20mm；
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
v 1 v1
v3 v3
2L
4
5 2 1
3
H
2
差速器
无碳小车设计说明
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构架部分 转向部分 驱动部分 细节说明
1.构架部分
• 小车采用三轮结构（1个转向，2个驱动） • 重物落差0.5米物重1kg.
2.转向
• 转向机构与驱动轴相连 • 小车的转向轮周期性的摆动 • 计算传动机构，使小车行使200厘米时，转 向轮摆动一个周期。 • 确定连杆在转盘有位置，尽量减小转向轮 的摆动角度，从而使小车先驱的实际距离 变大。确定初始位置与摆轮角度的关系。
小车其它具体结构和材料选用不作要求。
三、制作要求
1.校内制作：自主制作全部零件。 2.比赛现场制作：（进入第二竞赛环节后） 小车转向轮
（1）计算机三维造型；
（2）加工制作，方法可包括： 快速成型机制作、
机床加工、
钳工方法 （3）组装调试。 等；
四、比赛要求
预赛： 在指定赛道，比赛绕过障碍多少和行走距离。文件原文——
（3）弹性势能：物体由于发生了弹性形变而具有的能量叫做弹性势能，弹性势能的标 志是弹性形变。
转化方法很多，如：直接转化——重力势能 间接转化——重力势能 蓄能——重力势能
带动轮轴转动； 其它能量 带动轮轴转动 带动轮轴转动；
各种蓄能装置
但是注意：为减少能量损失，转化步骤越少越好
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；
3．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，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；2在将要下 降到小车时，改变转速比，使物块减速下 落，进一步减少碰撞损耗。
包括： 齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、带传动机构、链传动机构、绳传动机构、 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。