- 8 -

 

第二篇：无碳小车的结构设计思路及方案

无碳小车设计思路及方案

一、设计思路

根据本届竞赛题目对无碳小车（以下简称：小车）功能设计、徽标设计的要求，我们首先确定如下的 设计思路：

1、 根据能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以小车前进能量来源直接由重物下落过程中减少的重力势能提供为宜。

2、 根据小车功能设计要求（小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物），小车前进的路线具有一定的周期性；考虑到小车转向时速度有损失，小车前进的线路是命题设计要求的最优解。

3、 结构的设计与成本分析、加工工艺设计统筹考虑，力求产品的最优化设计。

4、 徽标反映本届竞赛主题：无碳小车

二、设计方案

以下是具体的设计方案介绍：

一、徽标设计（图1）

图1

（1）设计说明：

整个徽标是一个椭圆形的圈，包围着一个车轮，车轮下面写着“No Carbon”的字样。其中，车轮代表着我们所做的无碳小车。其后面是由众多抽象的“S”形条纹组成，代表着我们的无碳小车由所要求的“S”形跑到飞驰而出。其下的“No Carbon”字样简单明了地说明了这届大赛的主题，并且外面的椭圆圈，代表着能量的意识，说明了势能与动能相互转换的过程。最后，以整体上看，整个图形像一只眼睛。看着远方，对未来全球实现无碳充满希望。

（2）材料：45钢

（3）制作：激光打标机 喷漆

外圈红色R：255 G：0 B：0 内圈红色 R：170 G：0 B：0 “No”R：85 G：85 :B：:85 “Carbon” R：170 G：0 B：0

车轮R：255 G：85 B：85 “S”R：255 G：85~170 B：0~85

二、小车动力、动力—转向、转向系统

1、小车的动力系统（图2）

（1）方案：

根据竞赛命题要求（小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均重物下落减少重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量形式）及能量守恒定律，物块下落的重力势能直接转化为小车前进的动能时，能量损失最少，所以以绳拉力为动力为宜。拉力作用于锥型原动轮（以下简称：原动轮）上，形成力矩，力矩对该原动轮产生转动效应，通过一系列齿轮的传动，将动力输出，使后轮转动，小车前进。

（2）以上方案作用：

①由于设计该小车的前进过程是 静止—加速—匀速—减速 的过程，所以开始时拉力的作用点处在原动轮半径较大处，并且随

着小车的前进，拉力作用点距离原动轮的轴线的距离呈递减的线

性变化。起始时，原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动；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。

②重物是由赛会组委会提供，M=1Kg，那么作用于原动轮上的作用力为F=Mg=9.8N.若该作用力所产生的扭矩不通过一系列齿轮将扭矩减小而直接作用于后轮上，那么重物开始下落—重物停止的过程 一直处于加速，这与小车的设计运动过程相违背。所以采用一系列齿轮将该作用力产生的扭矩转化为后轮上较小扭矩，增加小车前进的距离，控制小车前进的速度。

2、小车的动力—转向系统（图3）

图3

（1）方案：

根据竞赛命题要求（小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均重物下落减少重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量形式；小车在前行时能够自动避开赛道设置的障碍物），通过锥形齿轮，将小车动力传递到

小车的转向系统。又根据小车转向系统的设计要求，设计两个转向相反的齿轮，齿轮上插有挡块，两个挡块周期性的碰撞转向系统中的把手，完成转向。

（2）以上方案作用：

①小车动力—转向系统是连接动力系统与转向系统的桥梁，通过给系统，实现小车转向动力的来源。

②动力—转向系统中反向旋转的两个齿轮，通过齿轮上挡块对转向系统中 把手 周期性碰撞，将动力系统的作用力传递到转向系统。

3、小车的转向系统（图4）

图4

（1）方案：

根据小车功能设计要求（小车在前行时能够自动避开赛道设置的障碍物）及转向特点，采取小车前进轨迹为：直线—弧线—直线的行

进过程（图4）。为了实现此运动轨迹，小车前轮转动必须满足向两边转动的时间短，不发生转动的时间长。为此，设计在前轮轴上安装一个把手，把手与前轮轴通过键连接，与底盘通过弹簧连接。当动力—转向系统上的挡块碰撞把手时，小车处于转向过程；当碰撞结束后，把手由于弹簧的作用力，回到未碰撞之前的状态，此时，小车处于直线前进的过程，直到下一个转向处。

（2）以上方案的作用：

考虑到小车转向时，速度有损失，且转向过程中小车重心偏移，影响小车的稳定性。一方面，采用直线—弧线—直线的运动轨迹可以从一定程度上提高小车的稳定性。另一方面，小车的速度不会损失的太多。