第頁基于重力勢能驅動的無碳小車結構設計目錄TOC\o"1-3"\h\u129521緒論 254671.1設計背景 216611.2研究意義 3218351.3太陽能的應用實例 3304481.4重力勢能的應用實例 5188831.5無碳小車的意義 6174632無碳小車的設計概述 7280352.1論文的命名主題 749542.2無碳小車功能設計要求 7147412.3無碳小車的整體設計要求 8186412.4無碳小車的設計方法 8311713無碳小車結構方案的設計 10239823.1整體方案分析 10219123.2局部方案的技術分析 11110143.2.1驅動機構 11150193.2.2傳動機構 12178243.2.3轉向機構 12312363.2.4行走機構 1351813.2.5微調機構 13148053.3方案草圖的建立及原理 14237933.4無碳小車材料選擇 1497024無碳小車運行理論計算基礎 15108464.1無碳小車參數的確定 15236434.1.1無碳小車運行軌跡理論參數分析 15122584.1.2動態(tài)力分析 15168374.1.3傳動機構及行走機構參數確定 17194294.1.4轉向機構參數的確定 18324105建立小車的虛擬樣機模型 194945.1無碳小車的整體虛擬樣機模型 19147265.2無碳小車主要結構3D模型 20210456典型零件的設計及強度校核 23320546.1主動齒輪設計 23170806.2主動齒輪的強度校核 2328045結論 261緒論1.1設計背景由于石油時不可再生資源，或者說產生年限比較長，然而，人類每天都會消耗著大量的能量，因此，能源問題時世界上所有矛盾的根源問題，是世界人民共同面對的問題，能源問題也成了當今世界很多地方經濟發(fā)展的主要根源問題。在一些西方發(fā)達國家，交通使用的能源幾乎可以占能源消耗占比的1/3，屬于是能源消耗的龍頭，基本上屬于資源消耗性和能源占用的水平，雖然我國國土面積世界第三，但是，我國的人口眾多，能源的消耗量不容小視，也可以說是供不應求，基本上處于一個可以利用的資源相對較少，同發(fā)達國家類似，我國的能源消耗主要集中在建設和交通上，交通行業(yè)是我國能源消耗的第一大行業(yè)，由于上述原因，這就導致了我國的資源較為緊張，因此，低碳環(huán)保成為我國未來的可持續(xù)發(fā)展的最基本的要求。根據相關資料的一些有關報道，我國的交通運輸行業(yè)。大部分由交通運輸工具，比如小型家用轎車，貨運卡車，輕型貨運，以及大型柴油運輸汽車，少量的摩托車，電瓶車等，這些大型燃油車，它們的排放標準與歐洲發(fā)達國家的排放標準差距非常大比如老式的國四，國五車輛，在使用的過程中，不僅消耗燃油很多，而且排放的尾氣也都是不達標的污染性尾氣，這不僅加劇了我國的能源緊張，還會加劇我國的環(huán)境空氣污染，因此，治理這些高碳運輸車輛刻不容緩，但是，經濟發(fā)展又離不開在這些大功率的燃油車，因此，發(fā)展新能源汽車，力求低碳環(huán)保到了一個很關鍵的地步，我們必須放長眼光，招收研發(fā)新能源，來代替污染性的不可再生資源。我們國家現在應該大理投入研發(fā)新能源技術，和將新能源技術應用到各個行業(yè)和領域，加大環(huán)保檢測力度，只有這樣才能夠踐行可持續(xù)發(fā)展理念，營造環(huán)保型社會。1.2研究意義根據當前世界的低碳環(huán)保理念，共建美好家園也是無碳小車設計的初衷，為了長久的可持續(xù)發(fā)展，盡可能的把低碳環(huán)保，低排放等相關的環(huán)保理念深入人心，把環(huán)保中融入人們的生活當中。對于設計新型無碳小車，并不是設計成真正的無碳小車，而是要將節(jié)能減排的無碳理念深入人心，如果要想真正的做到無碳排放的持續(xù)動力小車，還需要科研工作者的不懈努力，科技水平達到一個相對的高度，才能實現真實的無碳排放，而并不是在綠色能源方面得到重大突破，只有這樣，才能凸顯出我們的可持續(xù)發(fā)展理念。本次論文的意義在于建設環(huán)保型社會做出一個相應的倡導，將無碳理念進一步發(fā)展并且傳播，由于實現無碳理念又很多方式，比如：太陽能、風能、核能等。1.3太陽能的應用實例根據中國知網上的大量文獻所提供的信息，當今世界內，又很大范圍內都會有能源危機的問題以及環(huán)境保護的措施，包括美國等西方發(fā)達國家也在不斷的完善可持續(xù)發(fā)展問題及其理念，在環(huán)境保護方面投入了很大的研發(fā)力度，因為，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已經被世界上的先進者所看到；然而，新能源方面，太陽能是一種相對于人類的壽命而言是一種取之不盡，用之不竭的綠色能源，雖然世界上的所有能源來源最終追溯都是太陽能，所以，當今世界，太陽能已經被推到了一個新的高度，大力有效的開發(fā)和利用太陽能是當前一個做的最重要的事情。如今，很多國家對太陽能的利用，也越來越大，太陽能的高效利用技術也相對以前比較成熟，太陽能的利用也逐漸深入人們的生活當中去，從最開始的政府倡導并實施，路邊照明用太陽能板，到現在的農村也在漸漸的引入太陽能技術，這中間與新能源技術深入人心密切相關，不過，這也逐步促進了可持續(xù)發(fā)展的觀念和低碳環(huán)保的政策走向全民。太陽能的逐步推廣應用，可以有效的緩解我國現在的能源緊缺狀況，從社會層次看，新能源技術的利用有利于開發(fā)更新的技術，更有利于貫徹社會主義的可持續(xù)發(fā)展觀，而且還能加快中國科技的進步，以下從幾個方面來舉例太陽能的應用實際：1、太陽能熱水器的應用將太陽能進行光電熱轉化是最普遍、最原始的利用形式，從很久以前就開始有人用太陽能曬水，來節(jié)約燒水的時間與成本，但是，如果按照原始的太陽能轉化方法，會造成大量的熱能散失，不利用太陽能轉化的效率。現在通過一種新型的太陽能熱能收集器，即太陽能熱水器，不僅可以收集大量的太陽能，將太陽能轉化為熱能，產地到水中，還能夠將熱能保存在水中，防止在太陽能轉化成熱能時，熱量的散失，導致太陽能的轉化效率低。太陽能熱量收集器主要包括家用平板式和光電轉化式兩種收集裝置，其中，平板式太陽能板是一種新型的太陽能手機裝置，它收集太陽能的效率很高，收集板與太陽能接觸面積很大，便于太陽能的轉化，但是，平板式太陽能板的占用面積很大，不方面安裝與使用，因此，針對這個問題，一些科研工作者又研發(fā)出了一種更加新型的聚光式太陽能熱水器，這個新型收集太陽能的裝置就像是放大鏡聚焦太陽光一樣，將大量的太陽能聚焦到一點，這樣就解決了上述平板式太陽能的弊端，既可以高效的收集太陽能，又可以不占用太多地方，還有一個好處就是，即使在太陽光照不強的陰雨天氣，也可以聚焦產生大量的太陽熱能，這就解決了天氣對于太陽能使用的影響。2、太陽能空調制冷技術的應用雖然太陽能是熱量，但是，太陽能也可以制冷，這是因為，太陽能本質上是一種能量，就像電能，石油一樣，可以轉化為其他能源，因此，一種新型的太陽能制冷空調就出現了，這種新型的太陽能空調由幾大部分組成，分別是太陽能收集能量板、熱量驅動轉化裝置、電力驅動系統(tǒng)。他的工作原理主要是利用太陽能產生的熱量帶動發(fā)電機系統(tǒng)，產生電能，利用這個電能驅動空調的各個部件，因此這種空調的使用成本很低，整個運行過程，都不需要耗費很多外部電能，主要靠自己的太陽能電磁板自給自足，因此，這是一種利用太陽能的新型技術。3、太陽能電池的應用隨著現在科學技術的發(fā)展，光伏電池技術也得到了相應的發(fā)展，近些年來，主要以高效率的硅電池技術未主，然后又逐漸開始發(fā)展薄膜電池，隨著國家新能源技術的政策下達，我國很多企業(yè)開始自主研發(fā)新型能源技術，其中，最具有代表性的當數太陽能電池技術的研發(fā)，因為太陽能是很清潔的能源，在發(fā)電的時候不會產生任何污染，因此，在未來，全球的太陽能電池將會得到很大的發(fā)展與應用。1.4重力勢能的應用實例以上敘述的是關于太陽能的利用。至于勢能，其實是一直被人們忽略的東西，從古至今人們從沒有停止對勢能的利用。根據史書的記載，在中國的文化當中，有很多關于重力勢能的利用實例。而且，重力勢能已經被中國人使用幾百上千年了，已經融入我們的正常生活中。雖然，在重力勢能的利用方面，但是，礙于技術的局限性，我國古代人沒有總結出關于一些其他新能源的利用案例，隨著科學技術的發(fā)展，當今時代，太陽能、重力勢能等新能源也逐步引起了人們的注意，逐步被人們所利用，走入千家萬戶當中，重力勢能的研發(fā)也取得了很大的進步。以下，可以從生活中的方方面面來距離說明重力勢能的技術在生活中的應用：1、重力電燈的發(fā)明重力勢能轉化為電能，而帶動電燈發(fā)光，這個簡易的新能源轉化是由英國人研制的。利用重力勢能來帶動電燈泡是一個非常環(huán)保的案例，它的工作原理也是非常簡單的，通過懸掛在很高的一個重物下落時，產生的拉力，帶動輪轂旋轉，并且通過變速器加速，從而帶動發(fā)電機轉動，產生電能，因此，帶動電燈泡發(fā)光。這種建議的裝置雖然不能持續(xù)性發(fā)光，但是一次性蓄能，可以維持大約半小時的照明，比較適合在小山村里做臨時照明使用，從能量守恒的角度分析，能量在發(fā)生轉化的時候，既不會增加，也不會減少，但是，在重力勢能轉化為其他能量時，總會伴隨者發(fā)熱的出現，也就是出現了能量的損耗，這時能量轉換不可避免的事情，這種重力勢能電燈，比較適合在偏遠地區(qū)的不通電的小山村使用。持續(xù)照明時間相對較短。2、自然重力勢能發(fā)電全世界最大的水利發(fā)電站，既是中國的三峽水電站，主要工作原理，把天然的水流，分階梯，當水流從上往下掉落的時候，擁有巨大的重力勢能，從而，水的重力勢能帶動發(fā)電機組旋轉，從而產生巨大的電能，聯(lián)入電網，供居民和工業(yè)使用，三峽水電站發(fā)的電為國家電網做出了很大的貢獻，而且純天然，無污染，這就是利用重力勢能的優(yōu)勢。3、利用重力勢能為自動扶梯節(jié)約電能超市里的手扶電梯在征程運行時，又上行也有下降，在電梯上升時需要消耗電能帶動電動機運行，從而將人運送到二樓，但是下降時，是不需要電能的，甚至是可以發(fā)電的過程，也就是，如果電梯在下降時，接入發(fā)電機，就會把人下落時產生的重力勢能轉化為電能儲存起來，可以供照明使用，這樣就會節(jié)約很多不必要的電能，帶來很大的經濟效益。4、重力勢能在水循環(huán)系統(tǒng)的使用如下圖為重力勢能在水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理圖：圖1.1水循環(huán)系統(tǒng)原理圖設計循環(huán)水系統(tǒng)的大概流程：根據用水設備全部開啟時，即滿負荷狀態(tài)的用水量，管道阻力，水的流量及揚程等實際條件來選擇水泵。在實際的生活中，很多情況和理論上是不相同的，就這個水循環(huán)系統(tǒng)來說，大部分的使用設備時很少有機會在一起工作的，多數情況下，是單獨使用，因此，在單獨使用用水設備時，電動機也會正常運轉，這樣就造成一個很大的電能浪費，能效比很低，也就是能源利用率時很低的，針對這種情況，可以設計一個重力勢能的收集系統(tǒng)，對多余的能量進行收集儲存，到關鍵使用的時候，才放開，這樣就可以節(jié)省很多浪費的電能。利用這種新型的用水系統(tǒng)，可以將多余的能量暫時收集儲存，等到全部用水系統(tǒng)都在使用的時候，放出，這樣就會減少很多不必要的浪費，從而節(jié)約了大量的電能，達到了環(huán)保的目的。1.5無碳小車的意義無碳小車的設計，從當前的科學技術的意義來說，并沒有很大的實用意義，但是，無碳小車的研發(fā)與設計，從人們的觀念上普及這種節(jié)能、低碳、環(huán)保的思想，更有助于推動綠色的新能源發(fā)展逐漸應用到居民的加他生活當中，最主要的目標，就是要將節(jié)能減排的理念傳遞到每個公民的心中。2無碳小車的設計概述2.1論文的命名主題“無碳小車”是這次設計的主題，這次設計的目的，是要提高學生的工程設計能力，和對機械行業(yè)的學習做出一個總結，能夠深化學生所學習的知識，更重要的是要將這種低碳環(huán)保的理念深入人心，將新能源思想的普及到居民的生活當中，這次設計要求“創(chuàng)新的設計理念、工藝要求、分析優(yōu)化”等幾個方面的目的。2.2無碳小車功能設計要求圖2.1無碳小車示意圖圖2.2無碳小車運行軌跡圖如上圖1.1小車示意圖：根據能量守恒定律，給一定重力勢能（用普通碳鋼的重塊，質量為，鉛垂下落差為來獲得），這次設計，是要研發(fā)一種，以重力勢能驅動無碳小車，并且小車的方向要以“S”型運行。也就是說，無碳小車可以按照規(guī)定的路線行駛，能夠有規(guī)律的避開底平面上的障礙物，障礙物要以間隔為1米的距離擺放，即無碳小車要行駛“S彎”的規(guī)劃路線。不僅如此，還要保證無碳小車在形行駛過程中，產生重力勢能的重錘不會大幅度搖擺，造成小車行駛不穩(wěn)定的情況。而且，還要避免重錘行駛過程中掉落的危險?？傊専o碳小車在低碳環(huán)保的前提下，安全靈活的行走的一種設計方案，絕不能是要其他例如電能、發(fā)動機等其他能力。無碳小車的大致結構，一般采用三個齒輪，兩個大齒輪負責驅動小車行駛，一個小齒輪負責無碳小車的轉向系統(tǒng)。至于設計思路，可以從互聯(lián)網上和實驗室里，找到大概的設計模型，及其方案理論。2.3無碳小車的整體設計要求無碳小車的整車設計方案：①要求設計的小車從結構方面不易復雜，轉向機構相對精確，能效比高，摩擦損失盡可能少；②在材料旋轉方面，要盡可能的合理經濟；③要求無碳小車足夠靈活，可以按照規(guī)定的“S”彎路線行駛，并且要保證行程盡可能的遠，走直線時，要保證盡可能的直。關于無碳小車的結構性新型設計原則：①在保證基本功能的同時，要力求質量最輕，重心要低，平穩(wěn)；②小車的運行結構要便于加工和制造；③各個部件要有相對足夠的強度和剛度，保證小車的安全可靠；④還有無碳小車的微調節(jié)裝置，保證小車的平穩(wěn)且靈活。2.4無碳小車的設計方法在開始設計之前，首先要確定本課題的要求，然后，在對課題進行分析，最后列出幾種合理的設計方案，再選擇出最終的設計方案。本次設計，要根據機械設計總論的方法，先根據經驗設計出幾種合理的方案，在通過工程力學和機械原理一一驗證，找出一個更加合理的設計方案，利用機械設計方案理論，站在設計師的角度，對整個設計產品進行靜態(tài)和動態(tài)的模擬觀測，注意把握零件加工工藝水平，同時，還要注意制造研發(fā)的經濟性。最終還要逐步設計小車的整體框架、運行傳動系統(tǒng)、小車的靈活轉向系統(tǒng)、小車的方向微調節(jié)系統(tǒng)、能量轉化系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)等各個方面都要進行詳細設計。為了使小車在運行過程中，行駛時和轉彎時更加平穩(wěn)安全可靠，在設計時要嚴格要求每個設計步驟，在已經設計完成每個零部件后，要進行工程力學的校核，進一步保證小車的安全性能。在校核完成后，要畫出小車的三維模型圖，進行模擬仿真設計，這樣可以最大限度的保證小車各部分的設計合理性，各零部件的結構合理性，小車運行時的安全可靠性。在模擬仿真的時候，要盡可能的接近現實生活的條件（材料的選擇、驅動裝置、重力錘、連接處阻尼，輪子與地面的摩擦阻力），還要對小車在行駛規(guī)定路線時（S彎）的運動情況進行分析，確保無碳小車的靈活性，若發(fā)現小車的軌跡有少許偏差，應該盡力去調整小車的運行結構，適當的修改曲柄搖桿機構，直到小車的運行與設計理論無差距之后，方能達到設計要求。如下圖2.3是關于無碳小車的設計流程：圖2.3無碳小車設計流程圖3無碳小車結構方案的設計3.1整體方案分析在設計之初，首先對本次論文的任務及其設計目的進行詳細分析，多上互聯(lián)網，多看文獻，汲取無碳小車的設計方案及思路，把無碳小車的初步設計方案一一列出，再進行詳細組合，無碳小車由五大機構組成，分別是：驅動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構五個模塊。下圖3.1為無碳小車設計的思維導圖：圖3.1無碳小車結構方案設計思路在對各部分機構的方案進行選擇的時候，要根據實際情況，必要時可以請教導師，因為，導師的實際經驗較為豐富。還有選取各構件材料時，要考慮學校的機床和零件材料的獲取途徑，以及最終成本的經濟性等。抉擇方案時，盡可能的避開自己的主觀因素，多向同學、老師探討方案的可行性和最優(yōu)化。下圖3.2為對無碳小車的初步決定。圖3.2影響功能實現的因素3.2局部方案的技術分析3.2.1驅動機構根據論文任務書的要求，使重物的重力勢能轉化為無碳小車的運動的動能，驅動無碳小車的前進，驅動機構既是為了實現能量的轉化的。在驅動小車的時候，要保證小車的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性，特別是物探修凹槽的起步階段，起步階段由于小車的總的受力時沿著驅動力的方向，，在小車運動之前由于摩檫力的作用，所有在無碳小車起步時，是不平穩(wěn)階段，需要注意起步時的行走平穩(wěn)性。總之，驅動小車的行走平穩(wěn)性可以使用以下方案：重物+棉繩+錐形繩輪；這種起步方案可以使小車逐漸加速使小車更加平穩(wěn)：圖3.3繩輪受力分析驅動力矩：1、根據以上公式理論，無碳小車在啟動時，由于繞繩的鼓輪半徑從最大到最小，因此，小車的啟動力矩較大，導師，速度較小，小車運行較緩，更為平穩(wěn)。2、在小車啟動之后，產生動力的重物吊繩的拉力半徑逐漸減小，也就是說，無碳小車在啟動運行之后的的驅動扭矩逐漸減小，反之，速度逐漸變大，實現了無碳小車的加速，知道穩(wěn)定后，小車勻速行駛。3、當重錘下降一大半的時候，也就是小車上儲存的重力勢能即將用完的時候，繞繩的鼓輪半徑再次減小，驅動力距小于摩檫外力矩，這時小車將會勻減速，知道小車重力勢能耗盡為止，小車停止，這樣就實現了小車的平穩(wěn)啟動和停止。3.2.2傳動機構傳動機構實現的功能是把能量傳送到后輪和轉向機構，若要使小車運行軌跡更長，并按預先設計的軌跡行走，那么傳動機構的傳動效率必須很高，而且結構簡單。3.2.3轉向機構無碳小車的轉向控制機構使為了使小車的運動更加靈活，實現小車按照規(guī)定的路線即S彎避障行駛，這時無碳小車的兩大部分之一。同樣地，轉向機構不宜太復雜，如果轉向機構較為復雜，能量的利用效率就會有所降低，導致重力勢能的轉化下來降低，因此，要盡可能的簡化轉向機構。對以上初步設計的轉向機構進行選擇和設計：1、凸輪+搖桿優(yōu)點：根據從動件的運動規(guī)律，直徑設計出主動見凸輪的形狀，而且，設計步驟較為簡單，設計類型比較豐富，凸輪的制造也很簡便，使用線切割技術就能很快地加工制造。缺點：在無碳小車的微調機構上，容易發(fā)生干涉，而且，凸輪的重量較大，無形中加重了無碳小車的負荷，而且凸輪傳遞動力的時候使高副傳遞，能量損失大。2、空間曲柄搖桿機構：優(yōu)點：機構從設計到組裝都很簡便，并且在傳遞動力的時候，不會產生機會特性機構。缺點：在后面的微調機構設計的時候，不容易把握動力的傳遞，而且存在很大的摩擦阻力，容易降低傳遞效率。3、曲柄連桿+搖桿優(yōu)點：理論上的設計很簡便，可以把曲柄回旋機構改造成微調機構，就可以很靈活的控制無碳小車的轉彎和轉向機構。缺點：曲柄連桿的軌跡運動和往復式支撐架的表面摩檫力較大，當小車的運轉速度大的時候，容易產生震動和較大的摩擦。因此，只適用低俗運行的產品機構。根據以上的分析有何敘述，又根據經驗的設計方法，最總選擇出相對比較優(yōu)異的方案：曲柄連桿+搖桿（在這個方案當中，曲柄的運轉中心要求要在和搖桿在同一水平面上）。3.2.4行走機構關于無碳小車的行走驅動的控制，行走機構一般要大致模仿現代電動汽車的驅動機構，也就是，動力通過減速器直接帶動車輪，這樣設計可以使運行傳遞的動力更加節(jié)約，減小摩擦，有利于能量之間傳遞的效率，可以使重力勢能轉化為動能更加徹底，初步設計，使按照后輪驅動，前輪用于轉彎，這樣將驅動機構和轉向機構分別設計制造，不會使整車較為復雜，提高傳遞的效率，在后輪軸上需要安裝差速器，這樣就會使小車在轉彎的時候，不會翻倒，提高小車運行時的平穩(wěn)性，從制造成本上，看還可以考慮單輪驅動，但是，單輪驅動適合在平整的路面，不太符合現實生活實際。3.2.5微調機構在設計完成后，制造無碳小車各部件時，不可避免的會有少許的制造誤差，還有部分裝配誤差，這就會時小車在不同的工作環(huán)境下，運行會產生相對應的誤差，這時候就需要一個微調整機構，來調節(jié)無碳小車的這種微小的運行差距；從某種意義上說，微調機構其實也是一個控制部分，控制小車的行走路線、轉彎的靈活性、還有能量的轉化系統(tǒng)、以及其他小車運行時的問題。微調機構可采用：微調螺母方式、滑塊式。借鑒互聯(lián)網上的文獻資料，轉向機構和前進驅動機構上可以安裝微調裝置。下面論述會有相關圖片展示。3.3方案草圖的建立及原理根據上述的理論部分，把確定選擇的各部分機構挑出，然后進行組裝，并且呼出機構草圖：圖3.4無碳小車整體結構草圖驅動機構→重物+棉繩+繩輪傳動機構→小齒輪+大齒輪轉向機構→曲柄轉盤+T型連桿+搖桿（控制方向和正弦軌跡振幅）行走機構→兩個后輪+前輪（控制正弦軌跡周期長度）微調機構→曲柄+曲柄轉盤原理是：重物的重力勢能通過繩輪傳遞到后輪軸上，提供原驅動力，將動力分開，一部分分給前進機構，驅動小車行走，另一部分提供給曲柄搖桿機構，復雜控制小車按照規(guī)定的周期轉向；如果在行駛過程中，小車不夠平穩(wěn)，這時微調機構機會發(fā)揮作用，調整小車正常運行，調整曲柄的長度，直到無碳小車正常運行行走為止。3.4無碳小車材料選擇由于上述部分以及完全描述了整臺小車的性能，最后，由于，小車要求傳動效率高，行駛距離較遠，那么就應該盡可能的降低小車的重量，但是，又要要求小車有足夠鋪的剛度，根據機械工程材料學最總確定小車為鋁合金材質，較為符合以上要求。4無碳小車運行理論計算基礎4.1無碳小車參數的確定4.1.1無碳小車運行軌跡理論參數分析根據無碳小車行走示意圖2，假設小車的行走軌跡為正弦函數：（m）小車運行的軌跡幅值A：0.35m，周期T：2m。對軌跡曲線求導得：，這個方程中含有三角函數，含義為無碳小車在做S彎運行時在各個軌跡點的正切值的數值大小。通過計算機模擬試驗可以得出無碳小車的前轉向輪的轉角最大為，這個正弦函數的軌跡由可用積分求得：一個周期的軌跡路徑為，也就是曲柄軸（輔軸）回轉一周，搖桿前后往復擺動一次，后輪前進，用數學公式可以表達為：其中為曲柄上的齒輪到驅動軸上的齒輪的傳動比、為后輪直徑。和之間的函數關系可以用表格表示如下：表4.1i和d的關系12345677743872581931551291104.1.2動態(tài)力分析1、力分析為了全面的理解小車的各個參數變化對小車繞樁個數的變化的影響，下面針對：①輪子的半徑；②小車與地面的滾動摩擦系數；③小車的重量；④小車的能量轉換效率；四方面進行動態(tài)運動學分析，從而初步確定驅動機構和曲柄搖桿機構的參數。假設后輪受力示意圖如下：圖4.1小車受力分析控制小車在平面上勻速行走，受到重物下降牽引繩輪的扭矩和滾動摩擦阻力。由滾動產生的摩擦阻力分析：當兩個物體，一個為平面，另一個為圓柱體，地方圓柱體在平面上滾動的時候，由于平面受到壓力，產生變形，因此上面的圓柱滾子在滾動的過程中，會受到相應的阻力，即摩擦力，滾動摩檫力的大小與兩物體間的相互作用力有一定的相關性，即當量摩擦系數，即（為滾動摩擦系數）。靜力受力分析可以得出以下公式：(4.1)2、力約束所設計的無碳小車如果要箱平穩(wěn)的行走，就要克服運行阻力，即摩擦阻力的最大值和相對不打滑的動力摩擦阻力。（1）運行阻力：①慣性阻力（小車的啟動加速度）②靜阻力（包括基本阻力、彎道阻力）基本阻力(為運行阻力系數，約為0.01)(4.2)（2）地面對無碳小車的滾動摩擦阻力：(4.3)式中：—滾動摩擦阻力系數；由于系數與輪子材料和地面的材料有關，取。無碳小車不打滑的條件：3、做功分析：假設，為小車運行軌跡路程（單位mm），為小車的總效率。則：(4.4)綜上(4.1)和(4.4)方程式可得出軌跡路程方程式：(防滑條件)根據上述公式可知，為了使無碳小車行駛更加平穩(wěn)，增大小車的轉彎靈活性，比賣你因為車輪勻地面之間的打滑造成的能量損失，驅動力距越小越好，并且，后來可以適當的擴大其尺寸，這樣可以增大小車的抓地力。4.1.3傳動機構及行走機構參數確定根據試驗和計算機模擬仿真可以，齒輪的傳動比和后輪直徑可以先試選：根據上述的理論部分，還有試選的數值，要想滿足一級變速機構的傳遞部分設計，要求傳動比要小，并且后來的直徑不能太小和太大，要適中。選試選擇后輪直徑定為155mm，前輪的轉向輪的尺寸可以定為36mm，盡可能的降低重心，保證小車的平穩(wěn)性。經過分析，可以初步選擇：模數為，小齒輪，大齒輪，中心距，后輪直徑，前輪直徑。4.1.4轉向機構參數的確定原理圖如下表示：從動件T型連桿的前進位移和曲柄長度以及轉角關系為。根據上述先確定的部分部件的尺寸，還有部分小車底盤的合理性，以及整車的重心位置，可以預先假設：搖桿c的長度為：；連桿d的長度為：。由小車運動分析示意圖知：綜上所述，根據設計方法與理論，機構的尺寸：搖桿，連桿，曲柄。5建立小車的虛擬樣機模型5.1無碳小車的整體虛擬樣機模型先根據上述理論和互聯(lián)網資料，構想出大概的無碳小車模型，然后利用所學三位軟件建出構想的具體樣子，小車關鍵局部機構的數學建模得出估算的尺寸，然后進行無碳小車的各主要部分三維模型的建立。下圖為根據結構草圖建立起來的無碳小車虛擬樣機模型：圖5.1無碳小車虛擬樣機草圖圖5.2無碳小車總裝配圖5.2無碳小車主要結構3D模型無碳小車的整體結構設計主要分為五大模塊：1、驅動機構：重物+棉繩+錐形繩輪（綠色部分）；2、傳動機構：小齒輪+大齒輪（紅褐色部分）；3、轉向機構：曲柄軸+曲柄轉盤+連桿+搖桿（金黃色部分）；4、行走機構：后輪+前輪（黃色部分）；5、微調機構：曲柄+曲柄轉盤（紅色曲柄軸可以在金黃色曲柄轉盤的滑槽內滑動）。以下為主要零件解讀的圖示：圖5.2主要零件解讀6典型零件的設計及強度校核6.1主動齒輪設計圖6.1主齒輪的結構圖示6.2主動齒輪的強度校核1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數（1）按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪；（2）選用7級精度；（3）材料選擇。由設計經驗選擇大齒輪材料為LD6061鋁合金，硬度為，小齒輪材料為黃銅，硬度為；（4）選大齒輪齒數，小齒輪的齒數為；2、按齒面強度設計（1）確定大齒輪分