摘要
无碳小车来自全国大学生工程能力训练大赛题目，根据“节能减排，绿色出行”的环保理念，提出了一种基于热力驱动的具有方向自动控制的无碳小车。
本文设计的无碳小车主要是将热能转化成机械能，用来驱动小车前进的装置，在前进的过程中，利用凸轮完成自动转向，让小车在凸轮机构的控制下，周期性的自动转换方向，避开障碍物，行走一定距离的s型路线。制作出了行驶平稳轻巧，效率高、周期可调的小车，并提出了提高零件精度和增加赛道校准装置的改进方向。根据要求，小车主要分为六部分：车架、原动机构、传动机构、转向机构、驱动机构、微调机构，对每个部分采用扩展性思维寻求多种可行方案，并综合考虑功能实现、加工装配、成本可行性等因素进行优化设计。 
采用现代机械设计方法，通过MATLAB软件完成归结仿真和模拟，通过计算后，使用SolidWorks软件完成三维图纸的绘制，仿真驱动设计。

关键词：无碳小车；凸轮设计；SolidWorks；MATLAB

        目录
第一章 绪论    4
1.1选题的目的及意义    4
1.2、国内外的研究现状    5
1.3、设计任务与功能分析    6
1.3.1、无碳小车的设计任务    6
1.3.2、无碳小车的功能分析    6
1.4、无碳小车设计方法    7
1.5、无碳小车的设计思路    8
第二章 无碳小车的方案理论设计    9
2.1、无碳小车行走轨迹设计    9
2.1.1、小车的轨迹路线分析    9
2.2、无碳小车具体参数的确定及传动机构的设计    9
2.2.1、小车具体参数的计算    9
2.2.2、传动机构的设计    10
2.3、车架的设计    13
2.4、转向系统方案设计、分析及计算    14
2.4.1、无碳小车转向系统方案分析    14
2.4.2、无碳小车转向机构方案对比与确定    15
2.4.3、无碳小车转向机构参数的确定    16
2.4.4、无碳小车摆动导杆机构运动参数的确定    18
2.5、原动机构的设计    19
2.6、行走机构的设计    20
2.6.1行走机构的方案选择    20
2.6.2行走机构参数的计算    20
2.7、微调机构的设计    21
2.8、无碳小车整体方案确定    21
第三章 主要零部件的设计及校核    22
3.1、基本参数    22
3.2、小车运动参数计算    22
3.3、轴的设计及计算    23
3.3.1、凸轮轴的设计及校核    23
3.4、齿轮的设计及校核    25
3.4.1、齿轮的设计    25
3.4.2、按齿根弯曲疲劳强度设计    26
3.4.3、校核齿面接触疲劳强度    27
3.5、轴承的设计及计算    27
第四章 MATLAB轨迹仿真    29
4.1、MATLAB    29
4.2、MATLAB    29
第五章 无碳小车的装配设计    31
5.1无碳小车的整体布局    31
第六章 无碳小车的影响因素分析及调试    33
6.1、小车的影响因素分析    33
6.1.1、两后轮中心不在同一直线上、直径不相等    33
6.1.2、后轮端面跳动    33
6.1.3、前轮不在小车车身中心线上    33
6.1.4、传动不平稳    33
6.1.5、轴承和轴承座的过度配合    33
6.2、小车轨迹偏差理论分析    34
6.2.1、加工精度造成的尺寸偏差    34
6.2.2、装配精度造成的尺寸偏差    34
6.2.3、发出位置造成的轨迹偏差    34
6.3、无碳小车的调试    34
6.3.1、无碳小车的协调性调试    34
6.3.2、无碳小车的速度调试    35
6.3.3、无碳小车的避障调试    35
总结    36
谢辞    37
附录    38

第一章 绪论
1.1选题的目的及意义
选题的意义：
随着科技的发展，能源短缺问题逐渐突出，越来越多的国家提出节约资源的口号。与此同时，由于我国的人均资源不足，环境污染日趋恶劣，人们对环保提出了更高的要求，因此设计研发新的可以再生的能源和可持续发展的观念深入人心。我国常见的能源有煤炭、石油和天然气，但在使用的同时这些能源造成的环境污染十分严重，无碳小车就是在这种环境下出现的一种比较环保节能的代步工具。例如常见的自行车等，在我国大部分地区都可以看到共享单车的影子，主要的目的就是提倡大家绿色出行，爱护环境。目前，很多国家都将无碳汽车的研发作为首要任务，例如新能源汽车等。因此为缓解世界能源短缺问题，我国需要将新能源汽车的研发和制造作为首要任务。我们既要考虑保护环境，坚持可持续发展原则，又要加大无碳小车的设计研发。因为无碳小车具有环保、节能、经济、方便、环保的优点，最重要的是低碳的特点。因此，我们应该大力推广低碳小车，利用热能转化成机械能的设计思路，找到新的方法来缓解能源和环境问题。无碳小车对于逐步取代传统能源有着深远的意义，将推动汽车产业的发展。
选题的目的：
本文主要是完成一种热能驱动的无碳小车的设计，无碳小车的题目来源于全国大学生工程能力训练大赛的题目，国家举办这个比赛的主要目的是进行竞技活动，同时为我国新能源汽车领域培养一批优秀的人才，增强大学生的创新能力和实践能力，培养大学生的环保观念，不断学习和创新，为低碳生活贡献自己的力量。本次设计的一级齿轮传动具有凸轮转向控制的无碳小车具有确定的运行轨迹，本次主要涉及到圆柱凸轮的计算、一级齿轮的计算和校核、轴承的选型及校核，轴的计算和校核，通过分析计算，可以灵活运用到所学的机械设计和机械原理等相关知识，设计一种能通过圆柱凸轮自动避障的转向机构，使得整个无碳小车的运行轨迹是一条近似正余弦曲线，从而使得无碳小车实现自动避障并按照规定的S轨迹前进的要求。
1.2、国内外的研究现状
查阅相关资料发现，我国每两年会举办一次全国大学生工程能力训练大赛，至今为止已经成功举办国七次比赛，主要设计到的轨迹有S轨迹、8字轨迹、双8字轨迹、环S轨迹和环8轨迹。且基本都是三轮结构，采用凸轮转向、曲柄摇杆、空间RSSR等转向方式。其中，曲柄摇杆机构一般使用优化设计，可以提高机构的对称性，正弦机构可以实现正反转角的完全对称。
关于无碳小车的研究重点在我国国内的主要高校进行，因为这是我国大学生的科技比赛，所以国外对于无碳小车的设计研究基本没有。国内的一些工科院校，尤其是机械专业比较强势的高校，对无碳小车的研究相对较深入。起代表的主要有哈尔滨工程大学、合肥工业大学、中北大学、太原理工大学、西安交通大学等。
其中，哈尔滨工程大学的工程训练中心提出了一种结构，它使用摩擦轮和摩擦盘的组合来实现小车的转向功能。这种结构易于处理，易于调试。在第三届全国大学生综合工程训练比赛中，东南大学院校工程学院团队提出了曲柄摇杆机构的操作机构，并应用微调装置精确调整小车轨迹路线。辽宁工业大学汽车公司专门改进无碳汽车的S型轨迹，采用一种新型的机械装置实现前轮的自动转向。通过调研发现，无碳小车主要是由车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构和微调机构六个模块组成。
车架：常见的有三角底板和四边形底板，通常采用铝材或者亚克力板进行数控切割或者直接使用3D打印直接成型。
原动机构：主要分为四种类型，绳轮式、弹簧储能式、链轮式、齿轮齿条式。从效率和简单性的角度来看，这四种方法一般都倾向于采用绳轮式，这种方法可以通过改变滑轮上不同位置的绳子来改变输出功率。
传动机构：常见的无碳小车传动机构主要有带传动、链传动和齿轮传动，一般采用的是齿轮传动和带传动。
转向机构：常见的转向机构主要有凸轮加摇杆、曲柄摇杆、槽轮加摇杆、空间四杆机构等。
行走机构：主要分为双轮驱动、双轮差速驱动、单轮驱动。
微调机构：其主要目的是通过改变曲柄的长度来改变小车的转向角度，以满足不同地点适应不同障碍物的要求。有微调螺母和滑槽两种方法。有可调曲柄和曲柄盘。
1.3、设计任务与功能分析
1.3.1、无碳小车的设计任务
自主设计并制作一台有方向控制的自行热能驱动车，该车行走过程中必须与地面接触运行，且完成所有动作所用能量均由热能转换而得，不允许使用任何其他形式的能量。热能是通过液态乙醇（浓度95%）燃烧所获得。该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。
无碳小车的动力由乙醇燃烧的热能提供。只有通过热能和机械能的能量转换，小车才能前进、转向和调整。无碳障碍小车的路线类似于正弦曲线，并且周期性

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