無(wú)碳小車(chē)—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

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1、㈠無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)思路根據(jù)本屆競(jìng)賽題目對(duì)無(wú)碳小車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：小車(chē)）功能設(shè)計(jì)、徽標(biāo)設(shè)計(jì)的要求，我們首先確定如下的設(shè)計(jì)思路：1、根據(jù)能量守恒定律，物塊下落的重力勢(shì)能直接轉(zhuǎn)化為小車(chē)前進(jìn)的動(dòng)能時(shí)，能量損失最少，所以小車(chē)前進(jìn)能量來(lái)源直接由重物下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能提供為宜。2、根據(jù)小車(chē)功能設(shè)計(jì)要求（小車(chē)在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物），小車(chē)前進(jìn)的路線具有一定的周期性；考慮到小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)速度有損失，小車(chē)前進(jìn)的線路是命題設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解。3、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與成本分析、加工工藝設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮，力求產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。4、徽標(biāo)反映本屆競(jìng)賽主題：無(wú)碳小車(chē)㈡無(wú)碳小

2、車(chē)設(shè)計(jì)方案以下是具體的設(shè)計(jì)方案介紹：一、徽標(biāo)設(shè)計(jì)（圖1）圖1（1）設(shè)計(jì)說(shuō)明：整個(gè)徽標(biāo)是一個(gè)橢圓形的圈，包圍著一個(gè)車(chē)輪，車(chē)輪下面寫(xiě)著“NoCarbon”的字樣。其中，車(chē)輪代表著我們所做的無(wú)碳小車(chē)。其后面是由眾多抽象的“S”形條紋組成，代表著我們的無(wú)碳小車(chē)由所要求的“S”形跑到飛馳而出。其下的“NoCarbon”字樣簡(jiǎn)單明了地說(shuō)明了這屆大賽的主題，并且外面的橢圓圈，代表著能量的意識(shí)，說(shuō)明了勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。最后，以整體上看，整個(gè)圖形像一只眼睛。看著遠(yuǎn)方，對(duì)未來(lái)全球?qū)崿F(xiàn)無(wú)碳充滿(mǎn)希望。（2）材料：45鋼（3）制作：激光打標(biāo)機(jī)噴漆外圈紅色R

3、：255G：0B：0內(nèi)圈紅色R：170G：0B：0“No”R：85G：85:B：:85“Carbon”R：170G：0B：0車(chē)輪R：255G：85B：85“S”R：255G：85~170B：0~85二、小車(chē)動(dòng)力、動(dòng)力—轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1、小車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)（圖2）圖2（1）方案：根據(jù)競(jìng)賽命題要求（小車(chē)前行過(guò)程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均重物下落減少重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式）及能量守恒定律，物塊下落的重力勢(shì)能直接轉(zhuǎn)化為小車(chē)前進(jìn)的動(dòng)能時(shí)，能量損失最少，所以以繩拉力為動(dòng)力為宜。拉力作用于錐型原動(dòng)輪（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：原動(dòng)輪）上，形成力矩，

4、力矩對(duì)該原動(dòng)輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，通過(guò)一系列齒輪的傳動(dòng)，將動(dòng)力輸出，使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小車(chē)前進(jìn)。（2）以上方案作用：①由于設(shè)計(jì)該小車(chē)的前進(jìn)過(guò)程是靜止—加速—?jiǎng)蛩佟獪p速的過(guò)程，所以開(kāi)始時(shí)拉力的作用點(diǎn)處在原動(dòng)輪半徑較大處，并且隨著小車(chē)的前進(jìn)，拉力作用點(diǎn)距離原動(dòng)輪的軸線的距離呈遞減的線性變化。起始時(shí)，原動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，有利起動(dòng)；起動(dòng)后，原動(dòng)輪半徑變小，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)矩變小，和阻力平衡后小車(chē)勻速運(yùn)動(dòng)。②重物是由賽會(huì)組委會(huì)提供，M=1Kg，那么作用于原動(dòng)輪上的作用力為F=Mg=9.8N.若該作用力所產(chǎn)生的扭矩不通過(guò)一系列齒輪將扭矩減小而直接作用于

5、后輪上，那么重物開(kāi)始下落—重物停止的過(guò)程一直處于加速，這與小車(chē)的設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程相違背。所以采用一系列齒輪將該作用力產(chǎn)生的扭矩轉(zhuǎn)化為后輪上較小扭矩，增加小車(chē)前進(jìn)的距離，控制小車(chē)前進(jìn)的速度。2、小車(chē)的動(dòng)力—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖3）圖3（1）方案：根據(jù)競(jìng)賽命題要求（小車(chē)前行過(guò)程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均重物下落減少重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得，不可使用任何其他的能量形式；小車(chē)在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開(kāi)賽道設(shè)置的障礙物），通過(guò)錐形齒輪，將小車(chē)動(dòng)力傳遞到小車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。又根據(jù)小車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的齒輪，齒輪上插有擋塊，兩個(gè)擋塊周期性的碰撞轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的把手

6、，完成轉(zhuǎn)向。（2）以上方案作用：①小車(chē)動(dòng)力—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是連接動(dòng)力系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的橋梁，通過(guò)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向動(dòng)力的來(lái)源。②動(dòng)力—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中反向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)齒輪，通過(guò)齒輪上擋塊對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中把手周期性碰撞，將動(dòng)力系統(tǒng)的作用力傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。3、小車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖4）圖4（1）方案：根據(jù)小車(chē)功能設(shè)計(jì)要求（小車(chē)在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開(kāi)賽道設(shè)置的障礙物）及轉(zhuǎn)向特點(diǎn)，采取小車(chē)前進(jìn)軌跡為：直線—弧線—直線的行進(jìn)過(guò)程（圖4）。為了實(shí)現(xiàn)此運(yùn)動(dòng)軌跡，小車(chē)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)必須滿(mǎn)足向兩邊轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間短，不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)。為此，設(shè)計(jì)在前輪軸上安裝一個(gè)把手，把手與前輪軸通過(guò)鍵連接

7、，與底盤(pán)通過(guò)彈簧連接。當(dāng)動(dòng)力—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的擋塊碰撞把手時(shí)，小車(chē)處于轉(zhuǎn)向過(guò)程；當(dāng)碰撞結(jié)束后，把手由于彈簧的作用力，回到未碰撞之前的狀態(tài)，此時(shí)，小車(chē)處于直線前進(jìn)的過(guò)程，直到下一個(gè)轉(zhuǎn)向處。（2）以上方案的作用：考慮到小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，速度有損失，且轉(zhuǎn)向過(guò)程中小車(chē)重心偏移，影響小車(chē)的穩(wěn)定性。一方面，采用直線—弧線—直線的運(yùn)動(dòng)軌跡可以從一定程度上提高小車(chē)的穩(wěn)定性。另一方面，小車(chē)的速度不會(huì)損失的太多。