无碳小车设计制作极其作用

无碳小车设计制作极其作用

机械专业是一个理论和实践相结合的专业，它要求学生既要有坚实的理论基础，又要有较强的实践动手能力。机械专业包括机械设计和机械制造两个方向，它要求学生既具备工程力学、工程材料、机械原理、机械设计等理论知识，又具备CAE（计算机辅助分析）、CAD（计算机辅助设计）和样机的加工制作等实践动手能力。

全国大学生工程训练综合能力竞赛为锻炼和提高机械专业学生的专业能力提供了一个很好的平台。如图1所示，根据竞赛要求，参赛学生需设计制作一辆靠重力驱动的三轮小车，沿S形或8字形轨迹行走，绕过按一定距离摆放的小桩，绕过小桩的数量多并且行走的距离远的小车获胜。无碳小车的设计制作对提高机械专业学生的实践动手能力具有十分重要的作用，是培养和提高学生专业能力的有效途径。

本文以S形轨迹的无碳小车的设计制作为例，阐述了无碳小车的机构设计、结构设计、加工制作和安装调试等对提高机械专业学生实践动手和专业能力的作用。

小车的机构设计

机械设计的第一步就是转向的机构设计。这包括机构的选型、设计和分析。能够实现S形的运动轨迹的机构很多，包括曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、曲柄摇杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。本文设计的无碳小车的转向机构采用的是曲柄滑块连杆机构，如图2所示。

其中，驱动轮的半径为R，曲柄半径为r1，驱动轴上齿轮和曲柄上齿轮的传动比为i，驱动轮和和转向轮的距离为b，连杆的长度分别为l1，l2，和c。

曲柄旋转一周，小车走过一个周期的轨迹的长度S为：

图1　S形轨迹示意图

图2　小车转向机构示意图

图3　r1=0.01，ii=3.2

图4　r1=0.05，ii=3.2

通过以上公式，建立小车的运动方程，然后用Matlab对小车的运动轨迹进行仿真分析，结果如图3、图4所示。用过改变机构的参数，可以改变小车的运动轨迹。找到最优的轨迹，从而确定小车转向机构的参数。

小车转向结构的参数确定以后，为了进一步验证机构参数，避免和减少后面无效的工作，可以用慧鱼模型对小车转向机构参数和运动轨迹进行实物仿真和验证。

通过对机构的选型、设计和参数的确定，学生对机构设计的方法和步骤就会有一个更为清晰和深入的认识。这对提高学生机构设计和分析的能力具有十分重要的作用。

小车的结构设计

机构参数确定后，就要开始根据机构参数对小车进行结构设计。结构设计的第一步是进行总体设计，确定小车的整体尺寸和结构布局。然后根据整体设计，选择和确定轴承、轴承座、直线导轨、滑块、齿轮等标准件的型号和尺寸。然后，在考虑材料、加工、强度、配合、定位、固定、装配的前提下，对非标准件进行结构设计，用CAD软件对非标零件进行建模，画出相应的零件图和装配图，如图5所示。通过小车的结构设计，学生对结构设计的方法和步骤会有一个更为清晰和深入的认识。特别是通过对小车的布局、尺寸、安装、定位、材料和加工等的全面考虑，可以大大提高学生分析解决问题和解决问题的能力。

图5　小车装配图

小车的制作、安装和调试

小车设计完成后，就要对小车进行加工、制作、安装和调试了。在这一过程中，学生们往往会发现很多的问题，包括设计、材料、加工和装配等方面的问题。往往需要反复修改、甚至重新设计，这一过程对学生能力的锻炼和提高是非常大的。装配完成后，通过调试，可以对小车的运动仿真轨迹进行验证，从而加深对机构设计的认识。通过结构设计，学生还能体会到作为工程师应具备的严谨的态度和作风。

结语

通过无碳小车的机构设计、结构设计、加工制作和安装调试等，学生在机械设计、分析、加工和样机制作等方面的能力得到了锻炼，学生的分析问题、解决问题和实践动手能力得到很大的提高，这对他们将来的专业学习和专业工作十分有益，也为他们积累了十分宝贵的经验。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.001