1摘要

本作品是依据竞赛命题主题“驱动车”，提出的一种“无碳”方法，带动小车运行，即给予小车一定的热能，将热能转化为小车前进的动能，热能是通过液态乙醇燃烧所得。小车通过传动机构，能够实现自动走“8”字来达到绕障的目的。此模型最大的特点就是它的转向机构，可尽量减少能量损失和可价格性好，同时通过具有一定曲线轮廓的凸轮，推动转向杆实现周期性的连续或不连续的任意预期往复运动，控制前轮摆动，以实现按预定轨迹的转向。作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料 、加工 、制造成本等给方面因素。我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发发明理论方法本文将对驱动车的设计过程，功能结构 特点等进行详细介绍，并介绍创新点。

2引言

随着人们节能环保意识的提升，无碳的理念也越来越被人们提上研究的课题。本比赛重点考查大学生的基础工程知识与基本实践技能，强调大学生思创融 合与团队合作等综合素质能力，夯实后备人才的工程基础。

更洁净、更环保、更节能、更高效的理念也深入人心。本小车是对“无碳”理念的探索与开发，对未来"无碳”的憧憬。小车构思巧妙，在完成设计的要求下充分考虑了外观和成本等问题，方便以后的扩展和进一步的开发。并能满足大部分初高中及大学学生对机械知识实践的实验与了解。对激发青少年对机械构造的热情有深远的影响。针对这一想法，我们设计了驱动车模型，用乙醇做燃料转化机械能提供了一种全新的思路，以便更好的解决以上问题。

3目的

本作品设计的目的是围绕命题主题“驱动车”，即不利于有碳资源，根据能量转化原理，利用热能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。这种模型轻巧，结构相对简单，能够成功的将热能转化为小车的动能，从而完成小车前进过程中的所有动作。

4工作原理和设计理论推导

4．1参赛作品的内容要求

自主设计并制作一台具有方向控制功能的自行走热能驱动车，该车行走过程中必须在指定竞赛场地上与地面接触运行，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。竞赛时，给每个参赛队配发相同量的液体乙醇燃料，产生热能装置的结构不 限，由参赛学生自主完成，但必须保证安全。热能驱动车的设计、结构、选材及加工制作均由参赛学生自主完成。 以下势能驱动车、热能驱动车简称为驱动车。

4.2总体结构

驱动车模型的主要结构有原动机构、传动机构、转向机构、驱动机构及微调机构。主要部件如下图的小车整体模型。     

4.3设计理念及说明

4.3.1驱动车模块机构介绍

*原动机构：

本方案采用微型斯特林发动机利用热能来产生动能。根据出扭矩的不同，可以选择不同型号的热力发动机(热机)，根据设计要求，采用乙醇燃烧使得斯特林发动机产生动能，实现能量的转化。在制作实物时，可以直接不同的型号。

*驱动系统：   

轮子直径越大，小车阻力越小，行驶距离和绕桩数目越多。若小车是沿着曲线前进，后轮会产生差速。车在拐弯时车轮的轨迹是圆弧，同时间外侧轮的路程长。若两侧车轮固定于刚性转轴上，以同一角速度转动，则内侧或外侧车轮在滚动中会发生滑移。为了减少滑移带来的能量损失，必须通过动力控制，使内车轮慢于外车轮，需用不同的转速。

*传动机构：
要把动力按准确的传动比传递到转向机构和驱动轮上。为了实现小车更远的行驶，更多的绕杆和精确绕杆，（障碍桩：直径为20mm,高为200mm),传动机构：传动比可靠、传递效率高、结构简单、重量轻的特点。保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短传动链，减少传动件的个数，缩小传动误差，尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。由热机输出轴直接驱动驱动轮，结构最简单、效率最高。因为新环S轨迹的存在，这就要求小车具有很大的传动比，为保证传动过程中能量不能损耗太多，我们可以用齿轮进行传动。齿轮的传动效率最高可达98%，可以很好的提高能量利用效率。小车在前进过程中，通过固定在轴上的齿轮旋转从而带动前方的“曲柄”齿轮旋转，通过连杆和转向机构连接。齿轮传动的一个主要作用是通过小轮带大轮实现固定传动比增速和减速，从而使驱动机构和转向机构协调配合。

1.      考虑到传动所需载荷较小，金属齿轮成本较高且重量大，可以选用工程塑料齿轮。

2.      各传动轴的材料要有足够的支承刚度，减少受载后的弯曲变形。

3.在布置上也要考虑轴的两支承跨距要尽量小，使齿轮尽量靠近支承处，从而提高传动机构的工作精度。

4.凸轮轴和驱动轴之间采用二级齿轮增速在三根传动轴上安装能够相互啮合的两对直齿轮。

*转向机构：

它需要尽量减少能量损失和可加工性好等基本条件，同时还需要能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动前轮导向，从而实现越障的功能。 

(能实现该功能的机构有:直动推杆盘式凸轮机构、圆柱凸轮机构、曲柄连杆机构等。)

*微调机构:

通过对运动轨迹的分析，运动轨迹不是中心对称，因此小车转圈的同时需要完成一个完整的转向循环，因此我们选择选择凸轮机构作为小车前进的转向装置，通过具有一定曲线轮廓的凸轮，推动转向杆实现周期性的连续或不连续的任意预期往复运动，控制前轮摆动，以实现按预定轨迹的转向。其优点是结构简单紧凑、设计过程简单，只需给出合理的凸轮轮廓，就可以控制运动。因此采用凸轮加推杆的方式完成小车的转向设计，如下图所示:

4.3.2驱动车设计的理论指导

*运动原理：

发动机将乙醇的能量转化为动能来驱动小车，再通过连杆将转盘周期性的转动转化为前轮的摆动。由后轮的直线运动与前轮的摆动运动结合一起，从而实现了近似正弦曲线的运动轨迹，完成任务。

*尺寸指导与分析：

最初障碍桩从出发线开始按平均间距100mm摆放，1、4不变，2、3之间在-300到+300之间。

障碍桩间距不小于600mm.

5主要创新点

1.      采用了差速器，用不同的转速减少滑移带来的能量损失。

2.采用齿轮进行传动。齿轮的传动效率最高可达98%，可以很好的提高能量利用效率。

3.采用多处微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物。

4.微调机构采用凸轮加推杆的方式完成小车的转向设计，结构简单紧凑、设计过程简单，只需给出合理的凸轮轮廓，就可以控制运动。

5.采用大的驱动轮，减小阻力，行走路程更远。

6. 小车采用的摆杆机构由传统的刚性杆改为柔性绳索，小车控制转弯更省力，躲避障碍物的周期更容易实现与控制，同时降低了整车重量。

7. 运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。

8.后轮前轮及齿轮选择耐磨性能好、硬度高的塑料；后轮车轴、连杆及曲柄摇杆选择普通金属。

9.斯特林发动机与小车轮轴上的齿轮用皮带连接。

6 相关资料

1.导热系数越高导热效果越好，金属的普遍都很高，其中纯银最高，429（单位W/m·k），纯铜也不差，400左右，金310多，铝240左右，铁80。有一些人工材料能够超过纯银，到五六百。自然界中导热最高的是钻石，2300左右，是银的好几倍。另外，导热管（热管），这种是具有特殊设计的管子，单方向上的导热系数可以做到很高，简单搜了下，超过钻石应该问题不大。

作为对比，一些常见材料的热导率，冰为2.2，塑料一般小于1，玻璃7.6。

2.材料选择上钢材是较好的选择，它产生的摩擦力小且刚度等都足够，有利于转动并延长无碳小车的行走距离。建议使用45钢。

3.阻力系数常表示为（C_d、C_x、C_w）是流体力学中的无因次量，用来表示物体在流体（例如水或是空气）中的阻力。阻力系数会出现在阻力方程中，较小的阻力系数表示物体受到的风阻或流体阻力较小。阻力系数和物体的形状及其表面特性有关
Cx = X/(qS)式中，

Cx：阻力系数

X ：阻力（阻力与来流速度方向相同，向后为正）

q ：动压，q=ρv*v/2 (ρ为空气密度，v为气流相对于物体的流速）

S ：参考面积（飞机一般选取机翼面积为参考面积）

通过计算阻力系数计算最优距离，达到最大限度转化能量。

4.无水乙醇的燃烧热值为1366.8kJ/mol，29.7kJ/g。

5. 运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。

6. 根据路径图可知小车在T/4内要转过∏/4角度，即曲柄齿轮转过∏/4角度，路程为s=，用matlab软件求得:s=0.57m;车轮的周长c=∏*d1=0.55m.

即是后轮转过1圈，曲柄圆盘转过1/4圈，得传动比i＝4.由传动比便可计算出齿轮的相关参数。

7．传动机构如图15，我们利用齿轮传动，一方面齿轮传动能实现精确传动比，通过对齿轮参数的设计确定，我们可以很好地控制小车传动机构的传动比，实现一个减速过程；另一方面转向机构能量从驱动机构分出，从而达到对于小车转向的周期性控制，使小车的前进与转向协调配合。