国际青少年创新设计大赛
国际青少年创新设计大赛，英文简称IC。IC秉承“创新驱动发展、设计改变生活、人才引领未来”的大赛宗旨，致力于培养青少年自主能力、协同能力、探究能力、实践能力、创新能力、国际视野和人文素养。IC将人文、体育、艺术、数学、科学、技术、工程、社会八大领域有机整合，注重人的全面而有个性的发展。IC对大、中、小学开展创业、创客、创新教育和课程改革、加强校内与校外之间的联系起到积极的示范作用。IC探索创新人才选拔新模式，即变考场为赛场，为国内外知名高校选拔拔尖创新人才提供参考。
2015年4月24—27日“2015年国际青少年创新设计大赛学前组、小学组、初中组中国区复赛”在北京大学圆满落幕，我校初中组无碳小车“维度队”、结构承重“逆时流队”荣获技术、艺术设计总分两个一等奖和一个现场表演一等奖。蒋华、马秉睿、叶川洋三位老师分别荣获优秀指导教师奖。两支队伍分别获初中组一等奖第一名，将代表中国参加今年暑假在德国举办的决赛。
“两弹一星”专家、中国科技大学原西校区区长、区委书记、IYIDC大赛委员会主任黄吉虎教授；科技部科技人才中心高级顾问丁颖女士；清华大学原基础工业训练中心主任、IYIDC大赛评审委员会主任傅水根教授；IYIDC大赛委员、北京大学骆正教授；IYIDC大赛委员、教育部普通高中通用技术首届课标组核心成员、中国教育科学研究院于慧颖研究员；IYIDC大赛委员、山西省科学技术协会关原成巡视员；IYIDC大赛委员会秘书长邢乃贵研究员；IYIDC大赛委员、中国科技大学宫竹芳教授；IYIDC大赛委员、北京教育科学研究院孟献军教研员出席本届大赛、担任评委并为获奖选手颁奖。
学校领导高度重视我校科技工作，特别对这次国际赛事，学校校长庞静亲自过问把关，深入比赛队伍，确定参赛学生和老师名单，并到制作现场指导并关心大赛准备工作。渝中区创新学院领导多次亲临现场指导创新设计制作工作，为大赛注入强大的技术支持力。
我校首次参赛就获得巨大的成功，关键在领导，成绩靠执行。蒋华主任作为学校项目总负责人，在大赛各个关键节点做出重要部署，监督项目执行情况，并亲自到北京比赛现场参赛，从宏观到微观，细致周到。马秉睿作为学校科技教研组组长，制定详细参赛方案，反复论证创新设计方案，不断修改提升。我校科技教师叶川洋、创新学院科技教师余晓霞精细培训学生，克服了许多困难，奉献了无限智慧。
本次创新设计大赛，科技组得到初二年级的大力支持，年级主任刘艳、年级组长李玉洁积极做学生和家长工作，班主任张懿老师和汪廷一老师为学生科技创新设计出谋划策，体艺组张释闻老师多次指导学生的现场表演动作和节目编排，功不可没。
本次参赛学生均来自我校“未来教育班”，同学们在大赛中表现出极强的自信心和非常全面的综合素质。学生们在参赛前，积极开展创新风暴行动，精细设计制作，利用晚自习和节假日时间，反复设计论证，在一次又一次失败中，逐渐走向成功。在比赛期间，同学们团结一心，冷静沉着，聚心尽力，科学操作，细致认真地全情投入终于获得成功的回报！同学们收获了喜悦，更提升了能力，培养了科学研究精神。我们为未来班的同学们的成功表演表示衷心的感谢！
本届大赛旨在探索将人文、数学、科学、技术、工程五大领域有机融合的创新教育模式，探索未来创新人才培养与评价之“道”是我校科技教育事业的重要抓手，为我校新一轮教育改革和创新教育事业发展提供了参考。
案例：
无碳重力势能小车
一、绪论
（一）小车功能设计要求
给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。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1m放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。以小车前行距离的远近以及避开障碍的多少来综合评定成绩。
给定重力势能为5焦耳（取g=10m／s2），竞赛时统一用质量为1kg的重块（φ50mm×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差500±2mm，重块落下后，需被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。
要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。
小车要求采用三轮结构（1个转向轮，2个驱动轮），具体结构造型以及材料选用均由参赛者自主设计完成。要求满足：①小车上面要装载一件外形尺寸为φ60mm×20 mm的实心圆柱型钢制质量块作为载荷，其质量应不小于750g；在小车行走过程中，载荷不允许掉落。②转向轮最大外径应不小于φ30mm。
（二）小车的设计方法
小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析得到了比较清晰开阔的设计思路。设计需要有系统性、规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等方面因素。
小车的设计是提高小车性能的关键。在设计方法上考虑优化设计、系统设计等现代设计理论方法。
二、方案设计
通过对小车的功能分析，小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计。这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。为了得到令人满意的方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。设计图框如图8-73所示。
图8-73 设计步骤
在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优（如图8-74所示）。
图8-74 方案选择
（一）重块支架
车架不用承受很大的力，精度要求低。但考虑到重量以及小车转弯时产生的离心力造成重块晃动从而使小车不稳定等，重块支架采用铝合金制作成三角底板式。
（二）原动机构
原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其他的具体要求。
1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。
2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。同时使重块的动能尽可能地转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。
3.由于不同的场地对轮子的摩擦可能不一样，在不同的场地小车需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此，原动机构还需要根据不同的需要调整其驱动力。
4.机构简单，效率高。
图8-75 绕线轴
基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的锥形螺旋槽原动机构。如图8-75可以通过改变绳子绕在绕线轴上不同位置来改变其输出的动力。
（三）传动机构
传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶得更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必须传递效率高、传动稳定、结构简单、重量轻等。
1.不用其他额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，此种方式效率最高、结构最简单。在不考虑其他条件时这是最优的方式。
2.带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点，但其效率及传动精度并不高，不适合本小车设计。
3.齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定，但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。
（四）转向机构
转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定小车的功能。转向机构也同样需要尽可能地减少摩擦耗能，结构简单，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的周期回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄滑块等。
凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便。
缺点：凸轮轮廓加工比较困难。
在本小车设计中，由于凸轮轮廓加工比较困难、尺寸不能够可逆的改变、精度也很难保证、重量较大、效率低、能量损失大（滑动摩擦），因此，不采用曲柄连杆+摇杆。
优点：运动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。
缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工作效率降低，不仅发生自锁的可能性增加，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性增加；机构中做平面复杂运动和做往复运动的构件所生成的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。
在小车设计中由于小车转向频率和传递的力不大，故机构可做得比较轻，可以忽略惯性力，机构并不复杂。对于安装误差的敏感性问题可以增加微调机构来解决。
曲柄摇杆结构较为简单，但和凸轮一样有一个滑动的摩擦力，其效率低且急回特性导致难以设计出较好的机构。
综合上面分析，我们选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。
（五）行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子有厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。
由摩擦理论知道，摩擦力矩与正压力的关系为M=N·δ。
对于相同的材料δ为一定值，滚动摩擦阻力
。
所以，轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走得更远。但由于加工问题材料和安装问题等具体尺寸需要进一步分析确定。
由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。对于后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动和单轮驱动。
双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大，会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。
双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速。差速器涉及最小能耗原理，能较好地减少摩擦损耗，同时，能够实现满足要运动。单向轴承实现差速的原理是其中一个轮子速度较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换。由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确，但影响有多大，会不会影响小车的功能还需进一步分析。
单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为主动轮，另一个为从动轮，如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与主动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定，传动精度比利用单向轴承高。
综上所述，行走机构的轮子应有恰当的尺寸，采用单轮驱动。
（六）微调机构
一台完整的机器包括原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构就属于小车的控制部分。由于前面确定了转向采用曲柄连杆+滑块方案，并且曲柄连杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此，必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹（幅值、周期、方向等），使小车走一条最优的轨迹。
微调机构可以采用微调螺母式，如图8-76所示。
图8-76 转向机构
三、技术设计
技术设计阶段的目标是完成详细设计确定零部件的尺寸。在设计的同时综合考虑材料加工成本等各因素。
（一）影响小车性能主要因素的分析
通过对小车的能耗规律、运动学、动力学进行分析，可以实现小车的优化设计，提高设计的效率和得到较优的设计方案。
1.能耗规律分析
为了简化分析，先不考虑小车内部的能耗机理。设小车内部的能耗系数为1-ξ，即小车能量的传递效率为ξ。小车轮与地面的摩阻系数为δ，理想情况下认为重块的重力势能都用在小车克服阻力前进上，则有
式中，N i——为第i个轮子对地面的压力
R i——为第i个轮子的半径
S i——为第i个轮子行走的距离
m总——为小车总质量
为了更全面地理解小车的各个参数对小车前进距离的变化，下面分别从：（1）轮子与地面的滚动摩阻系数；（2）轮子的半径；（3）小车的重量；（4）小车能量转换效率四方面考虑。
一般材料的滚动摩阻系数为0.1～0.8。图8-77为当车轮半径分别为（222mm，70mm）摩阻系数分别为0.3，0.4，0.5…mm时，小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图。
由图8-77可知，滚动摩阻系数对小车的运动影响非常显著，因此在设计小车时也特别注意考虑轮子的材料，轮子的刚度尽可能大，与地面的摩阻系数尽可能小。
同时可看到小车为轮子提供能量的效率提高一倍，小车前进的距离也提高一倍。因此应尽可能减少小车内部的摩擦损耗，简化机构，充分润滑。
图8-78为当摩阻系数为0.5mm，车轮半径依次增加10mm时的小车行走的距离与小车内部转换效率的坐标图。
图8-77
图8-78
由图8-79可知，当小车的半径每增加1cm时，小车便可多前进1～2m。因此，在设计时应考虑尽可能增大轮子的半径。
图8-79
2.运动学分析
涉及的物理量（如图8-80所示）
R——驱动轮半径
i——齿轮传动比
a 1——驱动轮A与转向轮横向偏距
a 2——驱动轮B与转向轮横向偏距
d——驱动轴（轴2）与转向轮中心距离
b——曲柄轴（轴1）与转向轮中心距离
r——曲柄的旋转半径
c——摇杆长
l——连杆长
r 2——绕线轴的半径
图8-80
（1）驱动
当重物下降dh时，驱动轴（轴2）转过的角度为dθ2，则有
则曲柄轴（轴1）转过的角度
小车移动的距离为（以A轮为参考）
ds=R·dθ2
（2）转向
当转向杆与驱动轴间的夹角α为时，曲柄转过的角度为θ1则α与θ1满足以下关系：
解上述方程可得θ1与α的函数关系式
α=f（θ1）
（3）小车行走轨迹
只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度α时，则小车转弯的曲率半径为
小车行走ds过程中，小车整体转过的角度
当小车转过的角度为β时，有
（4）小车其他轮的轨迹
以轮A为参考，则在小车的运动坐标系中，B的坐标、C的坐标
B（-a 1-a 2，0） C（-a，d）
在地面坐标系中，有整理上述表达式有
求解方程，把上述微分方程改成差分方程求解，通过设定合理的参数的到了小车运动轨迹，如图8-81所示。
图8-81
3.动力学分析
（1）驱动
重物以加速度向下加速运动，绳子拉力为
，有
T=m（g-a）
产生的扭矩
M 2=T·r 2·λ1
式中，λ1——考虑到摩擦产生的影响而设置的系数。
式中，λ2——考虑到摩擦产生的影响而设置的系数
M A=N A·δ+F A R
（2）转向
假设小车在转向过程中转向轮受到的阻力矩恒为M c，其大小可由赫兹公式求得
由于b比较小，故
对于连杆的拉力F c，有
（3）小车行走受力分析
小车的加速度为
a A=δ·ρA
整理上述表达式得
（二）典型零件的设计及强度校核
1.主动齿轮的设计
主动齿轮设计如图8-82所示。
图8-82
2.主动齿轮的强度校核
（1）齿轮的设计计算
①选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
A.按传动方案，选用直齿圆柱齿轮
B.选用7级精度
C.材料选择。选择大齿轮材料为LD6061铝合金，硬度为280HBS，小齿轮材料为黄铜，硬度为280 HBS
D.选大齿轮齿数z1=120，小齿轮的齿数为z2=30
②按齿面强度设计
A.确定各式计算数字
试选载荷系数Kt=2。
a.计算小齿轮传递的转矩
大齿轮传递的转矩 T 1=6.671×104 N·mm
b.大齿轮做悬臂布置，选取齿宽系数φd=0.6。
c.铝合金的弹性影响系数Z E=600 MP
d.按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳极限σH lim1=600MPa；大齿轮的接触疲劳极限σH lim2=550MPa。
e.计算应力循环次数
f.接触疲劳寿命系数K HN1=1.0；K HN2=1.18
g.计算接触疲劳需用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1
B.计算
a.试算大齿轮分度圆直径d 1t，代入［σH］中较小的值。
b.计算圆周速度v
c.计算齿宽b
b=φd·d 1t=0.6×90=36mm
d.计算齿宽与齿高之比
。
模数
齿高 h=2.25m t=2.25×0.75mm=1.6875mm
e.计算载荷系数
根据v=0.4239m／s，7级精度，查得动载系数K v=1.01，直齿轮K Hα=K Fα=1；
使用系数K A=1.75；
用插值法查得7级精度，大齿轮相对支撑为悬臂布置K Hβ=1.351。
由K Hβ=1.351，得K Fβ=1.24；故载荷系数
K=K A K V K HαK Hβ=1.75×1.01×1×1.351=2.386
f.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径
g.计算模数m
③几何尺寸计算（如表8-10所示）
表8-10 直齿圆柱齿轮传动计算结果
