S字形无碳小车的分析

李云涛　刘晓飞　侯伟青　贾路媛　程攀峰

摘要2015年第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛主题为“无碳小车”，根据能量转换原理驱动其行走及转向的能量，是由给定的重力势能转换得到的。通过对以往参赛作品的借鉴以及指导老师的指导，设计出本作品。本作品的特点是：①小车的整体性能出色；②小车各个机构设计合理；③小车设计合理能量浪费少，可以走更远的距离。为了使小车运行更加平稳，设计本作品的重心尽量靠近车身底部。通过对小车行驶路线的模拟，得到小车行驶的大致路线，对后期小车行进路线的分析有了可以参考的数据。

关键字：S形 差速原理 单轮驱动 转向机构

1.整车预览

通过对小车的整体数据和机构的计算设计出本作品，小车的整体图如图1所示。

图 1

2.运动轨迹分析

通过查阅资料得知无碳小车越过不同间距的障碍物可以通过改变以下两种方式实现：①定传动比，转向和驱动的传动采用定的传动比，只通过改变转向的最大转向角从而实现越过不同间距的障碍物。采用该方案不用变传动比机构，结构简单，效率高。但是每个周期内绕桩相对所走的路程较采用变传动比的多很多且转向角度变化较大，故所能绕桩数较少。②变传动比。变传动比可以改变转向和驱动的传动比，即可以在不改变幅值的情况下改变转向周期，缩短完成一个周期内所走的路程，相应的转向角变化也较小，故所能绕桩数较多。但是，变传动比结构较复杂，不容易实现。可以采用无级变速和分档变速机构。由于所学知识和时间有限，我们决定先采用定传动比方案，在以后制作过程中可以再加上变传动比结构，以显著提高绕桩数量。如图2是对小车行走路线的模拟。

图2

3.方案设计

本作品由三部分构成，包括驱动机构、传动机构、转向调节机构。其中驱动机构靠重锤的下落带动，驱动轴带动后轮转动；传动机构采用单级齿轮传动，效率高；转向间歇机构由曲柄滑块机构构成；调节机构通过调节曲柄摇杆来实现。

3.1 驱动机构

为了能使小车平稳运行，本作品的驱动轴采用锥形轴结构，锥形轴可以实现让小车启动时容易启动，在启动后的行驶过程中小车可以匀速行驶，在小车快运行结束的时候减速行驶。锥形轴的优点在于让小车的能量尽可能的充分利用，当重锤下落的车板上时速度不会过快，由此造成的能量损失会降到最低。如图3所示为锥形轴结构。

图3

3.2 传动机构

传动机构是小车最重要的一个机构，需要动力传递给其它各个机构，为了能让小车传动时具有高效、稳定、节能的特点，本作品采用单级齿轮传动并和差速器结合实现了小车的高效传动，减少不必要的能量损耗。

3.3 转向调节机构

本作品的转向机构采用曲柄滑块机构，实现小车的转向。如图4所示为小车的转向机构。

图4

由于小车加工出来，在完成装配后会

图5

产生误差，因此需要调节机构，本作品采用可调摆长摇杆，通过对摇杆长度的调节实现小车轨迹的调整，使小车走出一条最优的轨迹。如图5所示为小车的调节机构。

4.差速原理

要实现差速的方法比较多，能够应用在无碳小车上的通常有2种：单轮驱动和使用差速器。单轮驱动结构较简单，便于设计和加工。但是，易出现打滑现象，更重要的是，会导致小车左右行程不对称。由于是采用单轮驱动，且车体的宽度不能忽略，当驱动轮在内侧和外侧行驶时，同样的转速，必然导致所行驶的路程不一样，要消除这种影响，只能通过提前给转向系统一个调整角度，这样给调试带来了严重的困扰，因此不采用单轮驱动来差速。差速器原理较简单，采用最常用的一种差速结构是用4个锥形齿轮，俩俩垂直啮合的机构实现小车的差速。

参考文献：

[1] 孙恒 陈作模 葛文杰.西北工业大学机械原理及机械零件教研室（第八版）[M].高等教育出版社

[2] 赵长发.机械制造工艺学[M]. 哈尔滨工程大学出版社