新型“无碳小车”的结构设计与优化

陈波 兰健 曹伟龙 于奎东 孙玉恒

摘 要： 通过对现有无碳小车的评价与分析，在小车结构上进行了优化，力求在满足命题要求基础上，达到结构最简、车体最轻、好加工、易操作等特点。文章主要从车身、能量转换机构、传动机构、转向机构、驱动机构等几方面入手，详细介绍了小车结构重新设计进一步优化的具体方案及工作原理。实践结果表明，改进后的新型无碳小车整体性能有了很大提高，无论是行走距离，还是绕障数量都有了明显的增加。该设计优化对实训教学具有一定的指导意义。

关键词： 无碳小车； 结构优化；工程实践能力

中图分类号： TH 122 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）06-0099-03

0 引 言

无碳小车就是对“无碳”理念的探索与开发，它最初来源于“挑战杯”省赛作品，属于科技发明B类，机械与控制方面作品，后推广为全国大学生工程训练综合能力竞赛主题，即无碳小车越障竞赛。竞赛命题要求参赛者设计一种小车，利用给定势能而不能使用其他能源，根据能量转换原理来驱动和控制小车行走，小车应具有转向和微调机构，三轮着地[1]。该赛事的举办让更多的学生关注并参与到其中，尤其对机械专业及相关学科的学生受益良多，在小车的设计、制造、调试各个环节中，极大地锻炼了学生的创造性思维，提高了学生的工程实践能力。

1 无碳小车的组成及工作原理

根据竞赛命题要求及小车各部分所实现的功能，无碳小车的组成可划分为车身、能量转换机构、传动机构、转向机构、驱动机构、微调机构六个部分[2-3]。它的工作原理是利用能量转换机构将重锤下降的势能转换成动能，通过传动机构将动能传给驱动机构和转向机构，驱动机构可使小车行走，转向机构控制小车实现绕障功能[4]。

2 无碳小车的结构优化

如图1所示，原小车理论上具备命题中所有要求，结构简单实用，原理浅显易懂，但该结构小车在调试过程中，运行不够平稳，行走距离短，绕障数量、绕障轨迹均不理想。基于上述诸多问题，经过仔细分析，周密考虑，决定对小车结构中许多关键部件重新设计，改进后的小车如图2所示。下面将逐一介绍小车各部分改进后的功能。

2.1 车身

由于车体质量直接影响小车启动难易程度、行走距离远近，故在车身部分做了一些改进：小车底板原采用的是6 mm矩形铝板，现改为厚度3 mm铝板，为尽量去除多余部分形状改为近三角形，这样不仅质量减轻，看起来也很美观。

2.2 能量转换机构

能量转换机构的功能是将重锤下降的势能转换成动能。其结构包括：立柱、定滑轮支架、定滑轮、绕线轮、绕线绳。它的工作原理：在小车启动前先将重锤升至立柱顶端，松开重锤小车启动，在重锤下降过程中，重锤通过绕线绳、定滑轮、绕线轮带动与绕线轮紧固配合的动力轴，在动力轴右侧紧固安装有大皮带轮，在动力轴左侧紧固安装有飞轮，随着重锤的下降，动力轴的旋转，带动大皮带轮、飞轮旋转，实现将势能转换成动能。该结构在实际调试中出现的问题是重锤在下降过程中随着小车的运行重锤晃动比较大，从而影响小车运行的稳定性，极易造成跑偏和翻车现象。因此，将小车的立柱由原来的单根改成三根，三根立柱之间的距离以重锤刚好能够通过即可，而且立柱的材质选取质量较轻的铝合金，为增加其稳定性每根立柱折成角铝形。通过改进重锤在下降过程中不再晃动，因此产生的跑偏和翻车现象消除了。

2.3 传动机构优化

传动机构的主要功能是将动能传递给驱动机构和转向机构，该机构由主动轮、从动轮及皮带组成。它的工作原理是当重锤下降通过绕线绳带动绕线轮转动时，与绕线轮同在一轴的主动轮、飞轮与之一同运转，主动轮通过皮带带动小车后轮轴的上的从动轮，进而驱动小车行走，飞轮通过销钉驱动转向机构控制小车绕障。该机构在小车运行过程中经常出现皮带打滑现象，为提高传递效率，将小车的皮带传动改为齿轮传动，在齿轮材质的选择上，力求质量更轻、耐磨性好、价格低廉，因此选择了塑料齿轮。

2.4 转向机构优化

转向机构是小车的关键部分，它的性能好坏直接决定了小车能否成功绕障功能的实现。如图3所示，转向机构的组成包括：飞轮、销钉、连杆、横梁四部分。其中飞轮沿径向方向上开有条形槽，在条形槽上配有销钉，销钉可以在条形槽内滑动，销钉与连杆相连，连杆上开有凹槽卡在横梁上，横梁贯穿于前叉轴。在实际调试过程中，连杆与横梁是通过卡槽连接，间隙过小容易造成连杆与横梁相互卡死，间隙过大转向控制不准确，况且连杆与横梁实之间为滑动摩擦，在运行过程中能量损失大，实践证明该转向机构设计存在缺陷，如图4所示。原来的飞轮由于其主要功能就是将动力传给连杆并实现连杆与动力轴半径可调，现在将飞轮上的条形槽连同飞轮轴孔一同铣削下来变成曲柄，这样既可以减重又可以节约装配空间，效果较好。连杆由原来的有凹槽条形板改为组合件，即连杆由两侧的万向节和中间带有螺纹内孔的铝管连接而成，由于万向节的使用既消除了间隙，又避免了连接件之间转换角度不同步造成卡死现象。横梁由原来的圆棒改为图4中槽形结构，当连杆上的万向节与横梁通过销钉连接时，销钉在横梁槽中位置可调，这样在控制前轮摆角时更准确、更精细。经过改进后的转向机构，在轨迹控制精确程度方面有较大提高。

2.5 驱动机构

驱动机构主要指小车两后轮，由于小车需要绕障故而存在差速问题，因此在一侧车轮装有轴承作为从动轮，另一侧车轮与轴紧固连接作为动力轮[5]。原来后轮采用直径150 mm的棒料加工成厚度为8 mm的车轮，现改为由厚度仅有4 mm铝板铣削而成，此举在加工时省料省时，车轮直径也由原来的145 mm改为200 mm，虽然车轮直径增加了，但车轮质量没有增加，随着车轮直径的增大，在重锤下降同样的高度小车会比原来走得更远。

2.6 微调机构

微调机构在原小车中是指销钉在飞轮条形槽内的位置的移动，通过销钉位置的改变来控制连杆半径的大小，达到控制前轮摆角大小。改进后的小车微调机构包括两部分：一是曲柄上的销钉位置可调，功能与飞轮上的销钉相同，另一处是连杆上的万向节与横梁销钉连接处，通过移动横梁上的销钉位置可以调节小车绕障间距。因此，改进后的小车调节功能增强，在控制小车行走轨迹上变得更加精确。

3 无碳小车优化前后对比

通过图5和图6 对比可以看出 ，前后两车有明显差别的地方体现在：立柱由单变三、车后轮由小变大、皮带传动变齿轮传动、飞轮变曲柄，横梁由圆棒变槽形等，同时还可以看到改进后的小车底盘更低，重锤停放位置也较低，使小车整体重心降低，增加了小车运行稳定性。车底板由矩形改为三角形铝板、轴承座、车底板上打孔，这些小改动不仅可以给车体减重还使得加工变得容易。尤其是转向机构的改进，由原来转向调控不准确，到现在的无间隙轨迹精确调节，可以说在性能上实现了质的飞跃。

4 结束语

通过对无碳小车结构的优化，提高了学生的工程实践能力，锻炼了学生的创新思维，增强了学生团结合作的能力。因此该新型无碳小车更适合理工科机械类专业学生研究与制作，不仅有利于学生理解机械原理中机构间组合、配合和执行件的运动轨迹，以及机械设计中零件间的连接、润滑、轴承寿命设计和传动轴刚度、强度设计与校验等理论知识在实际中的应用，而且还可用做机械专业学生亲自试验、拆装和调试的模型，从而加深对专业课知识的理解与运用。

参考文献：

[1] 张金玲，肖坤，边普阳，等. “8”字型无碳小车的结构设计与实现[J]. 宁波职业技术学院学报，2015（3）：69-72.

[2] 戴海燕，蔡锴文，吴鈅烺，等. 基于工程训练的无碳小车的设计[J]. 汽车零部件，2014（11）：26-27.

[3] 姜帅琦. 基于无碳小车的优化设计[J]. 硅谷，2014，23（5）：14-16.

[4] 徐岩. 基于工程训练大赛作品无碳小车进行实物仿真的研究[J]. 现代企业教育，2011（21）：5.

[5] 徐岩，佟岳军，陈彦国. 自动绕障无碳小车的设计[J]. 现代企业教育，2012（8）：281.

Abstract： By evaluation and analysis to existing carbon free car， the car structure is optimized in order to achieve characteristics， such as simplest structure、lightest body、good manufacturability and operability etc. on the condition that the proposition requirement is met. Starting from car body，energy transformation mechanism，transmission mechanism，steering mechanism and drive mechanism etc.， this paper details the further optimized project and working principle for car structure re-design. Practice result shows that the overall performance of carbon free car was greatly improved after optimization， no matter in driving distance or bypassing obstacle. And this design optimization means guiding significance to practical training.

Key words： carbon free car； structure optimization； engineering practice ability

（责任编辑：徐兴华）