无碳驱动小车关键参数分析

李书环等

摘 要：从力求结构简单的角度出发，确定了小车结构方案，并在此基础上，对一些关键参数如驱动力矩、驱动轮直径、传动机构齿轮齿数比、凸轮推杆位移及调节参数等进行了分析。该分析对小车的设计具有一定的参考价值。

关键词：无碳小车；参数分析；驱动力矩；轨迹设计

无碳小车是目前发展低碳经济大环境下，训练学生工程综合能力的一个创新实践项目。该项目通过一定质量的重物下落一定高度将重力势能转换为动能，并让小车自动前行，前行过程中，小车要能自动避开预先在赛道上放置好的障碍物，障碍物之间间隔距离相等。小车须采用三轮结构。

小车设计要解决的关键问题有以下几个：重力势能转化为动能、在动能驱动下小车自行行走、行走过程中能自动避开障碍物等。按此功能要求，本着结构简单、性能优化、成本低廉的原则，基本确定小车结构方案如图1所示[1][2][3]。以下就此方案对相关参数进行分析。

1 驱动力矩

小車前行以及转向都需要有驱动力驱动。该项目驱动力来源于重力势能转化成的动能。图2为能量转化用滑轮或滑轮组，其中，G为重物的重量，重物系在线绳上，另有线绳绕在线轴（如图1）上，F为线绳的拉力，同时也是驱动线轴转动的驱动力，T=Fd/2为输入力矩，d为线轴直径。对于小车来说，后轮为驱动轮，也是输入力矩的主要耗用者，因此，小车能不能行走以及能否稳定行走与驱动后轮的力矩TQ有关，在图1方案a中，TQ=T/u，（u=z2/z1为齿轮齿数比），图1方案b中，TQ=T。可见，驱动力矩TQ与线绳拉力F、线轴直径d以及传动方案有关。

为实现小车行走的稳定性要求，驱动力矩TQ大小要适中，既不能因为过大导致小车倾翻，或重块晃动影响正常行走，也不能因为过小导致小车不能启动。下面，针对影响驱动力矩的因素进行分析。

1.1 线绳拉力

如图2所示，根据能量平衡，有G·H=F·L。式中，H为重物下落高度，L为缠绕驱动轴的线绳移动的距离，L的大小与小车走过的轨迹长度成正比关系。

根据力平衡，图2（a）中，F=G，图2（b）中，F=2G，图2（c）中，F=G/2；由此可知：图2（b）滑轮组产生的拉力最大，图2（c）产生的拉力最小。在小车前行阻力比较小的情况下，使用图2（c）滑轮组小车前行最稳定；不过，由于产生的力矩也会最小，小车启动或有些困难。另外，图2（a）中，L=H，图2（b）中，L=H/2，图2（c）中，L=2H，因此，使用图2（c）滑轮组，小车行走的距离最远。

1.2 线轴直径

从上面分析可以看出，在其他参数不变的情况下，线轴直径d越大，产生的驱动力矩越大。通常，小车启动需要比较大的启动力矩，而在小车行驶的过程中，运动平稳有惯性，产生的驱动力矩可以小些。因此，线轴可以做成变直径锥形结构，再通过合理缠绕线绳，就可以达到小车顺利启动且稳定行走的目的[4]。

另外，小车传动方案不同，产生的驱动力矩也将不同。具体应根据实际摩擦力矩大小确定驱动力矩大小，进而确定小车结构方案及相关参数。

2 小车运行轨迹

小车前行过程中必须能够周期性转向，因此，行走的轨迹对小车结构的设计起着决定性作用。轨迹设计的原则是，在速度一定的前提下，小车的运动轨迹曲率尽可能是连续变化的，这样，小车才能平稳拐弯行驶[4]。从这一角度出发，小车运行轨迹可选择正弦曲线。但考虑到周期运行距离尽量短些为好以及设计方便，在速度很低的情况下，考虑到小车结构的简化及障碍物间距改变之后调整的方便，可设定轨迹在一个周期内由直线段与圆弧组成，直线与圆弧相切，且直线与圆弧长度在障碍物间距调整后保持不变，只是为适应间距变化，圆弧半径？籽将发生变化同时所对应的小车前轮转角？兹也将发生变化。

3 传动机构齿数比

由于转向系统和行走系统的动力来自于一个动力源，两部分运动的协调性就需要通过传动系统来保证。以小车走过一个S形计，当驱动轮走过一个S形，它即转过nQ=s/？仔D圈（s为一个S形的距离，D为驱动轮直径）；同时，转向系统完成左拐右拐一个周期。依据能量损失最少的原则，选择以齿轮机构来完成转向系统与行走系统之间的动力传递。使用齿轮传动，传动系统需要的转速比即齿数比u=nQ。当驱动车轮直径D足够大，nQ=1，从简化结构的角度，小车可设计为无传动系统。

4 小车驱动轮直径

5 凸轮推杆位移

不论S型轨迹如何设计，轨迹上曲率半径并不是处处相同，因此，需实现转向轮变角度往复水平摆动。把竖直平面的驱动轴的回转运动转化为水平面运动，是三维空间的运动转换，在综合考虑后，采用凸轮机构+正切机构或正弦机构。如图3所示，s为凸轮推杆运动位移，它的变化规律可由小车运行轨迹曲率半径？籽推导获得。小车转向时，需保证三个轮子瞬时转向中心相同，即O点。

6 小车调节参数

在障碍物距离改变后，调节机构应能调整小车走出一条正确的路线。上述轨迹设计中，选择轨迹由直线段与圆弧组成，直线与圆弧相切，在障碍物间距调整后，直线与圆弧长度保持不变，只是圆弧段曲率半径？籽发生了变化。对于小车转向机构来讲，只要调节相应的距离b或l，就能实现小车沿既定轨迹运行。

7 结束语

文章对小车设计过程中一些关键的参数进行了理论分析，但由于实际情况与理论分析存在一定差距，并且实际情况也存在一定的变数，因此在理论分析基础上设计的小车，需通过来反复改造与调试，才能得到比较理想的项目结果[5]。

参考文献

[1]谢进，万朝燕，杜立杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]王成君.现代机械设计-思想与方法[M].上海：上海科学技术文献出版社，2011（7）.

[3]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006：343-383.

[4]王斌，王衍，李润莲，等.“无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报：自然科学版，2012（1）：59-61.

[5]张磊.一种无碳小车的设计与性能分析[J].电子制作，2013.

作者简介：李书环（1967-），女，河北故城人，副教授，硕士，主要从事机械设计方面的研究与教学工作。