创新型无碳小车的设计与研究

李星

摘要：根据之前比赛过程当中，许多的无碳小车出现跑偏、周期长短调节不精确以及前轮转角调节不精准等诸多问题，我们设计了一种新型的无碳小车。对小车的总体结构进行了分析论证，并对各个机构进行了设计。对微调机构以及行驶轨迹进行了运动学分析。实践证明，小车在竞赛中具有运动灵活、累计误差小、运动距离长、避障数目多等优点。

关键词：无碳小车;曲柄;微调螺杆

1  设计背景

根据第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求：自主设计并制作一种具有方向控制功能的无碳小车，要求其行走过程中完成所有动作所需的能量全部来自给定小锤的重力势能，不可以使用任何其他来源的能量。给定重力势能由质量为1Kg的标准砝码（Ф50×65mm碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400+ -2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。

具体要求：

①要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构需要具有可调节装置，以适应放有不同间距障碍物的场地。

②要求小车为三轮机构。其中一轮为转向轮，另外两轮为行进轮，允许两行进轮其中之一轮为从动轮。

“S”型赛道如图1所示，赛道宽度为2米，沿直线方向水平铺设。两个障碍物的间距为1米。

2  结构设计

2.1 整体结构

根据大赛要求，我们的无碳小车的采用镁铝合金材料，传动机构使用圆柱直齿轮，转向机构由曲柄滑块机构以及原动机构等其它几部分组成。无碳小车整体设计方案如图2所示。

2.2 原动机构

仅有1Kg砝码提供的重力势能支持无碳小车的行走，这些能量完全用于绕桩与转向，才能保证小车行驶足够远的距离。行走装置和转向装置需要相互配合，才能达到最佳的工作状态。因此，运动的协调性就需要通过传动系统来保证。组成动力部分的有细线、铝管、定滑轮、1Kg的砝码、圆柱齿轮（大）和驱动轴。能量控制方面采用了镁铝管来固定重锤，防止下落过程中的摆动，这样设计的优点在于减少砝码摆动过程中不必要的能量损耗尽可能使小车行驶稳定，防止小車在行进过程中的出现翻车、跑偏等问题。

2.3 传动机构

传动机构的功能是把动力传递到转向机构和驱动轮上。若要使小车行驶的距离更远且按照设计的轨迹精确地运动，传动机构必需具有传递效率高、传动稳定、结构简单等特点。基于以上的要求，我们选用圆柱直齿轮作为我们的传动机构，它解决了我们的启动困难、传动不稳定等诸多问题。设障碍物的间距为2米，小车运行一个周期的距离L，后轮直径d=130mm。

由传动比得：i=L/（∏d）

计算得传动比：5.43。按第一系列（模数为0.5）选取大齿轮齿数152，小齿轮齿数28。

2.4 转向机构

转向机构是小车的核心，要求机构具有简单、加工方便、运动灵活和稳定等特性。综合各方面因素考虑，我们选用曲柄滑块机构作为小车的转向机构。转向机构方案设计如图3所示。

转向机构运动原理：曲柄绕着驱动轴的中轴线做回转运动，曲柄推动连杆使滑块做前后往复运动，固连于滑块上的开槽过渡杆也跟随滑块做前后运动，摇杆连接在过度杆上，在一定的范围内做前后摆动。

曲柄的长短可以改变周期的长短。当小车运动过程中，运动周期过长，可将微调螺杆1顺时针旋转，反之运动周期过小，可将微调螺杆1逆时针旋转调节。

开槽过渡杆可以调节前轮转角的大小，即小车在运动中，转角过大，可将微调螺2杆顺时针旋转一个角度，反之摆动角度小，将微调螺杆逆时针旋转。

3  运动分析

3.1 小车运动轨迹分析计算

两个桩距之间的距离为1000mm，笔者设计无碳小车的轨迹为余弦函数曲线，T=2000mm，A=400mm。

3.2 转向机构运分析计算

转向机构设计的过程中，必须保证前轮左右摆动的幅度相等，即需曲柄的回转中心与摇杆摆动平面处于等高位置。

如图4所示，对转向机构左极限位置、右极限位置和零点位置进行机构数学分析。

图4中L、L1、L2*、L2**、L3分别为摇杆到曲柄转动中心、曲柄、连杆、过渡杆、摇杆的长度，θ为摇杆摆动的角度，曲柄的转角为ɑ。

4  总结

4.1 小车整体性能的提高

在重量方面，无碳小车全部采用镁铝合金材料制成比起之前采用铝制小车重量减轻。

在传动方面，我们采用0.5模的齿轮进行传动，它的优点在于传动精度高，传动的间隙较小，使得小车在行走过程中的误差大幅降低。

在转向方面，我们采用曲柄滑块机构，比之前的空间连杆机构更加稳定，传动更加精准，保证了前轮的左右摆动幅度相同。

4.2 个人工程实践能力的提高

在指导教师的引导下，我们自己独立完成了小车大部分零件，在此过程中，我们学会了车床、铣床、钻床;掌握使用激光切割、线切割、以及五轴铣床的加工方法;学会了零件的加工工艺流程，使得加工工艺更优化，提高了动手能力。

4.3 对机械行业更深刻的理解

在准备比赛的过程中，我们明白了设计的好坏决定了机械产品品质，若能在机械设计初期就发现一些问题，就可最大限度地降低产品研发成本，提高产品性能和成品率。同时，通过对小车加工，我们也明白了机械加工工艺的重要性：合理加工工艺可实现设计的目的。同时对加工工艺的了解可以设计出更易加工的产品。

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