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无碳小车的创新性设计
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碳小车的创新性设计
摘要：此小车系统的设计核心是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。经过分析，确定小车设计的关键在于如何实现能量的转换(运动转换机构)、车体的平衡、小车的驱动及小车的周期性转向等问题。为了使小车具有良好的行进效果，通过理论计算与模型建立，我们总结得出：小车重心要低；结构尽量简单；传动件数少；振动小；操作、调整方便灵活。
关键词：无碳小车；结构设计；曲柄摇杆；正弦曲线 正文：
一、设计思路
要使小车自动行走，并且绕过多的障碍，必须从以下三方面考虑： 1，能量的高效率转化：为了使重块的重力势能高效率的转化为小车的动能，我们采用细绳缠绕驱动轴的方法。
2，车体的平衡：小车在行进过程中，由于重块的摆动，如果设计不当，会使小车倾覆。我们利用三角形具有稳定性的原理，提高了车体的平衡。
3，小车的周期性转向：小车的周期性转向按照命题要求小车必须具有方向自控功能，绕过直线布置的每隔1米1个障碍物的要求，小车必须左转、右转再左转地周期性转向。因此，曲柄匀速转动，摇杆左右匀速摆动的曲柄摇杆机构是最好的转向机
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构。
二、具体设计方案 2.1 运动转换机构
小车给定的能量只有重块下落的重力势能, 要使小车行驶的距离远, 必须将重块的直线运动有效地转化为小车轮轴的回转运动。我们选择质地弹性小、强度高且耐磨性好的细牵引绳，一端先固定在滚筒轴(驱动轴)上, 然后再将牵引绳均匀紧密的缠绕在滚筒轴上, 另一端绕过滑轮与重块连接。这样重块下落的运动就可转化为驱动轴的回转，完成重力势能转化为驱动小车行走的动能。对于影响能量转化效率的因素，主要是绳子的缠绕方法以及方向，当然可将牵引绳绕过动滑轮与定滑轮组成的滑轮组以使小车行走更远。不过由于使用滑轮组会使小车的启动力矩减小。不便于小车的启动，最终还是采用了绕过一个定滑轮的方案。
2.2 车体的平衡
底板作为最重要的支承件，是其他支承件连接的基础，其
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结构必须设计巧妙、合理。由于所承载的负荷比较小，选用厚度为d=8mm的硬塑料板，为避免发生薄壁振动，减少能量损耗，薄壁面积应小于90cm2小车的重块在车上重物支撑杆上方开始下落，距离车底板上面约500mm，而小车为了节省能量及避障性好，车底板一般不能选得面积太大，两后轮距（定为210mm）不能太大，限制底板的宽度不能大，刚度好。整个小车就是一个立式的结构，小车运行起来按避障要求左右转向牵引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动，导致小车倾覆不能行走，因此，将重物支撑杆设计成由两快平行板围成，一个中间恰好通过的重块，限制了重块在小车运行中的摆动，达到车体运行中良好的平衡。另外，也可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心，达到良好的动态平衡，为此将小车底板折弯，满足整车重心降低的需要，使得大齿轮转动不与底板干涉。整个车（包括重块及负载重量块）的重心最好应居于小车三个轮构成的三角形的形心上，保证小车的平稳运行。
2.3 小车的驱动及小车的周期性转向
小车的驱动齿轮传动效率可高达98％，因此可以很好的提
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高能量利用率。依据重块下落的重力势能转化为使小车前进的动能能量损失最少的原则，选择以曲柄摇杆来完成滚筒轴到转向轴的动力传动，驱使小车行驶，使小车行驶的更远。
内联系传动链容易保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短内联系传动链，减少传动件的个数，缩小传动误差，尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。实现小车的周期性转向，小车的内传动链必须准确，否则会“失之毫厘谬以千里”，小车很快脱离预定的轨迹，退出比赛。必须将滚筒轴的动力输出用严格的定传动比输出到后轮轴及前轮的转向装置上，实现后轮的行程与前轮的转向相匹配，这也是选择用曲柄摇杆来完成滚筒轴到转向轴的动力传动的主要原因。
另外还要注意齿轮的设计，加工精度要严格保证，各传动轴及轮轴的材料，应有较高的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置上也要考虑轴的两支承跨距尽量要小，轴伸尺寸尽量短，齿轮尽量靠近支承处（如滚筒轴的设计）来提高内传动链的运动精度。
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小车的周期性转向按照命题要求小车必须具有方向自控功能，绕过直线布置的每隔1米1个障碍物的要求，小车必须左转、右转再左转地周期性转向。在速度一定的前提下，必须要保证小车的运动轨迹曲率是连续变化的，小车才能平稳行驶。否则，曲率突然改变，小车容易晃动甚至倾覆。因此，曲柄匀速转动，摇杆左右匀速摆动的曲柄摇杆机构应该是最好的转向机构，小车运行轨迹接近正弦曲线，曲率变化连续从滚筒轴的回转运动到控制前轮转向的摇杆的水平摆动，需要把竖直平面的运动转化为水平面运动，以实现小车的转向。
要实现把竖直平面的运动转化为水平面运动，可以采用锥齿轮传动、凸轮机构、摩擦轮传动、皮带传动等传动机构。在考虑到安装精度、传动效率、结构复杂程度以及成本高低后，最后选用了变形的曲柄摇杆机构来实现转向轮转向的方案，见图
曲柄摇杆机构中的曲柄回转中心，即滚筒轴轴心应与摇杆的摆动平面等高保证机构无急回特性，曲柄作等速转动，摇杆摆动时左右行程的平均速度相等，即使得前轮左右摆幅相同。
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按照指定轨迹行驶把铅垂平面的运动转化为水平面运动是个三维空间的运动转换，通用的曲柄摇杆机构不能完成三维空间的运动转换，最终实现了与滚筒轴连接的曲柄的回转运动转化为摇杆的水平运动，摇杆在水平面内摆动。使得前轮左右摆幅相同，实现了小车前轮的转向问题，且保证了传动的准确。通过控制连杆和曲柄长度，使得连杆推动摇杆水平直线移动距离仅为减少了能量消耗另外，见图
在前轮轴上增加了盘轴承，适当保持两盘轴承的距离，显著增强了前轮轴的支承刚度大大提高了前轮轴的运动精度，使前轮转向更准确利用曲柄摇杆机构控制小车自动转向。原理是单手握龙头 这样小车结构简单、容易加工、能量利用率高，且便于前轮摆动角度的调节。
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三、总结
本次设计的小车利用线牵引实现驱动轮转动；利用齿轮副将运动传递给后轮轴实现后轮驱动；并利用曲柄摇杆机构实现前轮转向，前轮转向的角度与后轮的转速相匹配，结构简单、传动件少、质量小，大大地降低了能量的损耗，小车行驶平稳且更远。小车的总体方案图
主要部件尺寸：
驱动轮直径160mm
转向轮直径60mm 后轮距210mm
前后轮距190mm 齿轮距140mm
传动比5
