無碳小車的設計與制作

朱志康 王慧攀 黃振振 孫超 李偉東

（河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003）

1 概述

無碳小車需要采用三輪結構，它運動（包括前進和轉向等）的能量必須來自給定小物塊的重力勢能，重力勢能的能量總和應為四焦耳，即為重量1kg 的物塊（碳鋼，尺寸為50X65mm）垂直下降400mm 獲得的4J 能量。必須小物塊下落后不脫離車身，隨著小車一起運動。

圖1 重力勢能要求

設計目的是要求小車既能夠保證穩(wěn)定前進，同時還能按照程序繞過設置的障礙物（障礙物為每隔1 米放置的直徑為20mm、高為200mm 的彈性圓棒）。經(jīng)過對小車的運動要求分析小車，得知小車需要完成兩個主要要求：要較大程度地完成對重力勢能轉換為驅動自身行走的動能、要以最小的能耗完成轉向，即能夠以最接近障礙物的距離自動避開障礙物。

圖2 無碳小車的設計理念

在方便設計原則上，根據(jù)小車需要完成的目標：以最小的能耗、最便捷的轉向完成運動，可把小車劃分為車架部分、原動機構部分、傳動機構部分、轉向機構部分、行走機構部分五個板塊進行總體的機械設計。

2 無碳小車的機構設計

2.1 車架部分的設計

圖3 車架部分設計思想

車架作為小車的主體部分，只起到對小車整體的支撐作用，在受力方面不用承受很大的力，因此精度要求不高?？紤]到要保證小車能夠在固定的重力勢能之下前進更遠的距離，小車的總體質量應盡可能的輕，所以車架部分應當選擇鋁、鈦等輕金屬。

2.2 原動機構部分的設計

圖4 原動機構部分的設計思想

原動機構的作用是將給定物塊的重力勢能轉化為小車機械系統(tǒng)的機械能。不難考慮到原動機構越簡單，其能量轉換效率越高。顯然，結構簡單、轉化效率較高的繩輪結構是首選。而在具體設計過程中，原動機構除了要能將重力勢能轉化為機械能之外，還應具有以下具體要求：（1）機構總體應簡單：保證能量轉換效率的不過度增加小車自重；（2）能保證物塊下降的速度穩(wěn)定、提供的驅動力穩(wěn)定：避免小車拐彎時速度過快車體傾翻或物塊劇烈晃動提高能耗，從而降低了小車總體的能量轉換率；（3）物塊在豎直方向的下落速度要盡可能保持在一定范圍內：這樣能夠在減少物塊對車架沖擊的同時，使重塊的重力勢能盡量多地轉化為小車內部的機械能。

3 傳動機構部分的設計

圖5 傳動機構部分設計思想

傳動機構的作用是把重力勢能轉化的機械能傳遞到驅動輪和轉向機構上。為了使小車行駛距離更遠，同時保證小車能夠按照預定的軌道精確行駛，傳動機構必須具備結構簡單、質量輕、傳動平穩(wěn)、傳動效率高等優(yōu)點。滿足以上要求的三種傳動方式如下：（1）動力軸直接與驅動輪和轉向機構進行接觸傳動：是結構最簡單的傳動方式，具有較高的傳動效率；（2）帶輪機構進行傳動：帶輪的機構簡單，能在保證傳動平穩(wěn)的同時、還具備緩沖吸震等特點；但帶輪的會發(fā)生彈性滑動或打滑，導致傳動不平穩(wěn)；（3）齒輪傳動：齒輪具有傳動比穩(wěn)定、傳動效率高、結構穩(wěn)定等良好性質，但相同傳動條件下，齒輪的結構更加緊湊，小車的質量可能較大。

具體傳動機構需要更細致的分析，但優(yōu)先考慮方案（1）或（3）。

4 轉向機構部分的設計

圖6 轉向機構設計思想

轉向機構是小車設計的最重要的部分，直接決定了小車的性能。除了盡量地減少摩擦耗能、結構簡單、總體質量輕等基本條件，轉向機構還需具備以下運動特性：能夠將傳動機構部分的機械能（動力軸或齒輪的旋轉），轉化為前輪控制裝置的機械能（左右擺動），從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能夠達到要求的機構有：凸輪+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿等機構。以下分別對三種機構進行具體分析。

（1）凸輪優(yōu)點：設計方案恰當?shù)耐馆嗇喞梢允箯膭蛹搭A期任意運動；結構簡單、緊湊，設計方便；缺點：凸輪輪廓難以加工、精度難以保證；重量較大，效率低能量損失大；（2）曲柄連桿+搖桿優(yōu)點：單位面積所受壓力較小；面接觸便于潤滑，單位面積的磨損速度??；制造方便，易取得較高精度等；缺點：設計較為復雜，運動軌跡的綜合可能不夠準確；機構的總體結構會相對復雜；安裝精度大；（3）曲柄搖桿優(yōu)點：結構較為簡單，重量低；缺點：有滑動的摩擦副，所以能量損失率會較高；急回特性導致難以設計出較好的機構。

圖7 行走機構設計思想

5 行走機構部分的設計

小車的行走機構即小車的三個支撐輪，需綜合考慮輪子的大小、厚度、強度、摩擦系數(shù)等因素進行設計：由摩擦理論得摩擦力矩與正壓力的關系為：

M＝N·б

其中M 為摩擦力矩，N 為正壓力，б 為一個與材料摩擦系數(shù)等因素有關的數(shù)，材料相同時δ 為定值，同時根據(jù)：

f＝M/R＝N·б/R

其中f 為摩擦力，R 為摩擦力臂。綜合以上公式得：行走輪的大?。ㄖ睆剑┖托≤囀艿降淖枇Τ煞幢?，因此輪子越大，小車能行駛的距離越遠。

6 設計總結

本文按照無碳小車的兩大設計準則：傳動效率以及轉動準確，從五個方面分別對小車系統(tǒng)進行了綜合設計。保證傳動效率限制了系統(tǒng)各部分的自重不能過大以及結構不能過于復雜，這符合無碳環(huán)保的核心思想；保證傳動的準確則要求了轉向機構的設計精準，以及小車零部件的精度高。小車設計的核心在于尋找到效率和精準度的最優(yōu)點和平衡點，完美的設計離不開大量實際數(shù)據(jù)。

圖8 小車總體三維圖