Intelligence Application036电子制作【文章摘要】 针对第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题，无碳小车的要求（S形绕障）根据设计目标和性能要求进行创新性设计，提出一种设计方案 。利用曲柄连杆机构实现对前轮周期性转动的控制实现对小车的导向，巧妙的将普通轴承和单向滚针轴承配合使用实现后轮交替驱动并保证了小车的稳定性。本文将重点对方案进行相关的机构与运动分析。大赛实践表明该设计方案符合大赛要求，并获得优异成绩。【关键词】无碳小车；机构分析；运动分析1 无碳小车的设计要求设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。竞赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均来自重物重力势能转换，不可使用任何其他的能量来源。要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。要求小车为三轮结构。2 无碳小车机构运动设计和性能分析 图1 无碳小车机构简图小车由重物下降通过尼龙线带动绕线轮为小车提供动力，由零件
1，2,3,4,5无碳小车的机构与运动分析吴朝春 西南交通大学机械工程学院 四川成都 611756组成的曲柄连杆机构控制前轮的摆动实现小车的导向，利用齿轮传动将动力传递到后轮轴实现小车的驱动。同时为了更好的实现小车的性能要求：位移路程比V、位移S、、跑偏量L、绕桩数N，对小车五大机构进行最大程度优化。3 无碳小车机构分析3.1 无碳小车的结构组成 无碳小车主要有五大机构构成： 1）支撑机构：小车的骨架，是各机构布置的基础； 2）原动机构：提供小车运动的装置，实现重物块重力势能转变为小车的动能； 3）传动机构：将原动机构一部分能量传递到转向机构； 4）转向机构：完成小车的导向，保证小车实现预定轨迹运行； 5）驱动机构：实现小车的前进 。3.2 支撑机构的设计车辆底板承受较大的载荷，而且要求在强度足够的情况下，重量尽可能地小。考虑到重量、加工成本等，底板采用3mm厚的铝合金加工压制制作，底板前端叠加一块加固板增加转向部分的强度；后轮主轴支架，大齿轮轴支架采用5mm厚铝合金板制作，而且采用一体成型的方法，减小零件数量。铝的材料密度小，强度较大，而铝合金的性能更优于普通铝制材料，适合用来制作支架。其次，为了制作和携带方便，将重物支撑架单独制作，将每一根支架杆两端攻螺纹，最后用螺栓固定到底板上。3.3 原动机构的设计 为了让重物的重力势能转化为小车的动能，即将重物块的直线下降运动（以小车底盘为参考系）转化为小车车轮的旋转运动。首先我们在结构中加入一个滑轮，通过滑轮和尼龙线我们可以将作用在重物块上的重力传递到绕线轴上，为驱动机构，转向机构的运行等提供保证，实现能量的转化。 3.4 传动机构的设计 经过原动机构已经实现了将重物块的直线下降运动（以小车底盘为参考系）转化为绕线轴的旋转运动。但仅仅只有原动机构并不能实现小车的行进功能。为此该小车必须设计一个转向机构，以及连接原动机构和驱动机构间的传动机构。传动机构的功能目标：实现传动比3：1将绕线轴的转动传递到后轮轴上 。传动功能的实现方式的选择：为了更好的实现传动机构的设计目标，本文作者根据该无碳小车的具体情况并在对比了带传动和齿轮传动的优缺点后选择了齿数比为1:3的两个齿轮。3.5 转向机构的选择 小车在行进过程中为了能完成“S”形前进，则小车必须有一个导向装置，本设计采用了前轮导向。为了能实现前轮导向的功能采用了曲柄连杆机构实现前轮的自动转向。转向机构由曲柄连杆机构构成。曲柄连杆机构配合紧密加工简单运动可靠，本文设计方案曲柄连杆机构由关节轴承、转向摇杆前微调轴、微调连接杆、转向摇杆后微调轴和微调曲柄组成，采用微调曲柄和微调连杆长度的改变，调节前轮转动角度的大小从而满足障碍物间距变化造成的路线改变。转向轴承为RBL关节轴承，可以满足一定角度的空间任意方向的全尺寸旋转，因为为标准件可直接购买，降低了制作成本。根据之前制作的无碳小车实际调试经验，转向机构的功能对无碳小车的运行效果起着至关重要的作用。特别是微调曲柄和微调连杆长度的长度对小车轨迹运行影响巨大。本文利用螺纹副来调节微调连杆长度，大大的提高了调节精度。同时转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，满足结构简单，零部件易获得等基本条件。3.6 驱动方式设计 为了尽量减少滑动摩擦带来能量的损失,小车要实现“S”形行进，则小车后轮应该在转弯时实现差速，避免滑动摩擦。实现方式：后轮交替驱动。结构设计：利用单向轴承滚针轴承，同时为了增强小车行进的稳定性，利用普通轴承过盈配合连接，实现后轮轴与两后轮稳定连接。4 运动分析在重物下降的同时，尼龙线经过滑轮将力传递到绕线轴，形成转矩带动绕线轴的转动；通过曲柄连杆机构带动前轮的摆动实现前轮导向；通过齿轮啮合传动，将绕线轴的运动传递到后轮轴；后轮轴通过单向轴承将转动传递到后轮，后轮在地面给的摩擦力的作用下实现驱动；从而实现小车按照预定轨迹运行。【参考文献】[1]张磊 一种无碳小车的设计与性能分析【J】.电子制作，2013年，总第234期[2]邱宣怀.郭可谦.机械设计.4版【M】.北京：高等教育出版社，1997【作者简介】吴朝春；性别：男；出生年月：1991年06月；籍贯：福建省寿宁县；民族：汉；学历：本科；职称：无； 研究方向：车辆工程。
无碳小车设计研究
针对全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，要求设计一辆S型或者8字型无碳小车，竞赛命题是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行装置。文章主要分别介绍了无碳小车S型与8字型的异同点，使人们对无碳小车有更深入的了解。
标签：无碳小车；8字型与S型区别；结构设计
1 8字型无碳小车
1.1 设计简图
8字型无碳小车以重力作为驱动力，具有自动转向功能。小车的综合性能以越障能力作为评优标准。设计的结构简图如图1所示
1.2 小车整体设计
8字型无碳小车结构是由原动机构、传动机构、转向机构和调节机构组成的。其中原动机构的动力是由重物下落时的重力势能转化而来；传动机构可以采用齿轮传动；转向机构是由曲柄摇杆结合不完全齿轮构成；调节机构则通过调节螺丝来完成。
1.3 加工制作
车底板因为不需要承受很大的压力，精度要求不是非常高，考虑到质量轻，并且加工方便以及成本低等因素，决定用铝合金薄板加工制作成三角形式底板。可以利用&=4mm铝合金板的边角废料，节约且易加工。
1.4 转向机构
转向机构是本小车的关键部分，尤其8字型小车要求十分严格。能实现转向控制的机构通常有：曲柄连杆+摇杆，曲柄摇杆，凸轮机构+摇杆和差速转弯等几种方式。通过实际对比分析可得出，凸轮机构虽然结构简单，紧凑，但轮廓轨迹加工和计算难度较大。而曲柄连杆+摇杆，其工作原理简单明了，加工和零件设计均易实现。该结构可将旋转运动转化为满足实际要求的往复直线运动，进而使得摇杆带动转向轮做周期性左右转动来实现拐弯避障功能。为了减少因紧固连接而造成的摩擦损耗，可以在连杆两段使用万向节。万向节转向灵活，机构紧凑可购买。既提高了转向精度又降低了成本，此转向机构具有结构易加工，成本低，调节稳定等优点。
1.5 动力转换机构
动力转换机构的功能是将重块的重力势能转化为主动轮的驱动力，从而把重力势能转换为小车前进的动能。其中简单易行的方案是：利用细线和定滑落机构，细线两段分别绕在卷筒上和栓在重锤上，而卷筒则固定在驱动轮轴上，使得重锤的重力可以转换为驱动轮上的扭矩，从而带动主动轮产生动力。其中卷筒的直径对车速及小车的稳定性起到至关重要的作用，适合的卷筒直径是保证小车匀速平稳地造成全程的前提。驱动轴带动安装在其两端的两个后轮旋转，从而驱动小车前进。如果两个后轮同时驱动的话，则当小车转弯的时候便会因差速问题导致小车的不稳定，容易引起侧翻。即采用与S型无碳小车相同的方法：单轮驱动。
无碳小车s设计方案
设计方案：无碳小车S
一、设计目标
无碳小车S是一款以环保、节能为主题的城市代步工具，旨在提供方便快捷的交通解决方案，减少对环境的污染。设计目标如下：
1. 零排放：采用电动驱动方式，完全不产生尾气排放。
2. 高效节能：优化电池储能和动能回收技术，提高能源利用效率，延长续航里程。
3. 运行稳定：采用先进的智能控制系统和安全装置，确保车辆运行的稳定性和安全性。
4. 美观舒适：外观设计简洁大方，内部空间宽敞舒适，提供良好的驾乘体验。
二、设计要点及解决方案
1. 动力系统：采用纯电动驱动方式，利用电池存储能量供给电机驱动车辆。同时，结合动能回收技术，在制动过程中将动能转化为电能，提高能源利用效率和续航里程。
2. 能量储存系统：选择高能量密度、长循环寿命的锂离子电池，提供稳定可靠的能量供应。
3. 智能控制系统：借助先进的智能控制系统，实现对电动机的精准控制和能源管理。系统能够根据车辆运行状况、车速、路况等数据，动态调整电机转速和功率输出，提高驾驶性能和能源利用效率。
4. 安全装置：配备智能制动系统、防抱死系统、车辆稳定控制系统等装置，提高车辆的稳定性和行驶安全性。同时，还应配备侧面碰撞保护、主动安全预警系统等装置，提高车辆的被动安全性。
5. 外观设计：外观简约、流线型设计，减少气动阻力，提高行驶稳定性和驾驶舒适性。选用高强度轻量化材料，提升车辆的安全性和能耗效率。
三、市场应用前景和竞争优势
1. 市场应用前景：随着环保意识的提升和城市交通拥堵问题的日益突出，无碳小车S作为一种绿色、环保的交通工具，具有广阔的市场应用前景。可以在城市内提供便捷的短途出行解决方案，满足人们的日常出行需求。
2. 竞争优势：
(1) 零排放设计，符合环保理念；
(2) 高效节能的动力和能源管理系统，延长续航里程；
(3) 先进的智能控制系统和安全装置，提高车辆的安全性和稳定性；
(4) 简洁大方的外观设计和舒适宽敞的内部空间，提供良好的驾乘体验。
无碳小车的原理与计算
原理介绍
一．连动原理：
我们使用了凸轮转向机构来实现转向轮的转向功能。具体方法如下：
在齿轮的外侧表面上制作凸圆形的内槽道，滚子置于槽道内。滚子与连杆以转动副相连，连杆与转向把以转动副连接，这样，当齿轮转动时，凸圆槽道在转动过程中就会推动连杆做进给运动，实现转向把转动可控制转向轮的方向。
我们将凸轮设计成内凹槽轨道凸轮机构，而外形设计成齿轮，这样的设计有以下优点：
1. 凸轮起到了齿轮和凸轮的双重作用，一轮两用有利于我们的加工，节约成本和加工时间减少重量。
2. 使用内凹槽轨道与滚子连接可以使装置的稳定性增强，不会产生脱扣滑扣得困扰。
二．驱动原理：
绳拉力为动力。将物块下落的势能尽可能多的转换为小车的动能，进而克服阻力做功。物块在下落的过程中不可避免的要与小车发生碰撞，碰撞过程必然要有能量损失。
要解决的问题：
1下降过程中，尽可能的降低下落的速度；
2在小车运动中，会受到转弯时的向心力做离心运动，从而不稳定，会导致轨道变形。
解决方案：
1.把绕线轮设计成锥形，在开始运动时绕线轮的半径较大，使得开始有足够的驱动力使小车驱动。在驱动之后，绕线轮的半径较小，使小车能在运动中持续稳定。
2.在重物周围加三根垂直细杆，固定重物的下落轨迹，保持小车的稳定。
无碳小车计算
一．受力计算：
小车质量P0，小车驱动力矩M，物块质量m, D轮子直径，
Φ拉力轴直径
M=F0×D/ 2
M由G获取 M= G×Φ / 2= F0×D/ 2
此时 F0= G× Φ /D
二．摩擦计算：
S为小车行走距离，mm，η为小车总效率，F0为小车牵引力，
F0 × S =G× 400mm× η
S =G× 400mm× η / F0
前面防滑计算得出：F0 ＜ F = M（小车） g × f
为了增大小车行走距离，为了避免能量损失不打滑，在保证能够驱动小车行走的前提下， F0 越小越好。
