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无碳小车设计报告书 0 引 言 无碳小车是一种通过滑轮机构将重物下落的重力势能转化为小车前进的动能以实现小车行走，并采用合理的机构，来实现行走过程中正确转向并绕过障碍的装置。小车设计注重能量利用的有效性，车体结构的合理性，行走的稳定性、匀速性，调试的可靠性等。应用了诸多数学理论进行验证，最终采用了万向节连杆机构作为转向机构，使小车控制转弯更省力、对小车躲避障碍物的周期控制更容易实现，亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦损耗小，效率高，较容易安装制造。另外，通过对小车的设计、制作和调试，提高了提出问题、分析问题、解决问题的能力，并总结了从中获得的经验和教训。 1 无碳小车的制作原理 1． 1 命题简介 该竞赛其中的一个命题为，要求设计一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车，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。给定重力势能为 4 焦耳(取 g = 10 m/s 2 )，竞赛时统一用质量为 1 kg 的重块(50 ×65 mm，普通碳钢)铅垂下降来获得，落差 400 ±2 mm，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。在比赛中，小车出发后，小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒(擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过);重复上述动作，直至小车停止(障碍物初始间距为 1 m，后期在 1 m ±100 mm 范围内产生一个新的障碍物间距，需调整小车以适应新距离)，最终绕过障碍物(如图 1 所示)多者获胜。 图 1 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 1． 2 无碳小车设计原理 由命题得知，关键在于利用重力势能获得相当长距离的具有稳定正弦特征的轨迹。由此，来设计小车以使其满足要求。重力势能大多通过挂在绳子上的重物拖动小车的轴进而驱使小车前进，这便对绳子提出较高的要求，一般选取弹性较小，耐磨的绳子为佳。在传动方面，有齿轮传动，皮带传动等。由于小车在前行较长距离(一般为 20 m以上)，同时需要保证精确的行走轨迹，因此，皮带由于打滑等原因不如齿轮传动。同时，齿轮由于金属材质，大大加大了车的重量，因而采用比较轻的铝合金，保证了传动的精确性与质量较轻的优点。接下来，便是使用两级变速还是一级变速的问题，两级变速能够在有效的空间内实现较大的传动比，同时具有较大的惯性，能够克服赛道上的不平整路面，但由于齿轮加工精度的局限，可能会造成较大摩擦力，造成能量的浪费。而一级传动则较为轻便，结构简单，便于加工装配。 图 1 显示了小车在重力势能作用下自动行走的示意图，小车每绕过两个障碍物，即在前进方向上走了 2m，完成一个循环，此时，绕在轴上的绳子转过一圈。因此，小车前进的理论长度即由绕线轴的直径和下落高度决定。轴的最小直径由轮子和地面的摩擦力产生的启动转矩确定。小车的轨迹越接近于直线，摩擦力做功越少，便越节省能量。图2，3 显示了不同幅值和不同周期所显示的轨迹对比。 图 2 不同幅值的轨迹图 小车所走轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞，小车调整起来也越容易，同时，前面已经提到，也就越浪费能量。而对于不同的周期来讲，周期越小(障碍物间隔越小)，小车轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞。 图 3 不同周期的轨迹图 为了实现上述轨迹，转向机构是重要的一环，由于“S”形避障运动是周期性的运动，恰好可以通过齿轮上的偏心，将其运动传递到前轮上。传递运动大致可以分为两类，一类通过万向节，与前轮转向机构构成四连杆机构，进而实现周期往复运动。这样的好处是刚性较好，一旦调节完毕能够形成固定的轨迹且便于加工。但是不容易调节，调节部件较多，过程繁琐。另一类通过直线轴承和滑块传递运动，当然，这样便于调节，仅需对偏心进行调节即可实现轨迹的周期变化。但是对加工精度要求较高。 2 小车设计方案 2． 1 材料的选择 底板作为最重要的支承件，是其他支承件连接的基础，由于所承载的负荷比较小，选用厚度较薄、密度较小的塑料，为避免薄壁振动，减少能量损耗，薄壁面积较小。同时要使小车走得更远，那么小车自身重量就要比较轻，所以绝大部分的材料都是使用质量较轻的塑料，而齿轮作为决定传动效率最重要的一个部分，便要采取摩擦程度较小的金属，所以选择了质量较轻的铝合金。 2． 2 设计思路和方案 (1) 动力源。将重物固定于绳子上，绳子系在小齿轮轴上，重物下落拉动小齿轮轴转动，驱动小齿轮轴转动，进而使小车前进; （2）转向。小齿轮通过齿轮啮合驱动大齿轮轴转动，带动转向盘做圆周运动，再利用连杆机构，用转向轴来带动前轮的转动。利用控制圆周运动的速率，进而控制前轮转向的快慢与转向的幅度，实行周期性往复运动。 （3）车体。由于传动效率决定了小车能否走得更远，所以采用传动效率更高的齿轮，而不用摩擦大的皮带，同时在保