浅论无碳小车的设计制作与创新实践论文.pdfVIP

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=10m/s2)，竞赛时统一用质量为1kg的重块

(50×65mm，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。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1m，后期在

1m±100mm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

过障碍物多者获胜。

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，根据往届赛事经验，有齿轮传动，皮带传动等。由于小车在前行

较长距离(一般为20m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，因而我

们采用快速成型制造齿轮，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(事实证明，这在比赛上

时是相当重要的)，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。而一级传动那么较为轻便，结构简单，便于加工装配。

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。

我们发现，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。

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。不过，随着学生动手能力的提高和赛事水平的不断提升，直线轴承和

滑块机构会逐渐提高稳定性，创造更好的成绩。

2小车设计方案

2.1材料的选择

小车的制作，首先我们要先考虑它的材料，材料极为重要，材料密度大了，小

车就重，导致摩擦力就大;材料如果较小，小车太轻，小车在绕杆的同时会发飘，

导致小车的轨迹会发生变化，导致小车达不到最好的状态。所以选取适当的材料是

至关重要的。由于铝-钢的摩擦系数大约为0.02，而铝的密度小，小车的质量一般

大约为2.5kg，所以摩擦力较小，并且横向摩擦力足以满足小车不侧滑;有机玻璃材

质轻阻力小，但是寿命短，易磨损，精度不够高，力学性能差，主要是脆性大，抗

冲击性能差，受到第二次意外打击时，有机玻璃易破