长安大学 陕西西安 710016
摘要：针对“第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛”关于“S”形轨迹的要求，设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小车，辅助以传动机构、转向机构、微调机构实现“S“形不等桩距的绕桩功能。
关键词：无碳小车；“S“形转向运动；结构设计；
1 设计任务分析
基于第六届全国大学生工程训练综合能力比赛要求，在往届小车的基础上进行创新与改进，自主设计并制作一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的无碳小车。因此在制作小车各个部件前，需要对小车进行合理的理论计算设计，借助solidworks对结构进行优化。
由能量守恒定律可知：W(重)=W(地)+W(车)，即重物下降的重力做功等于小车与地面的摩擦做功加上小车内部零件摩擦做功。在W(重)恒定情况下，应尽量简化小车机构，减小W(车)，使W(地)足够大。而W(地)=f×mg×s，在地面摩擦系数f及W(地)一定情况下，为使行驶距离S足够大，应尽量减轻小车质量mg。为使小车能稳定运行，小车应保持低速行驶，为提高小车的转向精度．需要确保小车各个零件的制造精度以及整车的装配精度，并设计合理的微调装置以便调节偏移量。
由于实际测试与理论分析总会有偏差，需要反复的试跑-调试-记录数据-修改零件-试跑，最后找到一组最优的参数，进而确定一个最优的小车结构。
2 无碳小车整体结构设计与分析
2.1原动机构
原动机构采用三根铝棒以三角形安放在底盘中央，作为支撑杆。重物通过尼龙线绕在小车的主动轴上，在下降过程中，带动主动轴的转动，实现能量的转换。由摩擦力矩与正压力的关系：M=nδ，当δ一定时，滚动摩擦阻力有：f=m/r=nδ/r，得到轮胎越大摩擦力越小的结论，所以选择较大轮胎。我们选择直径渐变的轴作为主动轴，理由如下，首先，驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻。其次，到达终点前重块竖直方向的速度较小，避免对小车过大的冲击，能量利用率高。再次，由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。原动机构还能根据不同的需要调整其驱动力。最后，机构简单，效率高。
2.2传动机构
传动机构要求传动平稳，效率高。小车的传动机构由后轮、一级齿轮及相关零件组成。主动轴转动带动后轮轴旋转，驱动轮采用单轮驱动的方式，主动轮与传动机构相连，驱使小车的运动，从动轮采用轴承与后轮轴过盈配合，解决双轮驱动存在的差速问题。齿轮传动效率可高达98％，因此采用齿轮传动。为保证小车在传动过程中损失的能量尽量小，选用小模数的高传动比一级齿轮组进行传动。使用3D打印材料，并将大齿轮内部合理掏空，齿轮的重量不会太重。
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图1齿轮 图2转向机构
2.3转向机构
转向机构采用结构空间曲柄连杆来实现“S”转向要求，将主动轴的回转运动通过空间四连杆机构转化为摇杆的周期性摆动，从而实现前轮的周期性转向，如图2。机构并不复杂，运动副单位面积所受压力较小，因而磨损减小，加工难度较低、调节方便、可调范围大，且有较高精度。对于安装误差，我们可以增加微调机构来解决。我们在杆上会采用多孔设计使之适应不同障碍物间隔。小车采用空间四连杆机构来实现左右均匀摆动，进而使小车在前进过程中能稳定等偏距绕过障碍物。设主动轮半径为R，传动比为i，主动轮到车体中心线的距离为a，小车整体转角β，曲率半径为ρ，小车所行路径为s，驱动轴转过的角度为θ1，前轮的摆角为α，曲柄长度为r1，连杆长度为l，摇杆长度为c，摇杆并与方向轮垂直固定连接。在此空间四连杆机构的运动过程中，连杆的长度不变，由此可知以下关系：
(c•α+l-r1)2=l2-(r1sinθ1)2, ds=Ridθ,ρ=b/tanα+a, dβ=ds/ρ
以主动轮为研究对象，设其起始坐标为（x0，y0），则当小车车体转角为β时可知：
dx=-ds•sinβ, dy=ds•cosβ
根据小车的设计布局要求，确定小车宽度为140mm，大轮(驱动轮)半径为70mm，传动比为5，小车的初始位置选在轨迹的波峰处，则曲柄初始偏角θ0=0°，车体初始偏角β=0°。通过软件对小车轨迹进行仿真计算，为满足700~1300mm的障碍间距，曲柄的长度调节范围大致在21mm，连杆的基本尺寸为54mm，摇杆的长度尺寸为42mm。
2.4微调机构
微调机构我们采用微调螺母式。小车理想的运动轨迹是一个余弦函数，结合实际调试的情况，小车的出发位置处于“S”型轨迹的峰值点，通过微调连杆后期螺杆可以实现小车前轮左右转角的精确调节，从而保证整个轨迹的中心线方向与赛道平行。通过微调曲柄固定螺杆可以对转向轮摆角幅度进行调整，从而控制小车运动轨迹振幅。
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图2 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意
3设计数据
3.1传动设计数据
如图3，重锤高度 h总=400mm，启动轴初始半径/r2=8mm，后轮半径R=70mm， z大齿轮=100，z小齿轮=20，初定小车最大幅值为A=125mm，一个周期内小车所行驶的路程为s=2095.156mm
各级传动比：一级传动：i=z大齿轮/ z小齿轮=100/20=5
砝码下降长度（mm）/小车行走长度（mm）: h总/ L理论=400/27750=0.0144
小车最大理论行走长度：L理论= h总×i×R轮/r2=400×5×70/8= 17500(mm)
小车距出发线最大理论距离：S距离= L理论/s×2=17500/2095.156×2000=16705.2（mm）
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图3 传动展开图
3.2转矩及摩擦力矩设计数据
查资料可知，木地板与硬质铝合金的滚动摩擦系数为μ=0.03，重锤重量m1=1kg，小车装上重锤后总重量为m2=1.72kg。
故小车重力为G=m2g=1.72×9.8=16.856N
后轮的摩擦力矩为M=μG=0.03×16.856=0.506N•cm
由于前轮的影响，小车在300mm桩距时启动最艰难，故只要证明小车在300mm桩距时能够启动，即可证明小车能完成比赛所有的桩距要求。
桩距为300mm时，小车启动轴为Φ16mm。
故启动轴转矩为M1=G重x0.8=2.45N•cm
后轮轴转矩为M2=M1/i =0.49N•cm
比较M和M2可知，小车转矩设计合理。
4 总结和体会
小车在设计阶段中运用MATLAB软件进行轨迹仿真，对尺寸参数进行了优化。本组成员发挥专长，各有分工且又紧密配合，在设计、加工、装配到调试都进行了反复的思考并查阅了机械设计手册和相关的资料，在这个过程中，我们对于所学的专业理论知识进行了工程实践运用，还培养了我们动手的能力，学会了系统统筹去看待工程问题，这让我们对于机械专业有了更深刻的认识，也提高了本组成员的团队合作能力，这就是我们最大的收获。