无碳小车的机械结构设计

[摘 要]本文对小车驱动方案进行了探究，有效解决了小车的平稳运行及自动躲避障碍物等诸多问题，明确了小车设计的驱动原理、结构参数及设计材料。设计出来的小车不但行驶非常平稳、性能极其优越，而且结构还非常合理，达到了持续绕桩42圈的成果。

[关键词]无碳小车 机械结构 设计

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0005-02

无碳小车根据目前工程设计标准，关注了调试的可靠性、制作的精确性、设计的精巧性等。根据我国无碳小车的设计要求，笔者对支持无碳小车正常运行的机械构造进行了设计。通过同其他一些类似小车模型进行比较后可知，此小车的设计更重视结构的稳定和能力的应用，所使用的摇杆机构关系到很多数学理论，更加容易的控制小车转弯，躲避障碍物，也就是整个小车质量都有所降低。

一、设计小车的结构

如图1是由重力势能来驱动能够控制方向的小车结构设计图。

实际上，驱动小车转向和行走过程中所花费的能量按照能量转换原理来分析，应该是从重力势能转换获取的。假如重力势能是5J，重力取值是10m/s2，小车在竞赛时需要承载一块质量是1千克质量快行驶，并绕过事先布置的障碍物，障碍物沿直线一米布置1个，同时还确保质量块始终在车上[1]。在竞赛以后根据小车的行驶距离和所躲避的障碍物数量来对成绩进行评定。小车的行走路线具体如图2。

二、设计动力机构

有很多方案都能够把重块所具有的重力势能变成小车动能，就可考虑是地面摩擦、设计材料、小车质量等诸多因素的影响，因此一次又一次的进行调试，为了使调试与更改变得更加方便笔者对绳轮机构进行应用。绳轮机构具体如图3。

为了使能量损失被控制在最小范围内，笔者应用了强度非常高的尼龙线。因为小车实际行驶距离取决于绕线轮的具体转动圈数，所以，为了使驱动轮可以转动更多的圈数，笔者便在驱动轮与绕线轮间多设置了一组齿轮，转动和传动的比是12：23[2]。

绕线轮的主要作用就是把重力势能变成动能，绕线轮的实际粗细程度会应用到小车的运行速度与前进距离。因为小车刚起步时的状态是加速的，当增加到某速度时就会变成匀速运行，所以，应该选择直径大小不同的绕线轮，按照从大到小的顺序进行安排设计。

三、设计行驶机构

小车在行驶过程中所受到的阻力主要来自于地面和驱动轮间的摩擦，所以，应该选取良好的车轮材料，让其与地面间摩擦减少，进而使小车行驶更远的距离，笔者选择了硬铝来制作车轮。

在刚度得到保证的同时，可以应用设置减重控这种方式来减小质量。因为驱动轮直径的大小情况会对转轮周期和地面摩擦力造成影响，而开始设计时驱动轮的直径是122毫米，通过试验后发现因为受到原材料的影响，小车实际行驶时加速度非常大，发生了左右摇摆的现象，最后通过研究和探讨笔者把车轮直径定为了155毫米后再次试验，小车可以平稳行驶[3]。驱动轮结构如图4。

因为小车在行驶过程中需要转弯，所以按照动力方向差别，在转弯时两个后轮间表现出不同的速度。因此，应将小车的左轮设作驱动轮，把右轮设作自由轮，进而使小车能够平稳运行。

四、设计转向机构

开始转向动力通过齿轮进行传动，由于通常情况下，齿轮在机械传动当中可以起到非常高的传动效率，可是将其应用到实践中会发现，利用齿轮传动很难对小车的实际行走周期进行调整，通过大量的探究和实践最后笔者对摩擦传动进行了引用，也就是利用圆盘和橡胶圈间的摩擦力为圆盘提供驱动力，这样就能通过调整驱动轮直径来对小车具体行走周期进行调整。

一般情况下小车转向是由曲柄遥杆控制的，如图5。转向时一定要保证小车是根据1米绕一桩的需要行驶的，这就需要将转向角调整到最大，而最大角是由连杆长度、摇杆长度、曲柄长度等诸因素一同决定的。为了可以自由的进行调节，其一，明确曲柄的实际长度，之后把摇杆和连杆的长度设成能够进行调整的。通常情况下可以应用细调与错调这两种方式来调节连杆的长度，也就是在连杆一头设置曲柄和定位孔以进行粗调，在另外一头利用螺纹来连接并进行细调，同时还可以通过改变螺纹的实际转动角度来对连杆长度进行调整，进而满足需求。

在平面的曲柄摇杆这个机构当中，传动性能由传动角γ决定。为了让机构可以具备非常好的性能，最小传动角一定要比允许值大。

根据最小传动角来对行程速比进行设计。按照已知的φ、1、γmin、β角，之后在查表的基础上根据以下公式对摇杆与连杆的长度进行计算。

其中b代表连杆的长度；c代表摇杆的长度；d代表机架的长度；φ代表摇杆C间的夹角。经过计算可知机构a、b、c、d的尺寸分别是29毫米、193毫米、75毫米、190毫米。

五、对稳定性进行设计

通常情况下很多因素都会对小车稳定性造成影响，其中对小车稳定性影响较大的因素包括：整体重心高度、地板结构、支撑架刚度[4]。

小车在进行转向的时候，重块将会来回晃动，假如不能将支撑架固定，那么小车重心就很容易发生偏移，然后就会对小车的摩擦力和压力造成影响，还极有可能会出现侧翻的情况，这不但使小车失去了稳定性，还使小车消耗掉大量的能量，所以，一定要对小车支撑架进行合理设计。

支架不能与质量轻、弹性小和强度高的一些原材料接触，因此在弯矩处进行优化设计，使误差被控制在最小范围内，进而使小车稳定性得到保障。

六、对地板结构进行设计

实际上地板主要就是通过和其余一些结构进行连接，进而起到承载小车的作用，是无碳小车主要的组成部件，所以，一定要对地板结构进行科学、巧妙、合理的设计。因为小车不需要承载过重的东西，所以可以把地板设计成一个简单的框式结构，为了防止因为地板振动而损失掉大量的能量，应该设计一个T型的边框横截面，通常边框宽度应该是12毫米，厚度应该是6毫米，这样就能够保证小车具有极强的刚度。

一般，两个后轮间的实际距离是有底板宽度来决定的，因为小车始终都处在曲线运行的状态上，所以，小车在行走的过程中两个后轮的速度是不一样的。假如轴距非常小，那么小车在运行过程中的平稳性就无法得到保证，假如轴距非常大，那么就很难进行转弯操作。因此，在对以上这些因素进行综合考了后，笔者把底板宽度定位110毫米，长度定位230毫米。小车的地板结构如图6。

重块的实际落差是520毫米，为了可以使小车的中心降低，所以重块的实际起重高度一定不能过高，这就需要把重块托盘安装到底板下边，也就是安置在曲柄机构的上边，而托盘应该被设计成为镂空的结构，并应用螺栓将其四个顶角固定在底板上，以防止小车在行驶过程中托盘脱落。

结语：

上文在对无碳小车进行设计时，主要应用了绕线线牵的方式来促使驱动轮实现转动，应用摩擦传动来促进转向机构运作，应用曲柄摇杆来控制前轮转向。通过大量的实践可以充分证实，笔者设计的无碳小车结构非常的巧妙、合理、科学，并且性能还非常优越，使小车在行驶过程中能够达到平稳运行，打破了历史上的绕桩记录，可以称作是一个完美的设计。

参考文献：

[1] 刘润，朱先勇，李志东等.基于弹簧约束的无碳小车转向机构的建模与仿真[J].机械设计，2013，30（9）：24-27.

[2] 曹斌，张海波，朱华炳等.基于槽轮机构的8字轨迹无碳小车设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014（6）：661-665，704.

[3] 周成，高昆山，鞠晨鸣等.基于ADAMS的无碳小车动力学仿真研究[J].机械设计与制造，2015（8）：197-199，205.

[4] 胡增，何国旗，王政等.基于Adams软件的单轮驱动无碳小车车轮布局设计[J].湖南工业大学学报，2013，27（4）：53-56.