“双8”字型无碳小车的结构设计
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中图分类号:TP３９１
７ 文献标识码:A
０ 引言
无碳小车是一种以重力势能驱动的具有方向控制
的自行小车.无碳 小 车 沿 “双 ８”字 轨 迹 前 进 时,一 对
后轮在转弯 过 程 中 必 须 使 左、右 轮 速 度 不 等,产 生 差
速.如果两后轮均为 主 动 轮,当 小 车 在 转 向 时 两 轮 的
确 [７].本设计采用齿轮传动,在小车行走的过程中,重
物的重力势能带动绕 线 轮 和 绕 线 轴 转 动,绕 线 轴 通 过
齿轮机构将动力 传 递 给 驱 动 轴. 齿 轮 采 用 两 级 传 动,
共三个齿轮,绕线轴上的齿轮为大齿轮,过渡轮轴上为
中等齿轮,后轮轴上的齿轮为小齿轮,实现了小车行驶
相对更远的路程,提高了能量的利用率.
齿轮传动,转向机构 采 用 可 以 实 现 复 杂 运 动 规 律 的 凸
轮 机 构,微 调 机 构 采 用 紧 定 螺 钉 调 节 凸 轮 滑 块 实 现
微调.
２ 基本结构设计
２．
１ 原动机构
原动机构的作用是将重力势能转化为小车的驱动
力.能实现这一功能 的 方 案 有 绳 轮 机 构 和 齿 轮 齿 条,
１９９８
Ｇ),女,湖北襄阳人,本科在读,专业为机械设计制造及自动化.
１００
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０２０ 年第 １ 期
传动机构的功能是把驱动轴上的动力传递到转向
机构和主动轮上,要 使 小 车 行 驶 得 更 远 并 按 设 计 的 轨
道精确地行驶,传动机构必需传递效率高、传动平稳精
第 １ 期(总第 ２１８ 期)
２０２０ 年 ２ 月
No．
１
J
an．
机 械 工 程 与 自 动 化
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文章编号:
１６７２
Ｇ６４１３(
２０２０)
０１
Ｇ００９９
Ｇ０３
“双 ８” 字型无碳小车的结构设计
吴红静１,２,梁德湾１,３,吴华伟１,３,李海金１,２
计精度要求更高.由于凸轮机构中合适的凸轮轮廓曲
线能满足从动件 复 杂 的 运 动 规 律 [５],不 会 出 现 惯 性 力
等问题,故本设计采 用 凸 轮 机 构 来 实 现 小 车 的 转 向 功
能.通 过 计 算 确 定 凸 轮 行 程 及 基 圆 半 径,并 借 助
MATLAB 对 小 车 轨 迹 进 行 优 化,从 而 得 到 合 适 的 凸
但是由于齿条需要较长空间,不容易实现,因此选用绳
轮机构,可以提高 效 率 及 简 洁 性. 绕 线 轮 采 用 锥 形 结
构,可以保证小车启动时具有一定的加速度,行走过程
中重物下落平稳 [６].本设计采用弹性系数很小的尼龙
线和定滑轮机构,尼龙线的一端绕在重物上,另一端固
定在主动轴上的绕线 轮 上,使 重 物 的 重 力 可 以 转 换 为
运行速度相等,便会导致车身不稳,甚至是侧翻.为了
解决上述差速问 题,采 用 单 轮 驱 动 的 方 法 [１]可 以 构 成
简单的差速器,以解决小车转弯时内、外轮线速度不等
的问题,从而达到平稳转向.以往对于“
８”字型小车转
[
２]
向机构的设计多采用槽轮机构 、空间 RSSR 机构 [３]、
凸轮 机 构 [４]等.槽 轮 机 构 不 利 于 调 整 小 车 的 转 角,因
轮结构.通过凸轮滑 块 与 锁 紧 块 带 动 前 轮 转 向,使 小
车按正确的轨迹行走.
１ 设计概述
设 计 一 种 三 轮 小 车,在 小 车 行 进 过 程 中 由 标 准
１kg砝码下落带动小车行进,所产生的重力势能为 ４J
(取 g＝１０ m/s２ ),且 砝 码 下 降 高 度 为 ４００±２ mm,因
(
１． 湖北文理学院 纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验 室, 湖 北 襄 阳 ４４１０５３;２湖北文理学院 汽车与交通工程学院,湖北 襄阳 ４４１０５３)
摘要:根据第六届全国大学生工程训练 “双 ８” 字型无碳小车竞赛要求, 采 用 凸 轮 机 构 与 凸 轮 滑 块 来 实 现 小
此小车的摩擦力以及传动时所产生的力均对小车的行
驶具有很大的影响. 要 求 小 车 具 有 转 向 控 制 机 构,且
具有可调节性,以适应不同场地的需求.
根据小车的设计 要 求,本 文 将 小 车 分 为 四 个 部 分
进行设计,即原动机 构、传 动 机 构、转 向 机 构 与 微 调 机
构.原动机构采用绕 线 轮 的 方 式,传 动 机 构 采 用 两 级
车的转向功能与微调功能.借助 MATLAB 分析得出凸轮的推程和回程运动规律,凸轮 在 推 程 和 回 程 中 分 别
做等加速等减速运动和余弦加速度运动. 利 用 So
l
i
dWo
r
ks 进 行 三 维 建 模, 并 制 作 实 物 样 机 测 试, 验 证 了 机
构的合理性.
关键词:“双 ８” 字;凸轮结构;三维建模;实物样机;无碳小车
驱动轴上的扭矩,从 而 带 动 主 动 轮 产 生 动 力. 为 了 保
证小车在运行过程中 能 够 稳 定 匀 速 前 进,主 动 轴 绕 线
部分的直径设计尤为重要.
利用 So
l
i
dWo
r
k
s对 小 车 装 配 后,通 过 质 量 属 性 选
项设定各零 件 材 料,计 算 出 整 车 重 量 (包 含 重 物)
此必须设 计 完 全 精 确 时 才 能 保 证 小 车 行 驶 正 确 的 轨
迹;空间 RSSR 机构作 复 杂 运 动 和 往 复 运 动 时 所 产 生
的惯性力难以平衡.第六届全国大学生工程训练综合
能力竞赛要求小车需绕同一直线上的 ３ 个桩按“双 ８”
字轨迹循环运行,因 此 对 于 轨 迹 的 准 确 性 和 小 车 的 设
m＝
,
.绕线轮的计算如表
滚动因擦系数
取
１．
７６kg
σ ０．
０６
１
所示.表 １ 中,
Dh 为小车驱动轮直径,
Dh ＝１１０mm.
２．
２ 传动机构
XKQ２０１８００２)
“机电汽车” 湖北省优势特色学科群开放基金资助项目 (
收稿日期:２０１９
Ｇ０９
Ｇ３０;修订日期:２０１９
Ｇ１１
Ｇ３０
作者简介:吴红静 (
７ 文献标识码:A
０ 引言
无碳小车是一种以重力势能驱动的具有方向控制
的自行小车.无碳 小 车 沿 “双 ８”字 轨 迹 前 进 时,一 对
后轮在转弯 过 程 中 必 须 使 左、右 轮 速 度 不 等,产 生 差
速.如果两后轮均为 主 动 轮,当 小 车 在 转 向 时 两 轮 的
确 [７].本设计采用齿轮传动,在小车行走的过程中,重
物的重力势能带动绕 线 轮 和 绕 线 轴 转 动,绕 线 轴 通 过
齿轮机构将动力 传 递 给 驱 动 轴. 齿 轮 采 用 两 级 传 动,
共三个齿轮,绕线轴上的齿轮为大齿轮,过渡轮轴上为
中等齿轮,后轮轴上的齿轮为小齿轮,实现了小车行驶
相对更远的路程,提高了能量的利用率.
齿轮传动,转向机构 采 用 可 以 实 现 复 杂 运 动 规 律 的 凸
轮 机 构,微 调 机 构 采 用 紧 定 螺 钉 调 节 凸 轮 滑 块 实 现
微调.
２ 基本结构设计
２．
１ 原动机构
原动机构的作用是将重力势能转化为小车的驱动
力.能实现这一功能 的 方 案 有 绳 轮 机 构 和 齿 轮 齿 条,
１９９８
Ｇ),女,湖北襄阳人,本科在读,专业为机械设计制造及自动化.
１００
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０２０ 年第 １ 期
传动机构的功能是把驱动轴上的动力传递到转向
机构和主动轮上,要 使 小 车 行 驶 得 更 远 并 按 设 计 的 轨
道精确地行驶,传动机构必需传递效率高、传动平稳精
第 １ 期(总第 ２１８ 期)
２０２０ 年 ２ 月
No．
１
J
an．
机 械 工 程 与 自 动 化
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文章编号:
１６７２
Ｇ６４１３(
２０２０)
０１
Ｇ００９９
Ｇ０３
“双 ８” 字型无碳小车的结构设计
吴红静１,２,梁德湾１,３,吴华伟１,３,李海金１,２
计精度要求更高.由于凸轮机构中合适的凸轮轮廓曲
线能满足从动件 复 杂 的 运 动 规 律 [５],不 会 出 现 惯 性 力
等问题,故本设计采 用 凸 轮 机 构 来 实 现 小 车 的 转 向 功
能.通 过 计 算 确 定 凸 轮 行 程 及 基 圆 半 径,并 借 助
MATLAB 对 小 车 轨 迹 进 行 优 化,从 而 得 到 合 适 的 凸
但是由于齿条需要较长空间,不容易实现,因此选用绳
轮机构,可以提高 效 率 及 简 洁 性. 绕 线 轮 采 用 锥 形 结
构,可以保证小车启动时具有一定的加速度,行走过程
中重物下落平稳 [６].本设计采用弹性系数很小的尼龙
线和定滑轮机构,尼龙线的一端绕在重物上,另一端固
定在主动轴上的绕线 轮 上,使 重 物 的 重 力 可 以 转 换 为
运行速度相等,便会导致车身不稳,甚至是侧翻.为了
解决上述差速问 题,采 用 单 轮 驱 动 的 方 法 [１]可 以 构 成
简单的差速器,以解决小车转弯时内、外轮线速度不等
的问题,从而达到平稳转向.以往对于“
８”字型小车转
[
２]
向机构的设计多采用槽轮机构 、空间 RSSR 机构 [３]、
凸轮 机 构 [４]等.槽 轮 机 构 不 利 于 调 整 小 车 的 转 角,因
轮结构.通过凸轮滑 块 与 锁 紧 块 带 动 前 轮 转 向,使 小
车按正确的轨迹行走.
１ 设计概述
设 计 一 种 三 轮 小 车,在 小 车 行 进 过 程 中 由 标 准
１kg砝码下落带动小车行进,所产生的重力势能为 ４J
(取 g＝１０ m/s２ ),且 砝 码 下 降 高 度 为 ４００±２ mm,因
(
１． 湖北文理学院 纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验 室, 湖 北 襄 阳 ４４１０５３;２湖北文理学院 汽车与交通工程学院,湖北 襄阳 ４４１０５３)
摘要:根据第六届全国大学生工程训练 “双 ８” 字型无碳小车竞赛要求, 采 用 凸 轮 机 构 与 凸 轮 滑 块 来 实 现 小
此小车的摩擦力以及传动时所产生的力均对小车的行
驶具有很大的影响. 要 求 小 车 具 有 转 向 控 制 机 构,且
具有可调节性,以适应不同场地的需求.
根据小车的设计 要 求,本 文 将 小 车 分 为 四 个 部 分
进行设计,即原动机 构、传 动 机 构、转 向 机 构 与 微 调 机
构.原动机构采用绕 线 轮 的 方 式,传 动 机 构 采 用 两 级
车的转向功能与微调功能.借助 MATLAB 分析得出凸轮的推程和回程运动规律,凸轮 在 推 程 和 回 程 中 分 别
做等加速等减速运动和余弦加速度运动. 利 用 So
l
i
dWo
r
ks 进 行 三 维 建 模, 并 制 作 实 物 样 机 测 试, 验 证 了 机
构的合理性.
关键词:“双 ８” 字;凸轮结构;三维建模;实物样机;无碳小车
驱动轴上的扭矩,从 而 带 动 主 动 轮 产 生 动 力. 为 了 保
证小车在运行过程中 能 够 稳 定 匀 速 前 进,主 动 轴 绕 线
部分的直径设计尤为重要.
利用 So
l
i
dWo
r
k
s对 小 车 装 配 后,通 过 质 量 属 性 选
项设定各零 件 材 料,计 算 出 整 车 重 量 (包 含 重 物)
此必须设 计 完 全 精 确 时 才 能 保 证 小 车 行 驶 正 确 的 轨
迹;空间 RSSR 机构作 复 杂 运 动 和 往 复 运 动 时 所 产 生
的惯性力难以平衡.第六届全国大学生工程训练综合
能力竞赛要求小车需绕同一直线上的 ３ 个桩按“双 ８”
字轨迹循环运行,因 此 对 于 轨 迹 的 准 确 性 和 小 车 的 设
m＝
,
.绕线轮的计算如表
滚动因擦系数
取
１．
７６kg
σ ０．
０６
１
所示.表 １ 中,
Dh 为小车驱动轮直径,
Dh ＝１１０mm.
２．
２ 传动机构
XKQ２０１８００２)
“机电汽车” 湖北省优势特色学科群开放基金资助项目 (
收稿日期:２０１９
Ｇ０９
Ｇ３０;修订日期:２０１９
Ｇ１１
Ｇ３０
作者简介:吴红静 (