无碳小车的机构与运动分析

1 无碳小车的设计要求

设计一种小车，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。竞赛时统一用质量为1Kg

的重块（￠50×65 mm，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。要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均来自重物重力势能转换，不可使用任何其他的能量来源。要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。要求小车为三轮结构。2 无碳小车机构运动设计和性能分

析

图1 无碳小车机构简图

小车由重物下降通过尼龙线带动绕

线轮为小车提供动力，由零件1，2,3,4,5

无碳小车的机构与运动分析

吴朝春 西南交通大学机械工程学院 四川成都 611756

组成的曲柄连杆机构控制前轮的摆动实现小车的导向，利用齿轮传动将动力传递到后轮轴实现小车的驱动。

同时为了更好的实现小车的性能要求：位移路程比V、位移S、、跑偏量L、绕桩数N，对小车五大机构进行最大程度优化。

3 无碳小车机构分析

3.1 无碳小车的结构组成

无碳小车主要有五大机构构成： 1）支撑机构：小车的骨架，是各机构布置的基础；

2）原动机构：提供小车运动的装置，

实现重物块重力势能转变为小车的动能； 3）传动机构：将原动机构一部分能

量传递到转向机构；

4）转向机构：完成小车的导向，保证小车实现预定轨迹运行； 5）驱动机构：实现小车的前进 。

3.2 支撑机构的设计车辆底板承受较大的载荷，而且要求在强度足够的情况下，重量尽可能地小。考虑到重量、加工成本等，底板采用3mm 厚的铝合金加工压制制作，底板前端叠加

一块加固板增加转向部分的强度；后轮主轴支架，大齿轮轴支架采用5mm 厚铝合金板制作，而且采用一体成型的方法，减小零件数量。铝的材料密度小，强度较大，而铝合金的性能更优于普通铝制材料，适合用来制作支架。其次，为了制作

和携带方便，将重物支撑架单独制作，将

每一根支架杆两端攻螺纹，

最后用螺栓固定到底板上。3.3 原动机构的设计

为了让重物的重力势能转化为小车的动能，即将重物块的直线下降运动（以小车底盘为参考系）转化为小车车轮的旋转运动。首先我们在结构中加入一个滑轮，通过滑轮和尼龙线我们可以将作用在重物块上的重力传递到绕线轴上，为驱动机构，转向机构的运行等提供保证，实现能量的转化。

3.4 传动机构的设计

经过原动机构已经实现了将重物块的直线下降运动（以小车底盘为参考系）转化为绕线轴的旋转运动。但仅仅只有原动机构并不能实现小车的行进功能。为此该小车必须设计一个转向机构，以及连接原动机构和驱动机构间的传动机构。传动机构的功能目标：实现传动比3：1将绕线轴的转动传递到后轮轴上 。传动功能的实现方式的选择：为了更好的实现传动机构的设计目标，本文作者根据该无碳小车的具体情况并在对比

了带传动和齿轮传动的优缺点后选择了齿数比为1:3的两个齿轮。

3.5 转向机构的选择

小车在行进过程中为了能完成“S”形前进，则小车必须有一个导向装置，本设计采用了前轮导向。为了能实现前轮导向的功能采用了曲柄连杆机构实现前轮的自动转向。转向机构由曲柄连杆机构构成。曲柄连杆机构配合紧密加工简单运动可靠，本文设计方案曲柄连杆机构由关节轴承、转向摇杆前微调轴、微调连接杆、转向摇杆后微调轴和微调曲柄组成，采用微调曲柄和微调连杆长度的改变，调节前轮转动角度的大小从而满足障碍物间距变化造成的路线改变。转向轴承为RBL 关节轴承，可以满足一定角度的空间任意方向的全尺寸旋转，因为为标准件可直接购买，降低了制作成本。

根据之前制作的无碳小车实际调试经验，转向机构的功能对无碳小车的运行效果起着至关重要的作用。特别是微调曲柄和微调连杆长度的长度对小车轨迹运行影响巨大。本文利用螺纹副来调节微调连杆长度，大大的提高了调节精度。同时转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，满足结构简单，零部件易获得等基本条件。

3.6 驱动方式设计

为了尽量减少滑动摩擦带来能量的损失,小车要实现“S”形行进，则小车后轮应该在转弯时实现差速，避免滑动摩擦。

实现方式：后轮交替驱动。结构设计：利用单向轴承滚针轴承，同时为了增强小车行进的稳定性，利用普通轴承过盈配合连接，实现后轮轴与两后轮稳定连接。

4 运动分析

在重物下降的同时，尼龙线经过滑轮将力传递到绕线轴，形成转矩带动绕线轴的转动；通过曲柄连杆机构带动前轮的摆动实现前轮导向；通过齿轮啮合传动，将绕线轴的运动传递到后轮轴；后轮轴通过单向轴承将转动传递到后轮，后轮在地面给的摩擦力的作用下实现驱动；从而实现小车按照预定轨迹运行。