“8”字无碳小车的创新设计报告

“8 ”字 无碳小车的创新 设计报告

王恩召

南京工业大学浦江学院，江苏南京 211100

摘要：无碳小车的市场主要面向于中，高等教育机构，作为教学模型使用，作为纯机械结构，将势能转换为动能使小车运动，在小车运动过程中完成自动转向避障运动，对机械原理这门课程有较强的示范性作用，可使老师在教授学生时能够通过实际模型使学生能更好的了解机构运动原理。也能够展示出小车势能和动能之间的转换，齿轮的啮合等。

关键词：无碳，“8”字，机械结构设计

1 绪论

1.1研究背景

随着社会科技的发展，人们的生活水平的提高，无碳对于人们来说，显得越来越重要，建设无碳社会，使得生活更加的环保，没有任何的污染。节能、环保、方便、经济，是现代社会所提倡的。无碳小车是以焦耳重力势能为唯一能量的、具有连续避障功能的三轮小车，实现了真正意义上的无碳。小车采用的摆杆机构由传统的刚性杆改为柔性绳索，小车控制转弯更省力，躲避障碍物的周期更容易实现与控制，同时降低了整车重量。

开发新能源和可再生能源是能源可持续发展的宗旨。我国的能源供应项目中，煤炭、天然气以及石油这类不可再生的能源占很大一部份，新能源和可再生能源开发的不足，这不仅会使环境污染变得更加严重，也严重的阻碍了新能源的发展，必须加大开发新能源和可再生能源，优化能源的结构，增加能源的供给能力，缓解能源的压力。无碳车是比较环保的短途代步工具，节能、经济、方便，环保。因此，在人均拥有汽车比例很高的欧美发达国家，无一例外选择了提倡推广低碳车。”许多人认为，确保无碳车道便利通达，既是现实选择，也是大势所趋。现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领域，像交通，家庭用具等，这也是我国当今所要求以及努力的方向。

1.2研究意义

续高速增长的GDP在环境保护、人类健康和工程安全方面，受到由于不稳定经济发展带来的潜在威胁，我国迫切需要将新能源的寻找和利用、工业发展无碳驱动的新时代课题引入现阶段的社会进步中。无碳小车的研制，具有经济、环保、便利等优点，有助于我们找到更为环保绿色的能源，有利的能量转化途径，以及提高能量的利用效率。它将对传统能源的逐渐取代有深远意义。因此我设计制作无碳小车，希望可以找到新的方法来缓解能源和环保问题。

2设计思路

根据“8”字形路线小车的运动特点，小车转向轮应在一定角左右周期性摆动，根据这一原理我们采用凸轮的形式来实现这一周期性定角摆动，且选择与之相应后轮传动比来满足要求；车架我们采用方形版结构，考虑到节约加工成本，底板重量等因素，我们和加工中心进行联系，使用铝合金材料，采用较为方便的激光切割进行加工;齿轮齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大的优点，因此传动方式我们采用齿轮和动滑轮相结合;考虑到小车在运动过程中后轮会产生一定的差速，对于差速的处理，本设计采用单轮驱动。由于驱动轮越大，滚阻系数越小，行走距离远，因此选择较大的轮驱动车体。

3特色创新结构设计说明

我们对无碳小车进行结构设计，要保证小车能稳定的进行8字行走，我们要保证各机构设计精确可靠，由于采用凸轮结构实现转向功能，则对凸轮形状的设计必须考虑周全。另外微调机构在保证平稳前行过程中也起到极为关键的作用。考虑到加工难度及成本，设计了单轮驱动。栓线处为梯形原动轮。起始时，原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。其次，起动后，原动轮的半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后作匀速运动。原动轮的半径变小，使总转速比提高。下面主要对小车凸轮设计以及微调机构设计进行说明。

3.1凸轮设计

首先我们根据小车行走的8字轨迹形状进行凸轮的理论形状设计，如图1所示，考虑到实际加工出来的凸轮有一定的厚度，必将导致用理论形状加工出来的凸轮形状所走出来的轨迹与实际轨迹存在误差，我们通过分析，将加工出来的凸轮形状作为初步大致凸轮，然后采用调试掌握相关规律，将因凸轮厚度引起的误差采用手动磨削的方式减小到最小，反复实验，最后得到满意的凸轮形状。

图1 凸轮理论设计草图

3.2微调机构设计

由于前面确定了转向采用凸轮机构换向方案，为了提高准确度，适应性，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。微调机构可以采用下面两种方式

(1)凸轮轴向可移动一微小位移，从而调整凸轮与推杆接触点的位置，来调节八字大小，如图2为本文所设计凸轮微调装置。

图2 凸轮微调装置

(2)前轮底实现一定距离的前后移动，如图3所示为本设计前轮微调机构。

图3 前轮微调机构

通过调节微调装置，即：两不完全齿轮角度配合，及微调滑块的位置，可以完成走“8”字，及走直线绕障路线。

图4 行走路线图

4 机械结构

本方案设计采用绳轮作为驱动力转换机构。我们采用了梯形轮使能量转化过程中有更合适的转矩使驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。同时做到了到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击，提高了能量利用率。绳轮机构简单，传动效率高，且在针对不同场地导致的所需动力不同的情况，可通过调节绕绳位置来改变转矩，使动力改变，增强适应性。

图5 机械结构图

5运动原理

重物下降时带动绳轮的转动，绳轮的转动带动轮的转动，通过线传动驱动转盘的转动，再通过连杆将转盘周期性的转动转化为前轮的摆动。由后轮的直线运动与前轮的摆动运动结合一起，从而实现了近似正弦曲线的运动轨迹，完成任务。

图6 驱动结构图

6转向结构

采用单轮驱动，机构简单，转弯更为容易实现；使用T型绳轮，使能量转化过程中有更合适的转矩使驱动力适中；采用多处微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物；微调机构使用两个相同不完全齿轮实现路径改变，行走路线不是两个相切的圆，而是两个弧线及相切线，周期路程变短；采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。不足之处在于，小车精度要求高，使加工零件成本高。微调各机构都很费时，且调节到适当配合需一定技巧性。

图7 转向结构图

7主要创新点

采用单轮驱动，机构简单，转弯更为容易实现；使用T型绳轮，使能量转化过程中有更合适的转矩使驱动力适中；采用多处微调机构，便于纠正轨迹，避开障碍物；微调机构使用两个相同不完全齿轮实现路径改变，行走路线不是两个相切的圆，而是两个弧线及相切线，周期路程变短；采用大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。不足之处在于，小车精度要求高，使加工零件成本高。微调各机构都很费时，且调节到适当配合需一定技巧性。

8总结

无碳车是比较环保的短途代步工具，节能、经济、方便，环保。本作品设计的目的是围绕命题主题“无碳小车”，即不利用有碳资源，根据能量转化原理，利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。这种模型比较轻巧，结构相对的简单，能够成功的将重力势能转化为小车的动能，从而完成小车前行过中的所有动作。在本次设计过程中，通过对所学机械设计知识的实际应用，我们对机构的运行原理和运动轨迹线有了更深层次的了解。我们借助计算机辅助绘图、建模、进行分析等，对CAD、SolidWorks等软件有了更进一步的掌握和体会。

参考文献

[1〕王跃进.机械原理[M].北京:北京大学出版社,2009.

[2]孙桓,陈作模﹒机械原理(第七版)﹒北京:高等教育出版社,2011.

[3]濮良贵，纪名纲．机械设计(第八版)．北京:高等教育出版2011

[4]濮良贵，纪名刚. 机械设计(第九版).北京:高等教育出版2013

[5]陆玉. 机械设计课程设计. 机械工业出版社 2008

[6]闻邦椿. 机械设计手册(第五版②③). 机械工业出版.

[7]陆凤仪,钟守炎.机械设计.2版.北京:机械工业出版社 2011.