论一种可行的8字形无碳小车

李云涛等

摘 要： 针对2015年第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛主题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”，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而得到的。设计一种小车，该小车特点是：小车采用单轮驱动，避免小车启动时摩擦力较大，能量损失过多；采用锁止弧、曲柄摇杆机构实现小车的精确运行，行驶的更远。通过第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛小车结构可行性得到验证。本设计为在现实生活中很常见，给“8”字运动轨迹相似的产品提供了良好的借鉴，有很好的发展前景。

关键词： 8字形；间歇控制；机构设计；曲柄搖杆机构

1.前言

如今，科学技术日新月异，人们的生活水平有了很大的改善，然而环境污染问题也越来越凸显出来，因此可持续发展已经被原来越多的人接纳。坚持科学发展，走可持续发展的道路，是社会发展必然趋势，为此我国正在努力将无碳技术应用到工农业及日常生活的各个领域，缩小与发达国家的差距。作为当代有素质的大学生通过自己的知识来设计出一款无碳小车，具有重要的意义。本设计的要求：小车运动所需的能量完全由重力势能提供，不得提供任何其它能量，且小车为行走时不可人工干预其行走。

2.运动轨迹分析及设计

设桩间距为400mm，一个8字路线总长800π，大轮周长为100π，完成一个8字大轮转8圈，间歇机构转2圈如图1。本设计分为三个阶段。阶段一：初始时，小车停在8字交点位置，前轮保持最大转角，不完全齿轮刚好离开完全齿轮，不完全齿轮将空转3/4圈，小车在前轮角度固定下行走大约3/4圆，之后不完全齿轮拨动完全齿轮，实现转向如图2。阶段二：完全齿轮被拨动的过程中，前轮由初始最大角回位再反向变到最大角，并保持这一角度前进，此时不完全齿轮刚好离开完全齿轮如图3。阶段三；在此阶段，小车走过大概3/4圆，不完全齿轮又与完全齿轮啮合，开始转向，到B点结束，不完全齿轮又与完全齿轮分开，如此循环即可实现小车的8字形行走轨迹。

3.小车整体设计

根据今年比赛的新规定，桩被撞到则停止比赛，本作品在保证小车正常行驶的情况下，尽量减小小车的整体尺寸，本设计长150mm宽100mm高574mm。通过对小车行走的分析，可以知道一个8字周期内大轮转8圈，前轮需要转2次向，为实现这一目的，设计本作品差速器右边齿轮与主轴右边齿轮传动比为2：1，主轴左边齿轮与底盘大齿轮传动比为2：1，由此实现大轮转8圈小轮转2次向；为保证小车的平稳行驶，在赋予小车了零件材料后，通过质量分析，以及修改设计之后，小车质心位于车身中心。

4 小车的主要结构

本设计主要由原动机构、传动机构、转向控制机构、调节机构四部分构成，其中原动机构由重锤下落使其重力势能转化为动能；传动机构采用齿轮传动；转向机构由曲柄摇杆结合不完全齿轮构成；调节机构通过调节螺丝来完成。

4.1 原动机构的设计

原动机构将重锤的重力势能转化为小车前进所需的的动能。本设计采用锥形轴作为驱动机构的一部分，可以保证小车在启动时、行进时、结尾时始终保持匀速平稳行驶，并可以有效使小车低速落到车板上，减小碰撞能量损失，增加小车行驶的距离。

4.2 传动机构的改进

本设计采用齿轮传动，可以高效率的将重锤的重力势能转化为小车的动能。采用单轮驱动，并且结合差速器实现小车的平稳转弯，以此防止由于离心力过大小车的侧倒。

4.3 转向控制机构

本设计采用曲柄摇杆机构与不完全齿轮结合的结构实现小车的精确转向，通过计算小车起步时的摆放角度为20°如图5。本作品采用的曲柄摇杆机构通过SolidWorks的模拟仿真，经过大量实验将其极位夹角调到可以忽略的角度（1.47°），极大地减小了小车的急回问题。

4.4 调节机构

通过旋进旋出螺丝来完成小车曲柄摇杆机构调节，以此调整小车。

5.结语

本设计注重整体设计，经过与其它作品的大量对比后设计出本作品。与其它作品相比本设计更看重能量利用率、整体稳定性、运动精确性、结构简单性、以及制造成本。采用双滑轮结构，可以无形中增加绳的长度，提高能量利用率；采用三根柱约束导轨，可以防止小车在行走的晃动，提高小车的稳定性；采用差速器机构保证小车转弯时的稳定；采用单轮驱动，避免了从动轮打滑，使小车更稳定；采用曲柄摇杆机构精确控制小车的转向。

参考文献：

[1]孙恒，陈作模，葛文杰.西北工业大学机械原理及机械零件教研室（第八版）[M].高等教育出版社

[2]赵长发.机械制造工艺学[M].哈尔滨工程大学出版社