8字形无碳小车的设计

李云涛 程攀峰 刘旭锋 任立新 刘华羿

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“无碳小车”，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：为了小车的综合运行能力，将小车的重心尽量的降低，使小车运行更加平稳。在小车转向部分增加指针，方便观察转角，准确地对小车进行调整。采用不完全齿轮实现间歇。利用滑块顶丝使曲柄长度连续可调，从而改变转角。本设计在实际生活中也会用到，有很好的应用前景。

关键词：8字形;不完全齿轮;单级齿轮驱动;摆动导杆

1.总体分析

采用尼龙线连接重物和原动轴，重物的下降会拉动尼龙线然后带动原动轴旋转，从而实现小车的驱动。当重物落到车板上的时候会对车板产生撞击，造成能量损失。①通过理论分析让重物的能量尽可能的转化小车的行进的动能。为了达到这一目的我们需要实现重物下落时的运动规律：由静止开始加速下落，然后开始匀速下落，最后进入减速阶段，以接近速度为零的速度落到车板上。本作品采用锥形轴原动轴，锥形轴可以很好的做到以上运动规律，达到减小能量损失的目的。②根据本大赛的要求，小车需要自动控制其转弯，为了实现小车的自动转弯，首先后轮的运动应该传给转向机构，然后设计以一种机构实现前轮的间歇行工作。③为了保证小车行驶的距离最远，必须将不必要的损失降到最小。可以设计出一种机构让小车在需要转弯的地方是走弧线，在不需要转弯的地方走直线。还可以在保证小车正常行驶的情况下将小车打孔，减轻小车的质量。本作品利用重物的重力势能做能量，通过单级齿轮驱动后轮进行前进;利用不完全齿轮实现间歇;利用摆动导杆实现转向，从而实现无碳小车的8字形运动。

2.运动轨迹分析

AB、CD阶段间歇（细实线），AD、BC阶段转向（粗实线）。小车从D点起车，起车时小车间歇机构处于间歇状态，小车前轮以一定的摆角行驶，并保持这一状态由D点运动到C点（细实线），到C点后开始转向，到B点转向结束（粗实线），从B点到A点（细实线）小车间歇机构再次进入间歇状态，小车前轮以一定摆角运动到A点结束，A点到D点（粗实线）小车前轮转向，到D点后和开始起车一样，即到此完成一个8字周期。

图1

3.小车的主要结构

本作品主要由4部分构成，包括原动机构、传动机构、转向间歇机构、调节机构，其中原动机构靠重锤的重力势能工作，原动轴带动后轮转动;传动机构采用单级齿轮传动;转向间歇机构由不完全齿轮和摆动导杆构成;调节机构通过调节滑块来实现。

3.1 原动机构

小车启动的时候，由于阻力力矩大于驱动力矩，小车很难启动，为了让小车正常启动需要直径大一点的轴，然后当小车匀速行驶时阻力力矩等于驱动力矩，这时原动轴的直径需要变细一点，最后小车处于减速阶段，此时驱动力矩小于阻力力矩，但是由于惯性重物依然会运动，重物减速落到车板板上，这样重物接触车板碰撞产生的能量会很小。本作品设计出锥形轴作为原动机构（如图2）。

图2

3.2 傳动机构

传动机构作为小车很重要的一部分，需要把动力和运动规律传递到转向机构和驱动轮上，本作品为了让小车行驶的更稳定、更远，精确的计算出了小车的行进轨迹。并且所用传动机构的具有效率高、稳定、节省能量等特点。本作品采用单级齿轮传动并和差速器结合实现了小车的高效传动，减少不必要的能量损耗。

3.3 转向间歇机构

3.3.1本作品采用非标准齿轮进行传动，两个齿轮相互垂直，将竖直方向上的运动转化为水平方向。

3.3.2本作品采用不完全齿轮实现小车前轮摆角的固定，结构简单，制造容易，工作可靠，从动轮的运动时间和静止时间的比例可在较大。

3.3.3本作品采用的摆动导杆机构实现小车周期性的间歇，并且急回很小，可以保证小车的稳定运行。

3.4 调节机构

对与经过理论计算的机构，加工出来，装配上之后一定会有误差产生，小车需要很高的精度，因此调节机构就是一辆优秀的小车不可缺少的机构，对小车产生的误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是为了调整小车的轨迹，使小车走一条最优的轨迹。调节方法：

3.4.1通过滑块调节摆杆到旋转中心的距离，调节小车转向角度的大小。

3.4.2指针，方便观察调节范围，提高调节精度。

4.结语

本作品更加注重实用，通过大量的理论计算，并且结合其它已经取得成功的小车的经验设计出本作品。根据需要本作品可以由8字向s型转变：将垂直使用的非标准齿轮换为两个相互垂直的摩擦轮，将不完全齿轮换为标准齿轮或去掉即可实现8字向s型的转变。通过调整摩擦轮实现无级变速，再通过调整曲柄长度实现小车的s型轨迹。

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.