S型无碳小车的建模设计与运动仿真及试验研究

史家昊

（中国人民解放军国防科技大学，湖南 长沙 410000）

0 引言

如今人类的活动愈加频繁，其中有许多行为活动会严重污染生态环境，因此各国为了缓解生态、资源压力，都致力于探寻清洁能源。文章涉及的无碳车属于环保特点明显的一类短程代步交通工具，其环保、节能以及经济等优势明显。大面积推广与应用无碳车，有利于社会可持续发展和环保工作的进一步落实。我国举办的大学生工程训练综合能力比赛也积极响应国家号召，为了提升学生绿色环保意识，将无碳小车列入到比赛项目当中。

1 无碳小车的推广意义

对于无碳小车而言，其惟一的能量即焦耳重力势能，其属于一类三轮小车，具备连续绕过障碍的功能，能够帮助人们落实无碳出行。无碳小车中运用柔性绳索取代以往摆杆机构的刚性杆，能帮助人们更加省力地对转弯操作加以控制，从而在使小车重量有效降低的基础上，顺利实现、管控对障碍物的躲避周期。此类小车的轮子主要是有机玻璃，也能够使地面和车轮简摩擦系数合理降低。无碳小车拥有简单的总体构造，较小的摩擦耗损，较高的工作效率，且便于安装。

便捷性、经济性以及环保性属于无碳小车最重要的优势，其对于能源节约和能量利用率的有效提升意义深远。因此，无碳小车拥有良好的推广和应用前景：一方面，其可以使学生进一步了解机械理论知识以及相关实验、实践；另一方面，小车商品化特征的实现能够充分激发学生学习、掌握机械构造的兴趣；此外，有关部门还可将无碳小车陈列到科技馆当中，以便让更多人对机械构造进行深入把握。

当前，我国的教育部为广大大学生组织了工程训练综合能力比赛，而无碳小车已经属于其中一项重要的命题。学生在设计、加工、制作、装配以及调试和比赛阶段，能够不断提升自身分析和解决问题的水平，积极结合理论和实践，同时，充分强化学生创新逻辑。

2 S型无碳小车的建模设计

我所设计的S型无碳小车能够避开200-300mm间距的障碍。在实际设计阶段，我借助软件NX10.0落实S型无碳小车的建模设计与运动仿真，随后按照相应建模进行零件的加工与装配等工作，最终调试样机，对轨迹相应数据进行记录，并且比对仿真结果和试验结果，对小车误差规律以及行走轨迹的特征等展开研究。

2.1 总体设计要求

设计时需要把重1kg的铅锤砝码从（400±2）mm高度下落时形成的重力势能，全部转化成确保无碳小车能够前进的相应机械能，另外，也需要借助小车自身转向机构确保其能够自行避开行进中间距为200-300mm的障碍物。此类小车的主要组成机构包含了驱动、车轮、传动以及转向等。设计的逻辑要点在于：

在无碳小车行进阶段，其能量全部来自于重锤落下时产生的重力势能，因此，设计需要对这部分能量加以运用，避免出现不必要的能量耗损。

由于小车需要沿着S型的线路行进，因此应当确保转向机构可以根据相应规律进行周期性的运转，同时提升其可靠性以及稳定性。

在重锤落下的时候会使绳轮发生相应转动，随后经由齿轮传动以相应转动比向车轮轴传递转速，继而使无碳小车开始行进。

此外，需要明确的是，若地面和小车车轮间拥有越小摩擦力，便可以使小车行进更远的距离。

各机构的详细设计如下：

2.2 设计驱动机构

此机构主要功能在于把上文体积的重力势能顺利转化为小车的前进动能，较为常用的机构包含了线绳牵引、撞击摆杆以及单摆等机构。要确保小车拥有简单的驱动机构，如此才能使损失的能量被控制在最低；另外要使驱动力有持续性且适中，且能够适用于各类场地摩擦力，并且能够调节驱动力。同时，在转换驱动能量的时候，要保证能量之间实现直接转换，防止能量流失。所以，在设计无碳小车的驱动机构时，应优选线绳式牵引机构。

2.3 设计车轮机构

该机构主要功能在于确保无碳小车能够持续行进。按照比赛的实际要求，所设计小车整体应该是三轮结构，其中前轮属于小车的转向轮，而两个后轮属于小车的行进轮。因为无碳小车在行进时应积极克服地面和车轮间摩擦力，因此要将凹槽结构设置在两个后轮中间，确保摩擦力以及能量耗损得以减少。在此机构中，较为常用的后轮设计包含了双轮差速行进、单轮行进以及双轮同步行进等，然而因为在小车行进时时常会需要执行变向以及急转等操作，因此设计两个后轮时可采用双轮差速行进的方式。我在设计过程中，设计了70mm的后轮直径，并且将参赛小车右后轮当做主动轮，而将左后轮当做从动轮。

2.4 设计传动机构

此机构主要功能在于向前轮转向机构传递车轮轴动力，确保其能够实现周期转动。当前常用传动机构包含了链、齿轮以及带等传动方式，而无碳小车所应用传动机构应当可以简单、稳定和高效地进行传动，同时要保证无碳小车便于装拆，有紧凑的机构以及较高的安装精度。我在设计时选用的传动机构为齿轮传动。

2.5 设计转向机构

此机构主要功能在于对前车轮的周期转动加以控制，属于无碳小车最为关键的一个机构，小车是否可以根据预定目标行进主要取决于此机构的精度。转向机构运动性质即把旋转运动转化成往复性的摆动，而常用于实现此性质的机构包含了曲柄滑块、凸轮以及曲柄摇杆等机构。我在设计阶段选用了曲柄摇杆转向机构。

当所有机构都设计完成，且展开干涉检查之后，装配各个机构。

3 运动仿真及试验

3.1 仿真结果

通过观察仿真及试验过程中无碳小车行进时其右后轮轨迹线可知，此轨迹与正弦曲线相近，试验中无碳小车能够自动进行转向，这表明我的设计已经达到了初步要求。

3.2 摇杆摆距的改变引发的轨迹变化

观察仿真及试验过程中无碳小车行进时，在轨迹伴随摇杆摆距有15mm，20mm以及25mm变化的时候，无碳小车的越障桩距分别是186mm，243mm以及309mm。由此可知，当增加摇杆摆距时，无碳小车的越障桩距也会加大。因为遥杆可以调节的范围在15-25mm范围内，所以我设计的无碳小车越障桩距与要求的200-300mm桩距范围相符合。

3.3 轨迹受最初摆放角度的影响

尽管我设计的无碳小车已经拥有与正弦曲线相近的轨迹，然而很多时候在小车行进过程中，其轨迹中心线没有与障碍物相对应地连成直线。在运动仿真及试验阶段可知，无碳小车行进轨迹中心线将会受到初始小车摆放角度的直接影响。通过观察试验结果得知，试验、模拟轨迹改变的主要趋势是相同的，然而试验中并没有较大变化幅度。此现象的主要影响因素包含了小车实际加工与装配、行进阶段应克服的摩擦力，以及比赛阶段可变的桩距等。所以调试小车时，我还应该进行更多的尝试，并将相应数据记录下来，以便得到与比赛要求更为相符的初始无碳小车摆放的角度。

4 结束语

总体而言，通过仿真及试验能够得知：

（1）我所设计的无碳小车能够达成预期的比赛要求，此小车不仅能够实现自动转向，也可以使避开200-300mm障碍桩距的与其要求得到满足。

（2）我应用的软件NX10.0，能够使小车整体运动仿真得以实现，其试验和模拟的结果都较为一致，这说明我的设计方法是可行的，同时也能借助软件所模拟的规律以及结果，对小车的调试工作进行指导。

（3）经由对初始小车的摆放角度以及摇杆摆距进行调整，能够使小车的行进轨迹到有效调整。

（4）在反复试验中得知，我设计的小车在行进时，其轨迹线一直都会被行进时各种场地的摩擦力、可变桩距以及装配与加工零件的精度等影响，所以为了最大限度减少影响，我还应展开更多试验，并从中对无碳小车行进轨迹相应影响因素加以总结。