基于無碳小車的優化設計

姜帥琦

摘 要 基于無碳小車的越障要求，設計一輛無碳小車，在設計、工藝、成本分析和工程管理等方面進行優化設計，通過給予一定的重力勢能，依據能量轉換的原理，將重力勢能轉換為動能等機械能來驅動小車行進。

關鍵詞 無碳小車；機械能轉換；避障；工藝；成本分析

中圖分類號：TH22 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0014-03

1 小車總體設計目標

依據能量轉換原理，給定重力勢能，設計一套可將該鉛垂的重力勢能轉換為小車動能等機械能來驅動小車行進的裝置。并且應使該小車在行進過程中能夠自動避開道路上設置的障礙物。

設定給定重力勢能，通過鉛垂下降來獲得，鉛垂下落后，而且必須同小車一起運動，不允許掉落。

要求小車行進過程中完成的所有行動所需的能量均由此重力勢能轉換得到，不得使用任何其他形式的能量。

2 方案設計

通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設計這里根據小車所要完成的功能將小車劃分為六個部分進行模塊化設計（車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。

在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優。

3 車架

車架既不能做得太大，又不能做的太小。太大了，車轉向不太容易控制；車架太小，小車不穩定，重塊的平衡不易控制，在運行過程中，可能會出現傾倒。車架要做的盡量輕，牢固，剛度要強，在重物的壓力下變形小。

要做的輕，材料成本低且易加工，車架可選擇木材加工成三角底板式，也可選擇鋁制成骨架式。

4 原動機構

原動機構的作用是將鉛垂的重力勢能轉化為使小車行走的動能。多種方案都可以是實現這一功能，繩輪在效率和方便性方面是最佳的方案。如果規則允許，采用滑輪組來將重物的重力勢能轉換為小車的動能，可以起到省力費距離的作用。按照圖三所示的繞法，只需一個動滑輪，小車下落0.5 m，用兩個動滑輪，線可伸長1 m。線的一端繞在后車軸上，為后輪提供轉矩，作為后輪的動力。

小車對原動機構的其他具體要求有：

1）驅動力的大小應合適，不可使小車在轉彎時因速度過大而產生側翻或由于鉛垂的晃動影響小車的前行。

2）在小車前進過程中，鉛垂在豎直方向的速度應盡可能小，避免小車由于此速度產生劇烈晃動。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。

3）因為不同的路面的摩擦系數不一樣，所以在不同的路面小車所需的驅動力也不相同。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。

4）機構簡單，效率高。

5）盡可能考慮儲能機構，如：發條儲能。

基于以上分析我們提出了輸出驅動力可調的繩輪式原動機構的初想圖，如下圖。

5 傳動機構

傳動機構的功能是傳遞運動和驅動力。要使小車沿正確的路線前進并且前進的更遠，傳動機構必須簡潔，穩定。

1）不再用其他的傳動機構，直接通過動力軸輸出動力，此種方法結構簡單，效率高。

2）齒輪的各項性能指標都很高，但是價格較高。此輪傳動也可作為備選傳動方案。

3）傳動機構如果采用齒輪形式還可考慮將飛輪和減速齒輪等機構結合，這樣可以起到更好的儲能作用。

6 轉向機構

用曲柄導桿機構可以控制車輛的轉向，曲柄周期性的轉動，導桿也會周期性擺動，從而搖塊也會周期性轉動，前輪和搖塊連為一體，因而可也周期性轉向。曲柄與車軸之間用齒輪連接，滿足一定的傳動比，使曲柄轉一周，小車也行駛一個周期，繞過兩個障礙物。小車的運動軌跡，轉向裝置中的曲柄導桿機構，如下2個圖所示。

小車的運動軌跡

轉向裝置中的曲柄導桿機構

7 行走機構

行走機構設計為三個輪子，不考慮輪子的選材。

由力學的相關知識可知摩擦力矩與正壓力的關系為相同材料的值相同。

而滾動摩擦阻力，所以輪子的尺寸與所受的阻力成反比，因此小車可以行走的更遠。但由于制造，材料，安裝，調試等等問題，具體機構尺寸需要進一步分析才能確定。

由于小車不全是沿直線前行的，各輪之間必定會產生一定的速度差。因此后輪可以采用雙輪同步驅動，雙輪差速驅動，單輪驅動。

雙輪同步驅動時輪子會跟地面產生滑移現象，因此滑動摩擦力大于滾動摩擦力，從而導致能量的大量消耗，給小車的前進帶來更多的不定因素，無法正確確定其運動方向，不能有效的躲避障礙。

雙輪差速驅動可以有效避免滑移等問題，差速器和單向節可以對速度進行調節。差速器可以使能耗降低到最小并同時能夠滿足小車前進所需的運動。單向軸承實現差速的原理是速度較大的輪子是從動輪，速度相對較小的輪子為主動輪，并隨著小車的運動進行著交替變換。但由于單向軸承存在行進過程中側向存在一定的間隙，因此在主，從輪在交替變換過程中可能導致運動方向的錯誤，但對小車成體的性能分析沒有太大影響。

單輪驅動是指用一個輪子作為驅動輪，一個輪子為導向輪，另一個輪子作為從動輪。通過輪子與地面之間的約束來實現速度差。其效率比較高，但行進速度不是很穩定，傳動精度很高。

綜上所述行走機構的輪子應有恰當的尺寸，如果有條件可以通過實驗來確定實現差速的機構方案，如果規則允許可以采用單輪驅動。

8 微調機構

一臺完整的機器包括：原動機構、傳動機構、執行機構、控制部分、輔助設備。微調機構是小車的控制部分。由于前面確定了轉向采用曲柄導桿機構方案，由于存在加工誤差等因素，因此就必須加上微調機構，對誤差進行修正。這是采用微調機構的原因之一，其二是為了調整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優的軌跡。

9 總結

通過對車架，原動機構，傳動機構，轉向機構，行走機構，微調機構的設計來實現無碳小車的行走及避障功能。對無碳小車材料的精心的選擇，選擇一些較輕的材料的減少無碳小車的負重，使無碳小車更加輕便，更容易躲過障礙，可以使無碳小車的性能更加優越。

參考文獻

[1]徐巖，佟岳軍，陳彥國.自動繞障無碳小車的設計[J].現代企業教育，2012（21）.

[2]張燦，林國帥，巫梁峰.電動輪起動控制系統使用分析[J].企業導報，2013（03）.endprint

摘 要 基于無碳小車的越障要求，設計一輛無碳小車，在設計、工藝、成本分析和工程管理等方面進行優化設計，通過給予一定的重力勢能，依據能量轉換的原理，將重力勢能轉換為動能等機械能來驅動小車行進。

關鍵詞 無碳小車；機械能轉換；避障；工藝；成本分析

中圖分類號：TH22 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0014-03

1 小車總體設計目標

依據能量轉換原理，給定重力勢能，設計一套可將該鉛垂的重力勢能轉換為小車動能等機械能來驅動小車行進的裝置。并且應使該小車在行進過程中能夠自動避開道路上設置的障礙物。

設定給定重力勢能，通過鉛垂下降來獲得，鉛垂下落后，而且必須同小車一起運動，不允許掉落。

要求小車行進過程中完成的所有行動所需的能量均由此重力勢能轉換得到，不得使用任何其他形式的能量。

2 方案設計

通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設計這里根據小車所要完成的功能將小車劃分為六個部分進行模塊化設計（車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。

在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優。

3 車架

車架既不能做得太大，又不能做的太小。太大了，車轉向不太容易控制；車架太小，小車不穩定，重塊的平衡不易控制，在運行過程中，可能會出現傾倒。車架要做的盡量輕，牢固，剛度要強，在重物的壓力下變形小。

要做的輕，材料成本低且易加工，車架可選擇木材加工成三角底板式，也可選擇鋁制成骨架式。

4 原動機構

原動機構的作用是將鉛垂的重力勢能轉化為使小車行走的動能。多種方案都可以是實現這一功能，繩輪在效率和方便性方面是最佳的方案。如果規則允許，采用滑輪組來將重物的重力勢能轉換為小車的動能，可以起到省力費距離的作用。按照圖三所示的繞法，只需一個動滑輪，小車下落0.5 m，用兩個動滑輪，線可伸長1 m。線的一端繞在后車軸上，為后輪提供轉矩，作為后輪的動力。

小車對原動機構的其他具體要求有：

1）驅動力的大小應合適，不可使小車在轉彎時因速度過大而產生側翻或由于鉛垂的晃動影響小車的前行。

2）在小車前進過程中，鉛垂在豎直方向的速度應盡可能小，避免小車由于此速度產生劇烈晃動。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。

3）因為不同的路面的摩擦系數不一樣，所以在不同的路面小車所需的驅動力也不相同。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。

4）機構簡單，效率高。

5）盡可能考慮儲能機構，如：發條儲能。

基于以上分析我們提出了輸出驅動力可調的繩輪式原動機構的初想圖，如下圖。

5 傳動機構

傳動機構的功能是傳遞運動和驅動力。要使小車沿正確的路線前進并且前進的更遠，傳動機構必須簡潔，穩定。

1）不再用其他的傳動機構，直接通過動力軸輸出動力，此種方法結構簡單，效率高。

2）齒輪的各項性能指標都很高，但是價格較高。此輪傳動也可作為備選傳動方案。

3）傳動機構如果采用齒輪形式還可考慮將飛輪和減速齒輪等機構結合，這樣可以起到更好的儲能作用。

6 轉向機構

用曲柄導桿機構可以控制車輛的轉向，曲柄周期性的轉動，導桿也會周期性擺動，從而搖塊也會周期性轉動，前輪和搖塊連為一體，因而可也周期性轉向。曲柄與車軸之間用齒輪連接，滿足一定的傳動比，使曲柄轉一周，小車也行駛一個周期，繞過兩個障礙物。小車的運動軌跡，轉向裝置中的曲柄導桿機構，如下2個圖所示。

小車的運動軌跡

轉向裝置中的曲柄導桿機構

7 行走機構

行走機構設計為三個輪子，不考慮輪子的選材。

由力學的相關知識可知摩擦力矩與正壓力的關系為相同材料的值相同。

而滾動摩擦阻力，所以輪子的尺寸與所受的阻力成反比，因此小車可以行走的更遠。但由于制造，材料，安裝，調試等等問題，具體機構尺寸需要進一步分析才能確定。

由于小車不全是沿直線前行的，各輪之間必定會產生一定的速度差。因此后輪可以采用雙輪同步驅動，雙輪差速驅動，單輪驅動。

雙輪同步驅動時輪子會跟地面產生滑移現象，因此滑動摩擦力大于滾動摩擦力，從而導致能量的大量消耗，給小車的前進帶來更多的不定因素，無法正確確定其運動方向，不能有效的躲避障礙。

雙輪差速驅動可以有效避免滑移等問題，差速器和單向節可以對速度進行調節。差速器可以使能耗降低到最小并同時能夠滿足小車前進所需的運動。單向軸承實現差速的原理是速度較大的輪子是從動輪，速度相對較小的輪子為主動輪，并隨著小車的運動進行著交替變換。但由于單向軸承存在行進過程中側向存在一定的間隙，因此在主，從輪在交替變換過程中可能導致運動方向的錯誤，但對小車成體的性能分析沒有太大影響。

單輪驅動是指用一個輪子作為驅動輪，一個輪子為導向輪，另一個輪子作為從動輪。通過輪子與地面之間的約束來實現速度差。其效率比較高，但行進速度不是很穩定，傳動精度很高。

綜上所述行走機構的輪子應有恰當的尺寸，如果有條件可以通過實驗來確定實現差速的機構方案，如果規則允許可以采用單輪驅動。

8 微調機構

一臺完整的機器包括：原動機構、傳動機構、執行機構、控制部分、輔助設備。微調機構是小車的控制部分。由于前面確定了轉向采用曲柄導桿機構方案，由于存在加工誤差等因素，因此就必須加上微調機構，對誤差進行修正。這是采用微調機構的原因之一，其二是為了調整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優的軌跡。

9 總結

通過對車架，原動機構，傳動機構，轉向機構，行走機構，微調機構的設計來實現無碳小車的行走及避障功能。對無碳小車材料的精心的選擇，選擇一些較輕的材料的減少無碳小車的負重，使無碳小車更加輕便，更容易躲過障礙，可以使無碳小車的性能更加優越。

參考文獻

[1]徐巖，佟岳軍，陳彥國.自動繞障無碳小車的設計[J].現代企業教育，2012（21）.

[2]張燦，林國帥，巫梁峰.電動輪起動控制系統使用分析[J].企業導報，2013（03）.endprint

摘 要 基于無碳小車的越障要求，設計一輛無碳小車，在設計、工藝、成本分析和工程管理等方面進行優化設計，通過給予一定的重力勢能，依據能量轉換的原理，將重力勢能轉換為動能等機械能來驅動小車行進。

關鍵詞 無碳小車；機械能轉換；避障；工藝；成本分析

中圖分類號：TH22 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0014-03

1 小車總體設計目標

依據能量轉換原理，給定重力勢能，設計一套可將該鉛垂的重力勢能轉換為小車動能等機械能來驅動小車行進的裝置。并且應使該小車在行進過程中能夠自動避開道路上設置的障礙物。

設定給定重力勢能，通過鉛垂下降來獲得，鉛垂下落后，而且必須同小車一起運動，不允許掉落。

要求小車行進過程中完成的所有行動所需的能量均由此重力勢能轉換得到，不得使用任何其他形式的能量。

2 方案設計

通過對小車的功能分析小車需要完成重力勢能的轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。為了方便設計這里根據小車所要完成的功能將小車劃分為六個部分進行模塊化設計（車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構）。為了得到令人滿意方案，采用擴展性思維設計每一個模塊，尋求多種可行的方案和構思。

在選擇方案時應綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時盡量避免直接決策，減少決策時的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優。

3 車架

車架既不能做得太大，又不能做的太小。太大了，車轉向不太容易控制；車架太小，小車不穩定，重塊的平衡不易控制，在運行過程中，可能會出現傾倒。車架要做的盡量輕，牢固，剛度要強，在重物的壓力下變形小。

要做的輕，材料成本低且易加工，車架可選擇木材加工成三角底板式，也可選擇鋁制成骨架式。

4 原動機構

原動機構的作用是將鉛垂的重力勢能轉化為使小車行走的動能。多種方案都可以是實現這一功能，繩輪在效率和方便性方面是最佳的方案。如果規則允許，采用滑輪組來將重物的重力勢能轉換為小車的動能，可以起到省力費距離的作用。按照圖三所示的繞法，只需一個動滑輪，小車下落0.5 m，用兩個動滑輪，線可伸長1 m。線的一端繞在后車軸上，為后輪提供轉矩，作為后輪的動力。

小車對原動機構的其他具體要求有：

1）驅動力的大小應合適，不可使小車在轉彎時因速度過大而產生側翻或由于鉛垂的晃動影響小車的前行。

2）在小車前進過程中，鉛垂在豎直方向的速度應盡可能小，避免小車由于此速度產生劇烈晃動。同時使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動能未釋放，能量利用率不高。

3）因為不同的路面的摩擦系數不一樣，所以在不同的路面小車所需的驅動力也不相同。在調試時也不知道多大的驅動力恰到好處。因此原動機構還需要能根據不同的需要調整其驅動力。

4）機構簡單，效率高。

5）盡可能考慮儲能機構，如：發條儲能。

基于以上分析我們提出了輸出驅動力可調的繩輪式原動機構的初想圖，如下圖。

5 傳動機構

傳動機構的功能是傳遞運動和驅動力。要使小車沿正確的路線前進并且前進的更遠，傳動機構必須簡潔，穩定。

1）不再用其他的傳動機構，直接通過動力軸輸出動力，此種方法結構簡單，效率高。

2）齒輪的各項性能指標都很高，但是價格較高。此輪傳動也可作為備選傳動方案。

3）傳動機構如果采用齒輪形式還可考慮將飛輪和減速齒輪等機構結合，這樣可以起到更好的儲能作用。

6 轉向機構

用曲柄導桿機構可以控制車輛的轉向，曲柄周期性的轉動，導桿也會周期性擺動，從而搖塊也會周期性轉動，前輪和搖塊連為一體，因而可也周期性轉向。曲柄與車軸之間用齒輪連接，滿足一定的傳動比，使曲柄轉一周，小車也行駛一個周期，繞過兩個障礙物。小車的運動軌跡，轉向裝置中的曲柄導桿機構，如下2個圖所示。

小車的運動軌跡

轉向裝置中的曲柄導桿機構

7 行走機構

行走機構設計為三個輪子，不考慮輪子的選材。

由力學的相關知識可知摩擦力矩與正壓力的關系為相同材料的值相同。

而滾動摩擦阻力，所以輪子的尺寸與所受的阻力成反比，因此小車可以行走的更遠。但由于制造，材料，安裝，調試等等問題，具體機構尺寸需要進一步分析才能確定。

由于小車不全是沿直線前行的，各輪之間必定會產生一定的速度差。因此后輪可以采用雙輪同步驅動，雙輪差速驅動，單輪驅動。

雙輪同步驅動時輪子會跟地面產生滑移現象，因此滑動摩擦力大于滾動摩擦力，從而導致能量的大量消耗，給小車的前進帶來更多的不定因素，無法正確確定其運動方向，不能有效的躲避障礙。

雙輪差速驅動可以有效避免滑移等問題，差速器和單向節可以對速度進行調節。差速器可以使能耗降低到最小并同時能夠滿足小車前進所需的運動。單向軸承實現差速的原理是速度較大的輪子是從動輪，速度相對較小的輪子為主動輪，并隨著小車的運動進行著交替變換。但由于單向軸承存在行進過程中側向存在一定的間隙，因此在主，從輪在交替變換過程中可能導致運動方向的錯誤，但對小車成體的性能分析沒有太大影響。

單輪驅動是指用一個輪子作為驅動輪，一個輪子為導向輪，另一個輪子作為從動輪。通過輪子與地面之間的約束來實現速度差。其效率比較高，但行進速度不是很穩定，傳動精度很高。

綜上所述行走機構的輪子應有恰當的尺寸，如果有條件可以通過實驗來確定實現差速的機構方案，如果規則允許可以采用單輪驅動。

8 微調機構

一臺完整的機器包括：原動機構、傳動機構、執行機構、控制部分、輔助設備。微調機構是小車的控制部分。由于前面確定了轉向采用曲柄導桿機構方案，由于存在加工誤差等因素，因此就必須加上微調機構，對誤差進行修正。這是采用微調機構的原因之一，其二是為了調整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優的軌跡。

9 總結

通過對車架，原動機構，傳動機構，轉向機構，行走機構，微調機構的設計來實現無碳小車的行走及避障功能。對無碳小車材料的精心的選擇，選擇一些較輕的材料的減少無碳小車的負重，使無碳小車更加輕便，更容易躲過障礙，可以使無碳小車的性能更加優越。

參考文獻

[1]徐巖，佟岳軍，陳彥國.自動繞障無碳小車的設計[J].現代企業教育，2012（21）.

[2]張燦，林國帥，巫梁峰.電動輪起動控制系統使用分析[J].企業導報，2013（03）.endprint