8字形無碳小車的設計

李云濤 程攀峰 劉旭鋒 任立新 劉華羿

摘?要：?針對2015年第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽主題為“無碳小車”，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。設計一種小車，該小車特點是：為了小車的綜合運行能力，將小車的重心盡量的降低，使小車運行更加平穩。在小車轉向部分增加指針，方便觀察轉角，準確地對小車進行調整。采用不完全齒輪實現間歇。利用滑塊頂絲使曲柄長度連續可調，從而改變轉角。本設計在實際生活中也會用到，有很好的應用前景。

關鍵詞：8字形;不完全齒輪;單級齒輪驅動;擺動導桿

1.總體分析

采用尼龍線連接重物和原動軸，重物的下降會拉動尼龍線然后帶動原動軸旋轉，從而實現小車的驅動。當重物落到車板上的時候會對車板產生撞擊，造成能量損失。①通過理論分析讓重物的能量盡可能的轉化小車的行進的動能。為了達到這一目的我們需要實現重物下落時的運動規律：由靜止開始加速下落，然后開始勻速下落，最后進入減速階段，以接近速度為零的速度落到車板上。本作品采用錐形軸原動軸，錐形軸可以很好的做到以上運動規律，達到減小能量損失的目的。②根據本大賽的要求，小車需要自動控制其轉彎，為了實現小車的自動轉彎，首先后輪的運動應該傳給轉向機構，然后設計以一種機構實現前輪的間歇行工作。③為了保證小車行駛的距離最遠，必須將不必要的損失降到最小?？梢栽O計出一種機構讓小車在需要轉彎的地方是走弧線，在不需要轉彎的地方走直線。還可以在保證小車正常行駛的情況下將小車打孔，減輕小車的質量。本作品利用重物的重力勢能做能量，通過單級齒輪驅動后輪進行前進;利用不完全齒輪實現間歇;利用擺動導桿實現轉向，從而實現無碳小車的8字形運動。

2.運動軌跡分析

AB、CD階段間歇（細實線），AD、BC階段轉向（粗實線）。小車從D點起車，起車時小車間歇機構處于間歇狀態，小車前輪以一定的擺角行駛，并保持這一狀態由D點運動到C點（細實線），到C點后開始轉向，到B點轉向結束（粗實線），從B點到A點（細實線）小車間歇機構再次進入間歇狀態，小車前輪以一定擺角運動到A點結束，A點到D點（粗實線）小車前輪轉向，到D點后和開始起車一樣，即到此完成一個8字周期。

圖1

3.小車的主要結構

本作品主要由4部分構成，包括原動機構、傳動機構、轉向間歇機構、調節機構，其中原動機構靠重錘的重力勢能工作，原動軸帶動后輪轉動;傳動機構采用單級齒輪傳動;轉向間歇機構由不完全齒輪和擺動導桿構成;調節機構通過調節滑塊來實現。

3.1?原動機構

小車啟動的時候，由于阻力力矩大于驅動力矩，小車很難啟動，為了讓小車正常啟動需要直徑大一點的軸，然后當小車勻速行駛時阻力力矩等于驅動力矩，這時原動軸的直徑需要變細一點，最后小車處于減速階段，此時驅動力矩小于阻力力矩，但是由于慣性重物依然會運動，重物減速落到車板板上，這樣重物接觸車板碰撞產生的能量會很小。本作品設計出錐形軸作為原動機構（如圖2）。

圖2

3.2?傳動機構

傳動機構作為小車很重要的一部分，需要把動力和運動規律傳遞到轉向機構和驅動輪上，本作品為了讓小車行駛的更穩定、更遠，精確的計算出了小車的行進軌跡。并且所用傳動機構的具有效率高、穩定、節省能量等特點。本作品采用單級齒輪傳動并和差速器結合實現了小車的高效傳動，減少不必要的能量損耗。

3.3?轉向間歇機構

3.3.1本作品采用非標準齒輪進行傳動，兩個齒輪相互垂直，將豎直方向上的運動轉化為水平方向。

3.3.2本作品采用不完全齒輪實現小車前輪擺角的固定，結構簡單，制造容易，工作可靠，從動輪的運動時間和靜止時間的比例可在較大。

3.3.3本作品采用的擺動導桿機構實現小車周期性的間歇，并且急回很小，可以保證小車的穩定運行。

3.4?調節機構

對與經過理論計算的機構，加工出來，裝配上之后一定會有誤差產生，小車需要很高的精度，因此調節機構就是一輛優秀的小車不可缺少的機構，對小車產生的誤差進行修正。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，使小車走一條最優的軌跡。調節方法：

3.4.1通過滑塊調節擺桿到旋轉中心的距離，調節小車轉向角度的大小。

3.4.2指針，方便觀察調節范圍，提高調節精度。

4.結語

本作品更加注重實用，通過大量的理論計算，并且結合其它已經取得成功的小車的經驗設計出本作品。根據需要本作品可以由8字向s型轉變：將垂直使用的非標準齒輪換為兩個相互垂直的摩擦輪，將不完全齒輪換為標準齒輪或去掉即可實現8字向s型的轉變。通過調整摩擦輪實現無級變速，再通過調整曲柄長度實現小車的s型軌跡。

參考文獻：

[1]孫恒，陳作模，葛文杰.西北工業大學機械原理及機械零件教研室（第八版）[M].高等教育出版社.

[2]趙長發.機械制造工藝學[M].哈爾濱工程大學出版社.