无碳小车设计方案
S 型无碳小车设计方案
参赛者：李泽亮 唐铖 洪鑫 吴东欣
一 绪论
1.1小车功能设计要求
设计一种小车，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来的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），比赛时统一用质量为1Kg 的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm ，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图。
图1：无碳小车示意图
竞赛小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径20mm 、高200mm 的多个圆棒，沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合定成绩。见图2。
图2：无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图
1.2小车整体设计要求
无碳小车体现了大学生的创新能力，制作加工能力，解决问题的能力。并在
设计过程中需要考虑到材料、加工、制造成本等各方面因素，并且小车具有下列要求：
1.要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。
2.要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。
3.要求小车为三轮结构
4. 小车有效的绕障方法为：小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中且障碍物不被撞倒（擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过）；重复上述动作，直至小车停止。
二 方案设计
2.1车架
车架不用承受很大的力，精度要求低。考虑到重量加工成本等，车架采用铝材加工制作成断开式长方体板，可以利用废材进行加工。
2.2原动机构
原动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对原动机构还有其它的具体要求。
（1）驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。
（2）到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。
（3）由于不同的场地对轮子的摩擦摩擦可能不一样，在不同的场地小车是需要的动力也不一样。在调试时也不知道多大的驱动力恰到好处。因此原动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。
（4）机构简单，效率高。
基于以上分析我们提出了输出驱动力可调的绳轮式原动机构。
如上图可以通过改变绳子绕在不同直径的绳轮上来改变其输出的动力。
2.3传动机构
传动机构的功能是把速度和转矩传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨迹精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。
1. 考虑到小车行走轨迹的精确性，差速器比单轮驱动更准确。
2. 带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点但其效率及传动精度并不高。不适合本小车设计。
3. 齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定但价格较高。因此在第一种方式不能够满足要求的情况下优先考虑使用齿轮传动。
2.4转向机构
转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。我们采用凸轮机构+摇杆的方案。
凸轮：凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便；
缺点：凸轮轮廓加工比较困难。
2.5行走机构
行走机构即为三个轮子，轮子又厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。有摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
M=N⨯δ
对于相同的材δ为一定值。
而滚动摩擦阻力f=M/R=(N⨯δ) ，所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等等具体尺寸需要进一步分析确定。
由于小车是沿着曲线前进的，后轮必定会产生差速。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑，由于滑动摩擦远比滚动摩擦大会损失大量能量，同时小车前进受到过多的约束，无法确定其轨迹，不能够有效避免碰到障碍。而差速器涉及到最小能耗原理，能较好的减少摩擦损耗，同时能够实现满足要运动。
综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，如果有条件可以通过实验来确定实现差速的机构方案。
2.6微调机构
一台完整的机器包括：原动机、传动机、执行机构、控制部分、辅助设备。 微调机构就属于小车的控制部分。小车装配好之后，不允许经常拆装，所以为了调整小车的轨迹（幅值，周期，方向等），使小车走一条最优的轨迹，可通过简单地微调机构予以保证。