姜帥琦

摘 要 基于無(wú)碳小車的越障要求，設(shè)計(jì)一輛無(wú)碳小車，在設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)給予一定的重力勢(shì)能，依據(jù)能量轉(zhuǎn)換的原理，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能等機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)。

關(guān)鍵詞 無(wú)碳小車；機(jī)械能轉(zhuǎn)換；避障；工藝；成本分析

中圖分類號(hào)：TH22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0014-03

1 小車總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

依據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，給定重力勢(shì)能，設(shè)計(jì)一套可將該鉛垂的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車動(dòng)能等機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)的裝置。并且應(yīng)使該小車在行進(jìn)過(guò)程中能夠自動(dòng)避開道路上設(shè)置的障礙物。

設(shè)定給定重力勢(shì)能，通過(guò)鉛垂下降來(lái)獲得，鉛垂下落后，而且必須同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。

要求小車行進(jìn)過(guò)程中完成的所有行動(dòng)所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換得到，不得使用任何其他形式的能量。

2 方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為六個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。

在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。

3 車架

車架既不能做得太大，又不能做的太小。太大了，車轉(zhuǎn)向不太容易控制；車架太小，小車不穩(wěn)定，重塊的平衡不易控制，在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)傾倒。車架要做的盡量輕，牢固，剛度要強(qiáng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將鉛垂的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為使小車行走的動(dòng)能。多種方案都可以是實(shí)現(xiàn)這一功能，繩輪在效率和方便性方面是最佳的方案。如果規(guī)則允許，采用滑輪組來(lái)將重物的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車的動(dòng)能，可以起到省力費(fèi)距離的作用。按照?qǐng)D三所示的繞法，只需一個(gè)動(dòng)滑輪，小車下落0.5 m，用兩個(gè)動(dòng)滑輪，線可伸長(zhǎng)1 m。線的一端繞在后車軸上，為后輪提供轉(zhuǎn)矩，作為后輪的動(dòng)力。

小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的其他具體要求有：

1）驅(qū)動(dòng)力的大小應(yīng)合適，不可使小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)因速度過(guò)大而產(chǎn)生側(cè)翻或由于鉛垂的晃動(dòng)影響小車的前行。

2）在小車前進(jìn)過(guò)程中，鉛垂在豎直方向的速度應(yīng)盡可能小，避免小車由于此速度產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。

3）因?yàn)椴煌穆访娴哪Σ料禂?shù)不一樣，所以在不同的路面小車所需的驅(qū)動(dòng)力也不相同。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。

4）機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

5）盡可能考慮儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，如：發(fā)條儲(chǔ)能。

基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)的初想圖，如下圖。

5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是傳遞運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力。要使小車沿正確的路線前進(jìn)并且前進(jìn)的更遠(yuǎn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定。

1）不再用其他的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接通過(guò)動(dòng)力軸輸出動(dòng)力，此種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

2）齒輪的各項(xiàng)性能指標(biāo)都很高，但是價(jià)格較高。此輪傳動(dòng)也可作為備選傳動(dòng)方案。

3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如果采用齒輪形式還可考慮將飛輪和減速齒輪等機(jī)構(gòu)結(jié)合，這樣可以起到更好的儲(chǔ)能作用。

6 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可以控制車輛的轉(zhuǎn)向，曲柄周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)桿也會(huì)周期性擺動(dòng)，從而搖塊也會(huì)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪和搖塊連為一體，因而可也周期性轉(zhuǎn)向。曲柄與車軸之間用齒輪連接，滿足一定的傳動(dòng)比，使曲柄轉(zhuǎn)一周，小車也行駛一個(gè)周期，繞過(guò)兩個(gè)障礙物。小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，轉(zhuǎn)向裝置中的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如下2個(gè)圖所示。

小車的運(yùn)動(dòng)軌跡

轉(zhuǎn)向裝置中的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

7 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為三個(gè)輪子，不考慮輪子的選材。

由力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為相同材料的值相同。

而滾動(dòng)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(yuǎn)。但由于制造，材料，安裝，調(diào)試等等問(wèn)題，具體機(jī)構(gòu)尺寸需要進(jìn)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(huì)產(chǎn)生一定的速度差。因此后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。

雙輪同步驅(qū)動(dòng)時(shí)輪子會(huì)跟地面產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，因此滑動(dòng)摩擦力大于滾動(dòng)摩擦力，從而導(dǎo)致能量的大量消耗，給小車的前進(jìn)帶來(lái)更多的不定因素，無(wú)法正確確定其運(yùn)動(dòng)方向，不能有效的躲避障礙。

雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以有效避免滑移等問(wèn)題，差速器和單向節(jié)可以對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。差速器可以使能耗降低到最小并同時(shí)能夠滿足小車前進(jìn)所需的運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是速度較大的輪子是從動(dòng)輪，速度相對(duì)較小的輪子為主動(dòng)輪，并隨著小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行著交替變換。但由于單向軸承存在行進(jìn)過(guò)程中側(cè)向存在一定的間隙，因此在主，從輪在交替變換過(guò)程中可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向的錯(cuò)誤，但對(duì)小車成體的性能分析沒有太大影響。

單輪驅(qū)動(dòng)是指用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)輪子為導(dǎo)向輪，另一個(gè)輪子作為從動(dòng)輪。通過(guò)輪子與地面之間的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)速度差。其效率比較高，但行進(jìn)速度不是很穩(wěn)定，傳動(dòng)精度很高。

綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，如果有條件可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動(dòng)。

8 微調(diào)機(jī)構(gòu)

一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)方案，由于存在加工誤差等因素，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。

9 總結(jié)

通過(guò)對(duì)車架，原動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車的行走及避障功能。對(duì)無(wú)碳小車材料的精心的選擇，選擇一些較輕的材料的減少無(wú)碳小車的負(fù)重，使無(wú)碳小車更加輕便，更容易躲過(guò)障礙，可以使無(wú)碳小車的性能更加優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)

[1]徐巖，佟岳軍，陳彥國(guó).自動(dòng)繞障無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2012（21）.

[2]張燦，林國(guó)帥，巫梁峰.電動(dòng)輪起動(dòng)控制系統(tǒng)使用分析[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2013（03）.endprint

摘 要 基于無(wú)碳小車的越障要求，設(shè)計(jì)一輛無(wú)碳小車，在設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)給予一定的重力勢(shì)能，依據(jù)能量轉(zhuǎn)換的原理，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能等機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)。

關(guān)鍵詞 無(wú)碳小車；機(jī)械能轉(zhuǎn)換；避障；工藝；成本分析

中圖分類號(hào)：TH22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0014-03

1 小車總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

依據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，給定重力勢(shì)能，設(shè)計(jì)一套可將該鉛垂的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車動(dòng)能等機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)的裝置。并且應(yīng)使該小車在行進(jìn)過(guò)程中能夠自動(dòng)避開道路上設(shè)置的障礙物。

設(shè)定給定重力勢(shì)能，通過(guò)鉛垂下降來(lái)獲得，鉛垂下落后，而且必須同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。

要求小車行進(jìn)過(guò)程中完成的所有行動(dòng)所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換得到，不得使用任何其他形式的能量。

2 方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為六個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。

在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。

3 車架

車架既不能做得太大，又不能做的太小。太大了，車轉(zhuǎn)向不太容易控制；車架太小，小車不穩(wěn)定，重塊的平衡不易控制，在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)傾倒。車架要做的盡量輕，牢固，剛度要強(qiáng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將鉛垂的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為使小車行走的動(dòng)能。多種方案都可以是實(shí)現(xiàn)這一功能，繩輪在效率和方便性方面是最佳的方案。如果規(guī)則允許，采用滑輪組來(lái)將重物的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車的動(dòng)能，可以起到省力費(fèi)距離的作用。按照?qǐng)D三所示的繞法，只需一個(gè)動(dòng)滑輪，小車下落0.5 m，用兩個(gè)動(dòng)滑輪，線可伸長(zhǎng)1 m。線的一端繞在后車軸上，為后輪提供轉(zhuǎn)矩，作為后輪的動(dòng)力。

小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的其他具體要求有：

1）驅(qū)動(dòng)力的大小應(yīng)合適，不可使小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)因速度過(guò)大而產(chǎn)生側(cè)翻或由于鉛垂的晃動(dòng)影響小車的前行。

2）在小車前進(jìn)過(guò)程中，鉛垂在豎直方向的速度應(yīng)盡可能小，避免小車由于此速度產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。

3）因?yàn)椴煌穆访娴哪Σ料禂?shù)不一樣，所以在不同的路面小車所需的驅(qū)動(dòng)力也不相同。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。

4）機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

5）盡可能考慮儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，如：發(fā)條儲(chǔ)能。

基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)的初想圖，如下圖。

5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是傳遞運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力。要使小車沿正確的路線前進(jìn)并且前進(jìn)的更遠(yuǎn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定。

1）不再用其他的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接通過(guò)動(dòng)力軸輸出動(dòng)力，此種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

2）齒輪的各項(xiàng)性能指標(biāo)都很高，但是價(jià)格較高。此輪傳動(dòng)也可作為備選傳動(dòng)方案。

3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如果采用齒輪形式還可考慮將飛輪和減速齒輪等機(jī)構(gòu)結(jié)合，這樣可以起到更好的儲(chǔ)能作用。

6 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可以控制車輛的轉(zhuǎn)向，曲柄周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)桿也會(huì)周期性擺動(dòng)，從而搖塊也會(huì)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪和搖塊連為一體，因而可也周期性轉(zhuǎn)向。曲柄與車軸之間用齒輪連接，滿足一定的傳動(dòng)比，使曲柄轉(zhuǎn)一周，小車也行駛一個(gè)周期，繞過(guò)兩個(gè)障礙物。小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，轉(zhuǎn)向裝置中的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如下2個(gè)圖所示。

小車的運(yùn)動(dòng)軌跡

轉(zhuǎn)向裝置中的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

7 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為三個(gè)輪子，不考慮輪子的選材。

由力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為相同材料的值相同。

而滾動(dòng)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(yuǎn)。但由于制造，材料，安裝，調(diào)試等等問(wèn)題，具體機(jī)構(gòu)尺寸需要進(jìn)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(huì)產(chǎn)生一定的速度差。因此后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。

雙輪同步驅(qū)動(dòng)時(shí)輪子會(huì)跟地面產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，因此滑動(dòng)摩擦力大于滾動(dòng)摩擦力，從而導(dǎo)致能量的大量消耗，給小車的前進(jìn)帶來(lái)更多的不定因素，無(wú)法正確確定其運(yùn)動(dòng)方向，不能有效的躲避障礙。

雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以有效避免滑移等問(wèn)題，差速器和單向節(jié)可以對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。差速器可以使能耗降低到最小并同時(shí)能夠滿足小車前進(jìn)所需的運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是速度較大的輪子是從動(dòng)輪，速度相對(duì)較小的輪子為主動(dòng)輪，并隨著小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行著交替變換。但由于單向軸承存在行進(jìn)過(guò)程中側(cè)向存在一定的間隙，因此在主，從輪在交替變換過(guò)程中可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向的錯(cuò)誤，但對(duì)小車成體的性能分析沒有太大影響。

單輪驅(qū)動(dòng)是指用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)輪子為導(dǎo)向輪，另一個(gè)輪子作為從動(dòng)輪。通過(guò)輪子與地面之間的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)速度差。其效率比較高，但行進(jìn)速度不是很穩(wěn)定，傳動(dòng)精度很高。

綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽纾绻袟l件可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動(dòng)。

8 微調(diào)機(jī)構(gòu)

一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)方案，由于存在加工誤差等因素，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。

9 總結(jié)

通過(guò)對(duì)車架，原動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車的行走及避障功能。對(duì)無(wú)碳小車材料的精心的選擇，選擇一些較輕的材料的減少無(wú)碳小車的負(fù)重，使無(wú)碳小車更加輕便，更容易躲過(guò)障礙，可以使無(wú)碳小車的性能更加優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)

[1]徐巖，佟岳軍，陳彥國(guó).自動(dòng)繞障無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2012（21）.

[2]張燦，林國(guó)帥，巫梁峰.電動(dòng)輪起動(dòng)控制系統(tǒng)使用分析[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2013（03）.endprint

摘 要 基于無(wú)碳小車的越障要求，設(shè)計(jì)一輛無(wú)碳小車，在設(shè)計(jì)、工藝、成本分析和工程管理等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)給予一定的重力勢(shì)能，依據(jù)能量轉(zhuǎn)換的原理，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能等機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)。

關(guān)鍵詞 無(wú)碳小車；機(jī)械能轉(zhuǎn)換；避障；工藝；成本分析

中圖分類號(hào)：TH22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）10-0014-03

1 小車總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

依據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，給定重力勢(shì)能，設(shè)計(jì)一套可將該鉛垂的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車動(dòng)能等機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)的裝置。并且應(yīng)使該小車在行進(jìn)過(guò)程中能夠自動(dòng)避開道路上設(shè)置的障礙物。

設(shè)定給定重力勢(shì)能，通過(guò)鉛垂下降來(lái)獲得，鉛垂下落后，而且必須同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。

要求小車行進(jìn)過(guò)程中完成的所有行動(dòng)所需的能量均由此重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換得到，不得使用任何其他形式的能量。

2 方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)小車的功能分析小車需要完成重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)自身行走、自動(dòng)避開障礙物。為了方便設(shè)計(jì)這里根據(jù)小車所要完成的功能將小車劃分為六個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)）。為了得到令人滿意方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊，尋求多種可行的方案和構(gòu)思。

在選擇方案時(shí)應(yīng)綜合考慮功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同時(shí)盡量避免直接決策，減少?zèng)Q策時(shí)的主觀因素，使得選擇的方案能夠綜合最優(yōu)。

3 車架

車架既不能做得太大，又不能做的太小。太大了，車轉(zhuǎn)向不太容易控制；車架太小，小車不穩(wěn)定，重塊的平衡不易控制，在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)傾倒。車架要做的盡量輕，牢固，剛度要強(qiáng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將鉛垂的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為使小車行走的動(dòng)能。多種方案都可以是實(shí)現(xiàn)這一功能，繩輪在效率和方便性方面是最佳的方案。如果規(guī)則允許，采用滑輪組來(lái)將重物的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車的動(dòng)能，可以起到省力費(fèi)距離的作用。按照?qǐng)D三所示的繞法，只需一個(gè)動(dòng)滑輪，小車下落0.5 m，用兩個(gè)動(dòng)滑輪，線可伸長(zhǎng)1 m。線的一端繞在后車軸上，為后輪提供轉(zhuǎn)矩，作為后輪的動(dòng)力。

小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)的其他具體要求有：

1）驅(qū)動(dòng)力的大小應(yīng)合適，不可使小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)因速度過(guò)大而產(chǎn)生側(cè)翻或由于鉛垂的晃動(dòng)影響小車的前行。

2）在小車前進(jìn)過(guò)程中，鉛垂在豎直方向的速度應(yīng)盡可能小，避免小車由于此速度產(chǎn)生劇烈晃動(dòng)。同時(shí)使重塊的動(dòng)能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)上，如果重塊豎直方向的速度較大，重塊本身還有較多動(dòng)能未釋放，能量利用率不高。

3）因?yàn)椴煌穆访娴哪Σ料禂?shù)不一樣，所以在不同的路面小車所需的驅(qū)動(dòng)力也不相同。在調(diào)試時(shí)也不知道多大的驅(qū)動(dòng)力恰到好處。因此原動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力。

4）機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

5）盡可能考慮儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，如：發(fā)條儲(chǔ)能。

基于以上分析我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)的初想圖，如下圖。

5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是傳遞運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力。要使小車沿正確的路線前進(jìn)并且前進(jìn)的更遠(yuǎn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定。

1）不再用其他的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接通過(guò)動(dòng)力軸輸出動(dòng)力，此種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

2）齒輪的各項(xiàng)性能指標(biāo)都很高，但是價(jià)格較高。此輪傳動(dòng)也可作為備選傳動(dòng)方案。

3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如果采用齒輪形式還可考慮將飛輪和減速齒輪等機(jī)構(gòu)結(jié)合，這樣可以起到更好的儲(chǔ)能作用。

6 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可以控制車輛的轉(zhuǎn)向，曲柄周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)桿也會(huì)周期性擺動(dòng)，從而搖塊也會(huì)周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪和搖塊連為一體，因而可也周期性轉(zhuǎn)向。曲柄與車軸之間用齒輪連接，滿足一定的傳動(dòng)比，使曲柄轉(zhuǎn)一周，小車也行駛一個(gè)周期，繞過(guò)兩個(gè)障礙物。小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，轉(zhuǎn)向裝置中的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如下2個(gè)圖所示。

小車的運(yùn)動(dòng)軌跡

轉(zhuǎn)向裝置中的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

7 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為三個(gè)輪子，不考慮輪子的選材。

由力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為相同材料的值相同。

而滾動(dòng)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(yuǎn)。但由于制造，材料，安裝，調(diào)試等等問(wèn)題，具體機(jī)構(gòu)尺寸需要進(jìn)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(huì)產(chǎn)生一定的速度差。因此后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)。

雙輪同步驅(qū)動(dòng)時(shí)輪子會(huì)跟地面產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，因此滑動(dòng)摩擦力大于滾動(dòng)摩擦力，從而導(dǎo)致能量的大量消耗，給小車的前進(jìn)帶來(lái)更多的不定因素，無(wú)法正確確定其運(yùn)動(dòng)方向，不能有效的躲避障礙。

雙輪差速驅(qū)動(dòng)可以有效避免滑移等問(wèn)題，差速器和單向節(jié)可以對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。差速器可以使能耗降低到最小并同時(shí)能夠滿足小車前進(jìn)所需的運(yùn)動(dòng)。單向軸承實(shí)現(xiàn)差速的原理是速度較大的輪子是從動(dòng)輪，速度相對(duì)較小的輪子為主動(dòng)輪，并隨著小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行著交替變換。但由于單向軸承存在行進(jìn)過(guò)程中側(cè)向存在一定的間隙，因此在主，從輪在交替變換過(guò)程中可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向的錯(cuò)誤，但對(duì)小車成體的性能分析沒有太大影響。

單輪驅(qū)動(dòng)是指用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)輪子為導(dǎo)向輪，另一個(gè)輪子作為從動(dòng)輪。通過(guò)輪子與地面之間的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)速度差。其效率比較高，但行進(jìn)速度不是很穩(wěn)定，傳動(dòng)精度很高。

綜上所述行走機(jī)構(gòu)的輪子應(yīng)有恰當(dāng)?shù)某叽?，如果有條件可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定實(shí)現(xiàn)差速的機(jī)構(gòu)方案，如果規(guī)則允許可以采用單輪驅(qū)動(dòng)。

8 微調(diào)機(jī)構(gòu)

一臺(tái)完整的機(jī)器包括：原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備。微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)方案，由于存在加工誤差等因素，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡（幅值，周期，方向等），使小車走一條最優(yōu)的軌跡。

9 總結(jié)

通過(guò)對(duì)車架，原動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車的行走及避障功能。對(duì)無(wú)碳小車材料的精心的選擇，選擇一些較輕的材料的減少無(wú)碳小車的負(fù)重，使無(wú)碳小車更加輕便，更容易躲過(guò)障礙，可以使無(wú)碳小車的性能更加優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)

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