綠色無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王星馳

（江蘇師范大學(xué)，江蘇徐州 221116）

摘 要：由于城市的發(fā)展以及人類對交通出行的需要，如何選擇交通工具成為一個(gè)問題。當(dāng)今幾乎所有的車輛都是以石油產(chǎn)品或者電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對自然資源的需求越來越大，而隨著人類社會的發(fā)展，自然資源逐步減少，如何解決車輛行駛和自然資源之間的矛盾成為當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)以及難題，本文通過設(shè)計(jì)一種無碳小車進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：無碳小車；正弦機(jī)構(gòu)；機(jī)械加工；Matlab；Proe；CAD

中圖分類號：TH211 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0078-02

0 引言

當(dāng)今社會人類活動(dòng)對自然的污染越加嚴(yán)重，尋求清潔能源的行動(dòng)勢在必行。無碳車的概念開始應(yīng)運(yùn)而生。無碳車是一種十分環(huán)保的短途代步工具，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點(diǎn)。無碳車的應(yīng)用和推廣對保護(hù)環(huán)境和人類的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。通過設(shè)計(jì)無碳小車模型，希望可以為無碳小車越障提供一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的新思路。

1 無碳小車設(shè)計(jì)思路

以重力勢能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車作為要求，設(shè)計(jì)一種小車，由給定重力勢能作為能量來源，通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)其行進(jìn)及轉(zhuǎn)向。以此模型來進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，給定重力勢能為4焦耳（g=10m/s2），本設(shè)計(jì)使用質(zhì)量為1Kg的重塊（R25×65mm，普通碳鋼）作垂直下落提供重力勢能，落差取400±2mm，重塊落下期間，必須由小車承載并與小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落，圖1為小車示意簡圖。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車體

對車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括小車底盤，車輪，軸承座等為小車提供安裝固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。使用鋁或亞力克作為車體結(jié)構(gòu)的材料，在設(shè)計(jì)小車底盤的時(shí)候，部分鏤空，為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)留下活動(dòng)空間。

2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是將重塊豎直下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，它的作用是為無碳小車提供所有的能量來源。為了兼顧效率、簡易與經(jīng)濟(jì)，決定采用線輪結(jié)構(gòu)。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是把動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上，所以選定齒輪作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，在繞線軸上安裝的繞線輪纏繞連接重物尼龍線，當(dāng)重物下落時(shí)，拖動(dòng)尼龍線，尼龍線再帶動(dòng)繞線輪，使得繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使主動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，為小車傳遞動(dòng)力，而微調(diào)機(jī)構(gòu)連接軸則是負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳動(dòng)到微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，讓微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠正常工作。

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由兩部分組成，一部分為負(fù)責(zé)提供正弦波的類凸輪部分，而另一部則是將正弦波轉(zhuǎn)化為小車導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向部分。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 小車運(yùn)行分析

方便起見，以左輪為例分析其運(yùn)行軌跡。如圖3建立坐標(biāo)XOY，在一個(gè)軌跡周期內(nèi)，若小車以左輪為驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行在某一位置，砝碼下落的高度為h，易知繞線軸的轉(zhuǎn)角為，車體相對地面的轉(zhuǎn)過的角為，由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳輸特性可得前輪轉(zhuǎn)角。

采用微元法分析，在砝碼下落極小的高度內(nèi)，左輪（內(nèi)側(cè)輪）絕對位移為：

3.2 小車的仿真

通過以驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪三者的軌跡方程為依據(jù)，編寫為matlab程序，進(jìn)行仿真，最終得出較為合理的軌跡函數(shù)圖像，如圖4所示。

4 改進(jìn)方向

（1）加工精度和裝配精度是碳小車改進(jìn)的一個(gè)大方向之一。（2）設(shè)計(jì)性能更加良好的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)，用于提高轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的效率和穩(wěn)定性，提高小車在各種地面的適應(yīng)能力。（3）修改微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使其的轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行于地面，減少重力對微調(diào)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工作時(shí)的影響。（4）在設(shè)計(jì)階段對小車進(jìn)行更多的計(jì)算和仿真。通過更多的計(jì)算和仿真來選擇更好的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，令小車的理論性能得到提高。（5）改進(jìn)機(jī)構(gòu)的配合的合理性。

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