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1、重庆大学工程训练综合能力竞赛无碳小车设计方案1摘要本作品是依据竞赛命题主题“无碳小车”提出一种“无碳”方法，带动小 车运行，即给定一定重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转 化为机械能并用来驱动小车行走的装置。该小车通过微调装置，能够实现自动走 “8”字及直线绕障。此模型最大的特点是通过两个不完全齿轮驱动前轮摆动， 进行可调整的周期性摆动，使前轮的摆动节拍具有可调性。本文将对无碳小车的 设计过程，功能结构特点等进行详细介绍。并介绍创新点。2引言随着社会科技的发展，人们的生活水平的提高，无碳对于人们来说，显得越 来越重要，建设无碳社会，使得生活更加的环保，没有任何的污染。节能、环
2、保、方便、经济，是现代社会所提倡的。现在许多发达国家都把无碳技术运用到 各个领域，像交通，家具等，这也是我国当今所要求以及努力的方向。针对目前 这一现状，我们设计了无碳小车模型，用重力势能转化为机械能提供了一种全新 的思路，以便更好的解决以上问题。3目的本作品设计的目的是围绕命题主题“无碳小车”即不利用有碳资源，根据 能量转化原理，利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车模型。这种模型 比较轻巧，结构相对的简单，能够成功的将重力势能转化为小车的动能，从而完 成小车前行过程中的所有动作。4工作原理和设计理论推导4.1总体结构无碳小车模型的主要机构有驱动机构、转向机构、行走机构及微调机构。主 要
3、部件如下图的小车整体模型4.2 设计理念及说明4.2.1 无碳小车模块机构介绍驱动机构：本方案采用绳轮作为驱动力转换机构。我们采用了梯形轮使能量转化过程中 有更合适的转矩使驱动力适中，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。同时做到了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，提高了能量利用率。绳轮机构简单，传动效率高，且在针对不同 场地导致的所需动力不同的情况，可通过调节绕绳位置来改变转矩，使动力改变， 增强适应性。 转向机构：如图，本方案采用了摇杆加两个完全相同的不完全齿轮，实现可变周期性转 向。考虑到摩擦、制造、安装误差的敏感性等因素，我们最终选用了摇
4、杆加 不完全齿轮的方案。考虑到适应场地的需求，我们将原来的一个不完全齿轮改为两个，实现了不完全齿角度差的可调性。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-a对于相同的材料 为一定值。而滚动摩擦阻力 ，f M N -aR R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。对于后轮可以采用 双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。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
5、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。双轮差速驱动可以避免双轮同步驱动出现的问题，可以通过差速器或单 向轴承来实现差速。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。单向轴承实现差速的原理是但其中一个轮子速度 较大时便成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着。但由 于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确 但影响有多大会不会影响小车的功能还需进一步分析。单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，一个为导向轮，另一个为从动 轮。就如一辆自行车外加一个车轮一样。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地 面的
6、运动约束确定的。其效率比利用差速器高，但前进速度不如差速器稳定， 传动精度比利用单向轴承高。双轮差速和单轮驱动在直线绕障和 8 字绕障中都是可行的，但是相比之 下，双轮差速适合于直线绕障，而单轮驱动更加适合于8 字绕障。单轮驱动 时，8 字绕障运动轨迹当主动轮为内侧时，运动半径较大。最后的运动轨迹 不是两等半径圆相切，而是一大一小两圆相切。 综上所述行走机构的轮子应有恰当的尺寸，采用单轮驱动。如果有条件可以 通过实验来确定实现差速的机构方案。 微调机构：微调部分所要实现的功能分为两个部分：一是实现前轮最大转角a m的变化， 二是实现转动周期的变化。根据所要实现的功能不同，微调机构也位于两个 部
7、分。（1） 摇杆微调机构 通过改变摇杆的长度，使被约束杆的摆动幅度增大，进而使前轮的最 大转角am发生改变。为了使am的改变具有连续性，使小车可以适 应更复杂的环境，此处采用微调滑块（配有螺母紧固滑块）式机构。其调节具有连续性，且调节精度较高。(2)不完全齿轮微调机构上文也指出，本方案采用了两个完全相同的不完全齿轮作为主动轮， 两不完全齿轮之间有夹角B,此夹角的变化会造成两不完全齿轮对从 动轮的作用时间间隔发生改变，即：从动轮做时停时转的间歇运动， 而停、转的时间长度发生改变。通过这一点可以调节行走路线中，长 度路径和转弯路径的长度。通过两个微调机构的合理配合，基本可以实际行走任意路径。4.2
8、.2无碳小车设计的理论指导运动原理：如上图所示，重物下降时带动绳轮的转动，绳轮的转动带动轮的转动， 通过线传动驱动转盘的转动，再通过连杆将转盘周期性的转动转化为前 轮的摆动。由后轮的直线运动与前轮的摆动运动结合一起，从而实现了 近似正弦曲线的运动轨迹，完成任务。 尺寸指导与分析：通过调节微调装置，即：两不完全齿轮角度配合，及微调滑块的位v 二 r后轮 后轮后轮v 二 rWith 2 greengreen greenv 二 rpurplepurple purplev = rblueblue blue二Bgreenand 2 v = vgreenpurple 二purplebluev =3 rB
9、B Bv=3rgreen green greenv =3 rblue blue bluev = 3 ryellow yellow yellow3 =3Bgreenand 2v= vgreenblue3=3blueyellow假设r已知，8个未知数7个方程，即只有一个自由变量:rrv =purple v后轮 r r bluegreen bluerrK =pu曲记丫greenblue ,则后轮 blue，虽然不一定匀速，但可以对t积分，于是：S 二 K - s后轮blue(0.1)K 的物理意义在于, 后轮与 purple 的地位是等同的,其大小只会影响 最后的精度,而不会影响比例（虽然看上去调整
10、后轮的半径似乎更能影 响轨迹,实质上并非如此,但是的确会影响转的圈数,详见下）Part 2设e*（，兀）,轨迹半径为r ,则直线段长：弧长为 tan0R: G 0）R = tanQ : G 0）6 = -= - 0.826 二 0.453:0.547当 3时，比例为1耳2兀/3设蓝色上有两组锯齿，每走半个a字，蓝色齿轮转了 1圈。另设走直线时记为P1，走弧线时记为P2，S 耳1 半个字中，直线段总长S1，弧线总长S2，即有S21 _nS _ 耳由Part 1的公式，可得s2 1，其中Si,S2是关于蓝色齿轮的弧长。S c 2兀耳r/ blues 2 兀（1 一耳）转 1 圈，可知 S1+ S2
11、 =乃 rblueblue，故 blue可确定其比例，即位置角，同时也可得出rblue的值无本质影响（在KK 后轮-不变的情况下）。又r后轮=K2 Sue （其中2blue），若增加hue的值， 同时成比例增加r后轮的值，使k不变，则K 2不变，所以外轮还是转这么 多圈，相当于成比例放大了。（半个周期里外轮转多少圈在这里无关紧要， 在其它分析里可能有用，反正也可以表出。）由前轮传导等等可以得出蓝色齿轮周长尺寸Sblue，而对应的走半个 g字的路程，”后轮由需要走的实际路程确定（后轮，B二Back），而Sbiue与S后轮之间满足约束关系（0.2），这个K就可以调整了。Part 3关于前轮倾斜角与
12、轨迹半径若设前轮所处点与某一后轮所处点的距离为 L ，则轨迹半径2 sin -2，可以实验测得。经过分析与测定，在实物测定之前，我们可暂定数据如下前后轮轴距L： 150mm后轮轴长D： 100mm后轮半径R： 50mm紫色齿轮半径r: 40mm不完全齿轮半径r : 40mmblue深绿色齿轮半径r: 11mmdarkgreen绿色齿轮半径r: 11mmgreen解稳定性假定轨迹半径 R 在下述讨论中恒定。设1表示直线段所对“圆心角”，兀一2表示弧线所对圆心角，易知， 当1=2时，轨迹是稳定的。注：（r2）是因变量，自变量可以是们，S），前者为分割比，后者为 总长度。记二1一2，称之为偏差角，对
13、于给定的们,S），E也唯一确定。 从而当0时，轨迹相当于在“平移”，平移速度和有关。淹生（1）接下来，要计算偏导数创和丟，分别表示当（“，S）有微小偏 差时的变化情况，其中S和K是正比相关的，因为（0.3）。S = S + S1 2 S = R tan 11 由已知条件IS2二(兀-2)R1 2 =arctan(S / R)11可得 I?二兀-(S 2/ R),2 2QS QS2QgQgQQgQQQQQSQ QS= 1 + 2 = 1 2 = 1 1 -QSQQSQQSQSQSQSQS1 2 1=丄-n+丄(1-n)R 1 + (S / R)2R1111讣一 + 11R R 1 + (S /
14、R)21QgQg QQg QQQQ QS= 1 + 2 = 1 2 = 1 1 QS Qn1Qnq QnQ QnQnQn1 2=-1S +丄(-S)R 1 + (S / R)2R=SR1 + (S / R)2 -11两式中都出现了-11 + (S / R)21广0时，QS最大,创最小;1/2时,Q QS2 2-QS Qn21-1 二-1 二一sin2 1，而 1+(S / R)21+tan2 QS最小，西最大，还不能直接比较。d = R 沁二 R Sin(- - -)cos 14d(2)由图知，每次的偏差d可以由以下公式给出:1cos 1一个-字周期内会偏移 的距离。QdQd接下来，要计算的和桃，dd1dd由W2=coS2 R coS2 1cos( + )=12 RcosCOS i及链式法则:cos( + )厂 0+2 R -2COS0S
