基于无碳小车的优化设计

基于无碳小车的优化设计

作者：姜帅琦

来源：《硅谷》2014年第10期

摘 要 基于无碳小车的越障要求，设计一辆无碳小车，在设计、工艺、成本分析和工程管理等方面进行优化设计，通过给予一定的重力势能，依据能量转换的原理，将重力势能转换为动能等机械能来驱动小车行进。

关键词 无碳小车；机械能转换；避障；工艺；成本分析

中图分类号：TH22 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0014-03 1 小车总体设计目标

依据能量转换原理，给定重力势能，设计一套可将该铅垂的重力势能转换为小车动能等机械能来驱动小车行进的装置。并且应使该小车在行进过程中能够自动避开道路上设置的障碍物。

设定给定重力势能，通过铅垂下降来获得，铅垂下落后，而且必须同小车一起运动，不允许掉落。

要求小车行进过程中完成的所有行动所需的能量均由此重力势能转换得到，不得使用任何其他形式的能量。 2 方案设计

通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为六个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。

在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。 3 车架

车架既不能做得太大，又不能做的太小。太大了，车转向不太容易控制；车架太小，小车不稳定，重块的平衡不易控制，在运行过程中，可能会出现倾倒。车架要做的尽量轻，牢固，刚度要强，在重物的压力下变形小。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

要做的轻，材料成本低且易加工，车架可选择木材加工成三角底板式，也可选择铝制成骨架式。 4 原动机构

原动机构的作用是将铅垂的重力势能转化为使小车行走的动能。多种方案都可以是实现这一功能，绳轮在效率和方便性方面是最佳的方案。如果规则允许，采用滑轮组来将重物的重力势能转换为小车的动能，可以起到省力费距离的作用。按照图三所示的绕法，只需一个动滑轮，小车下落0.5 m，用两个动滑轮，线可伸长1 m。线的一端绕在后车轴上，为后轮提供转矩，作为后轮的动力。

小车对原动机构的其他具体要求有：

1）驱动力的大小应合适，不可使小车在转弯时因速度过大而产生侧翻或由于铅垂的晃动影响小车的前行。

2）在小车前进过程中，铅垂在竖直方向的速度应尽可能小，避免小车由于此速度产生剧烈晃动。同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，如果重块竖直方向的速度较大，重块本身还有较多动能未释放，能量利用率不高。

3）因为不同的路面的摩擦系数不一样，所以在不同的路面小车所需的驱动力也不相同。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。

5）尽可能考虑储能机构，如：发条储能。

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的初想图，如下图。 5 传动机构

传动机构的功能是传递运动和驱动力。要使小车沿正确的路线前进并且前进的更远，传动机构必须简洁，稳定。

1）不再用其他的传动机构，直接通过动力轴输出动力，此种方法结构简单，效率高。 2）齿轮的各项性能指标都很高，但是价格较高。此轮传动也可作为备选传动方案。 3）传动机构如果采用齿轮形式还可考虑将飞轮和减速齿轮等机构结合，这样可以起到更好的储能作用。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

6 转向机构

用曲柄导杆机构可以控制车辆的转向，曲柄周期性的转动，导杆也会周期性摆动，从而摇块也会周期性转动，前轮和摇块连为一体，因而可也周期性转向。曲柄与车轴之间用齿轮连接，满足一定的传动比，使曲柄转一周，小车也行驶一个周期，绕过两个障碍物。小车的运动轨迹，转向装置中的曲柄导杆机构，如下2个图所示。 小车的运动轨迹

转向装置中的曲柄导杆机构 7 行走机构

行走机构设计为三个轮子，不考虑轮子的选材。

由力学的相关知识可知摩擦力矩与正压力的关系为相同材料的值相同。

而滚动摩擦阻力，所以轮子的尺寸与所受的阻力成反比，因此小车可以行走的更远。但由于制造，材料，安装，调试等等问题，具体机构尺寸需要进一步分析才能确定。

由于小车不全是沿直线前行的，各轮之间必定会产生一定的速度差。因此后轮可以采用双轮同步驱动，双轮差速驱动，单轮驱动。

双轮同步驱动时轮子会跟地面产生滑移现象，因此滑动摩擦力大于滚动摩擦力，从而导致能量的大量消耗，给小车的前进带来更多的不定因素，无法正确确定其运动方向，不能有效的躲避障碍。

双轮差速驱动可以有效避免滑移等问题，差速器和单向节可以对速度进行调节。差速器可以使能耗降低到最小并同时能够满足小车前进所需的运动。单向轴承实现差速的原理是速度较大的轮子是从动轮，速度相对较小的轮子为主动轮，并随着小车的运动进行着交替变换。但由于单向轴承存在行进过程中侧向存在一定的间隙，因此在主，从轮在交替变换过程中可能导致运动方向的错误，但对小车成体的性能分析没有太大影响。

单轮驱动是指用一个轮子作为驱动轮，一个轮子为导向轮，另一个轮子作为从动轮。通过轮子与地面之间的约束来实现速度差。其效率比较高，但行进速度不是很稳定，传动精度很高。

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，如果规则允许可以采用单轮驱动。 8 微调机构

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

一台完整的机器包括：原动机构、传动机构、执行机构、控制部分、辅助设备。微调机构是小车的控制部分。由于前面确定了转向采用曲柄导杆机构方案，由于存在加工误差等因素，因此就必须加上微调机构，对误差进行修正。这是采用微调机构的原因之一，其二是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。 9 总结

通过对车架，原动机构，传动机构，转向机构，行走机构，微调机构的设计来实现无碳小车的行走及避障功能。对无碳小车材料的精心的选择，选择一些较轻的材料的减少无碳小车的负重，使无碳小车更加轻便，更容易躲过障碍，可以使无碳小车的性能更加优越。 参考文献

[1]徐岩，佟岳军，陈彦国.自动绕障无碳小车的设计[J].现代企业教育，2012（21）. [2]张灿，林国帅，巫梁峰.电动轮起动控制系统使用分析[J].企业导报，2013（03）.