“无碳小车”机械结构的创新性设计及仿真分析

    0 引言

    低碳环保已经成为当代发展的重要问题之一。本文基于第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的主题一“无碳小车越障竞赛”，对原有小车进行创新和改进，设计出一种能够实现s型轨迹行走的新型无碳小车Ill。根据能量转换原理，所设计的小车其行走的动能通过砝码垂直下降获得，小车需沿着固定距离的圆棒型障碍物按照s型轨迹前进，直至自行停止完成一次避障行走。应用进行三维建模及轨迹路径仿真分析，并验证小车的稳定性，提高小车的能量转化效率，解决了小车双轮驱动过程中的差速问题。同时培养了大学生的环保创新意识，为绿色节能环保的工作做出贡献。

    l 无碳小车设计要求及方案

    应用能量转换原理，设计一种由重力势能转换为动能的无碳小车，应满足如下设计要求：1)驱动小车行走及转向的能量由质量为lkg的标准砝码(φ50x65mm，普通碳钢)下落获得，标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落；2)小车应具有可调节的转向控制机构，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地；3)小车车体采用三轮结构，应具有足够的刚度和强度，降低小车行走过程中的振动。

    在满足设计要求的前提下，整体外形设计成等腰三角形结构，其整体结构如图1所示。

    小车机构的设计方案为：1)驱动机构。通过定滑轮转动带动前轮驱动轴旋转，从而驱动车轮行走。驱动轮采用单轮驱动的方式解决双轮驱动存在的差速问题。2)增程机构。应用l：10的定滑轮组作为绕线轮，降低机构复杂性，提高能量转化效率。3)转向机构。应用同步齿形带传动机构、曲柄滑块机构及齿轮齿条传动机构相结合实现小车后轮的精确导向。4)微调机构。由小车所行走的杆距调整机构和前轮摆角微调机构组成。

    2 关键性机构设计

    2.1 驱动机构

    无碳小车是依靠重力势能转化为动能驱动小车行走，表1为三轮小车驱动机构日的设计方案设计如下：通过对比，选择方案3单轮驱动前置、双轮转向后置作为小车的驱动机构，以满足力矩损耗程度较低和机构复杂程度较小等要求。

    2.2 增程机构

    无碳小车动能来源于砝码重力势能，为了在充分利用有限能量的同时尽可能增加小车的行走距离，需设计小车增程机构。表2为4种增程机构设计方案。