佘亮 项健 殷建
关键词：S环形;无碳小车;结构设计
无碳小车是一种具有方向控制功能的自行小车，其行走过程中完成的所有动作所需的能量均由给定重力势能转换而得，给定重力势能由质量为1KG的砝码来获得。无碳小车具有转向控制机构，以适应无碳小车不同的运行轨迹。通过给定任务分析可知，无碳小车要完成重力势能转换、驱动车身行走、自动避开障碍物。这里按照要实现功能将无碳小车分为五个模块进行设计：车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构。车架不用承受很大载荷，精度要求不高，主要从重量、加工角度考虑，本文选择铝合金板制作。下面从无碳小车的原动机构、传动机构、转向机构、行走及微调机构几方面重点进行设计。
1“S环形无碳小车的原动机构设计
“s环形”无碳小车在结构设计上，重点考虑原动机构的转换效率，无碳小车的轮子可用不同的形状和材料，无碳小车的原动结构可以选择绳轮式、弹簧储能式以及链轮式等，可供发挥的空间很大，通过分析其摩擦力、重量、能量转化形式和力矩等参数对无碳小车整体的影响，设计出既能走得远又能走得准的绳轮式原动结构，可以使输出力矩更适中、无碳小车运行更平稳，可以让无碳小车尽可能地多绕桩行走。
1.1原动轴的选定
摩擦力矩与正压力的关系如式（1）
假使无碳小车的半径不够大，使得机械能传动效率过低，只有在轮子的半径足够合适的情况下才能使轮子的摩擦力减小，进而使得有效功率变大，使能量损失降到最低。但由于加工精度以及难度、选材、后期装配问题等等，具体尺寸需要综合考虑。
1.2确定主动轮
无碳小车主要靠前轮转向和后轮差速转向完成转弯，并沿着曲线前进，实现两轮差速的方法有：
1.2.1双轮同步驱动
双轮同步驱动主要靠的是两轮线速度不同去完成预定的轨迹，但是由于同步驱动轮子与地面打滑，同时前进过程中约束过多，使得轨迹偏移，完成预定轨迹的可能性不大。
1.2.2雙轮差速驱动
一边轮子过盈配合，一边轮子安装一个轴承的方法去实现差速驱动，差速驱动可使无碳小车转弯的轨迹误差更小，但由于差速器结构较为复杂，在无碳小车上使用需要缩小其尺寸，加工复杂，所以暂不考虑差速器这种结构。
1.2.3单轮驱动
将一个轮子作为驱动轮的方式称为单轮驱动，，其中一个为导向轮，另一个为从动轮。从动轮与导向轮间的差速主要是依靠地面的运动约束不同，使得运动轨迹不同。单轮驱动的效率比差速器高，缺点是运动速度不稳定，传动精度相对于单向轴承来说要更高。
综上所述，单向轴承实现差速是一个性价比高的方案，不仅安装方便，也使无碳小车结构更为简单。当其中一个轮子拐弯半径大的作从动轮，速度较大，处于内径的轮子成为主动轮，这样交替变换。不会产生因为转弯半径过大而导致侧翻的情况。
1.3无碳小车初始力矩
绕线轴为后轮轴，通过砝码下落牵动绕在后轮轴上细线带动后轮轴转动，而无碳小车从静止到运动需要一个较大的初始力矩使小车平稳启动，这就需要考虑绕线轴的半径：太大会浪费细线长度，减少无碳小车的行走距离;太小又无法启动无碳小车。由于绕线轴制作简单，安装方便，所以初始方案是直接将后轮轴作为绕线轴，具体半径可以等试车时再确定。在无碳小车实际试跑时发现不需要绕线轴也可以使无碳小车行走，分析其原因：因为后轮轴原本就具有适中的半径，可以满足启动要求。
2“S环形”无碳小车的传动机构原理与没计
传动机构是把原动机构输出的力矩传递到转向机构和驱动轮式，要使无碳小车行走的距离远、并能按设计轨迹精确运行，传动机构要设计合适的传动比。
2.1传动比
在设计时需要确定传动比以提高行走效率。在确定传动比时要考虑一下几点：
1）无碳小车驱动轴与转向轮之间需要一定距离，太近会使重锤无法安装，也会使小车重心不稳，所以既保证小车能稳定行走不易倒，也要保证能够走出较远距离。
2）无碳小车后轮半径要适中，太小会浪费距离，无碳小车走不远。
3）传动比尽量大。因为“s环”周期大，但也要考虑制造装配难度。所以采用二级传动，后轮轴作为原动轴，保证行进平稳，中间齿为过度齿，既保证驱动轴与前轮拉开距离，也满足了传动比的要求。经过Matlab仿真“确定传动比为1：16，最终无碳小车的轨迹，如图1。
2.2传动方式
传动机构主要是将重物下落过程中的动能传递给车轮部分。为提高传动效率，传动步骤越少越好。比较几种传动方案后，高精度的齿轮啮合传递动力效率较高，动力传递稳定，能够很好地满足无碳小车运行的需要。
无碳小车整体传动系统示意图，如图2所示。无碳小车总的重力势能由重锤下落提供，保持恒定，因此好的结构的选用会提高小车能量利用率，而齿轮的传动效率较高，行走的距离较远。
无碳小车整体能量流动，如图3所示，重锤的重力势能经绳绕过定滑轮传递到原动轴，原动轴通过齿轮二级传动带动从动轴运动，进而带动凸轮转动以达到周期性转向目的。
3“S环形”无碳小车的转向机构与微调机构设计
3.1“S环形”无碳小车的转向机构设计
3.1.1转向轮的选定
无碳小车要求是三轮结构1个转向轮，2个驱动轮。前轮控制转向，两后轮控制驱动，结构易设计。转向机构采用凸轮滑块，材料是树脂，价格便宜易生产，由于凸轮表面路线不平缓，在角度过大的转角处会有较大的滑动擦副，使得效率低的同时可能会使无碳小车路线发生变化，所以在设计凸轮的时候，在考虑运动路线的同时，要尽可能的将凸轮的角度设计的平缓，能减少急回特性导致无碳小车在运动过程中出现急停或者侧翻的状况。
3.1.2转向方式
转向方式主要依靠前轮的转向杆控制前轮的转向和凸轮机构的路径共同控制无碳小车的转向，通过后轮的运动带动凸轮的旋转运动转化为前轮的左右摆动，从而实现拐弯避障的功能。由于S环形赛道周期较大，确保精确转向，累计误差小，采用凸轮配合滑块的方式是最简单而且效率高的方法。
3.2“S环形”无碳小车的微调机构设计
经过轨迹仿真后小车能够走出正确的轨迹，但在组装好后会由于制造、装配等误差以及驱动轴力矩的改变使轨迹发生偏移，拉伸、缩小或者歪曲。为了调整无碳小车的轨迹（幅值、周期、方向等），使无碳小车走一条最优的轨迹，必须设计一个微调机构。微调机构设置在凸轮及前轮杆上，通过调节凸轮上的导杆到凸轮的距离及调节前轮支撑杆的高度来确定前轮转向的时机，调试好需要记住导杆到凸轮的距离以及前轮支撑杆的高度。
3.2.1轨迹微调
微调机构主要有微调螺母式和滑块式两种方案。通过微调螺母可以调节滑块与转向架的距离，间接改变前轮摆角幅度，这对无碳小车的轨迹调整起着关键作用。微调螺母结构简单，调试方便，通过微小部分的改动便可以调节轨迹。结构如图4。
3.2.2细线长度微调
为了能够让无碳小车从出发点能够快速、准确地走出规定路线，就要求小车的出发点在固定位置，但由于砝码高度要规定在400mm+2mm，而绳子又和凸轮位置之间有着联系，于是就要保证砝码上升到固定高度是凸轮位置也正好在出发点的位置，但在实际安装时会出现误差，所以就需要一个微调装置间接调节绳子长短，在一个微小的范围内使绳子长度缩短，这样就能够有效地解决砝码上升高度与出发位置不匹配的问题。
4“S环形”无碳小车的整体优化设计
在进行无碳小车整体结构的Solid works运动学仿真分析后，发现小车运动机构部分没有出现干涉和死点情况，说明无碳小车的设计理论上是合理的，但经过零散的模块化设计之后，无碳小车的整体性能没有达到最理想的要求，所以还需要对先前的不合理的部分以及仍可以改进的地方进行优化，对以下几个结构进行优化。
4.1零件表面优化
零件经过切割、钻、铣、车等加工工艺后会在其表面留下毛刺，并且由于加工精度零件表面的优化不够的问题会使其表面较为粗糙，而小车的后轮、轴、孔等对精度要求较高的零件就需要手工打磨。用砂纸对其打磨，摩擦副处涂抹较好的润滑脂;后轮喷塑处理，增加其与地面的摩擦力。
4.2细线种类的优化
细线的选用可从材料（包含粗糙性，延展性，抗拉强度）、粗细度两方面考虑。
1）细线会随着砝码下落与定滑轮之间产生不可避免的摩擦，所以应该选用粗糙度小的材料，为了减小其摩擦也可在绳表面涂上油脂;要求很低的延展性，因为高延展性会使后轮轴受力不稳定，进而导致行走不稳定;抗拉强度要好。
2）细线太粗会使绕在后轮轴上的线堆积在一起，使绕线半径变化太快，导致行走不稳定，太细又难以启动无碳小车。所以最终选用尼龙绳。
4.3后轮优化
设计了镂空结构，既保证了刚度，使其能够承受整体的重量，又减轻了自身重量，提高能量利用率。
4.4绕线方式的优化
设计了双层结构，小轮作为砝码绕线轮，大轮作为后轮轴绕线轮，这要使无碳小车更容易启动，行走的距离更远。
经过以上优化，减小了无碳小车的能量损失，加长了无碳小车的行程，零件尺寸的精细化也使无碳小车更加美观，添加的结构也使无碳小车更加适应比赛规则。最终无碳小车整体三维设计图，如图5所示。
5总结
“S环形”无碳小车的结构设计，利用系在无碳小车上重锤下落得到的重力势能作为唯一动力来源，并将其转换为机械能，驱动小车按照给定的“S环形”轨迹进行运动，前行时能通过转向机构的动作，自动避开赛道上的障碍物。本文的“S环形”无碳小车的根据机械结构设计理念对小车的结构设计、加工工艺和安装调试等方面进行详细讨论、设计，运动学仿真分析后，对无碳小车结构零件表面、细线种类、后轮、绕线方式进一步优化。进而减小了小车的能量损失，加长了无碳小車的行程，零件尺寸的精细化程度更高。
