“无碳小车”的创新性设计

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1、万方数据第28卷第1期山西大同大学学报(自然科学版)2012年2月JournalofShanxiDatonguniversity(NaturalScience)V01．28．No．1Feb．2012文章编号：1674—0874(2012)01—0059—04“无碳小车"的创新性设计王斌，王衍，李润莲，赵小龙，崔景峰，杨富林(山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003)摘要：针对第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题“无碳小车”的要求，经过任务分解，进行了创新性小车设计。探讨了提高小车运行平稳的方法与措施，解决了影响小车运行的平稳

2、、运动换向机构、驱动及周期性转向等关键性问题，提高了小车的运行精度，确定了小车的结构参数及总体方案。大赛实践表明，该小车结构合理，操作简单，运行轨迹符合大赛要求，小车运行平稳，行程远，避障多，设计方案正确，取得了较好的竞赛成绩。关键词：无碳小车；结构设计；曲柄摇杆机构；轨迹；齿轮副；急回特性中图分类号：R235．3+4文献标识码：A本文创新性设计“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”，即“无碳小车”，见图1。小车采用三轮结构(1个转向轮，2个驱动轮)，将给定重力势能5J能量f用050X65mm普通碳钢的重块，质量为1Kg，铅垂

3、下降，落差500mm来获得)转换为动能驱动小车行走。小车需要载着一质量块f巧60X20mm的实心圆柱型钢件)行驶，绕过直线布置的每隔1m放置的1个障碍物的弹性障碍圆棒见图2。并保证质量块和重块随车行走而不掉落，以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。具体详情见第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题。中60x图1无碳小车示意图1任务分解本命题体现了对“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的综合性工程能力的要求，但其核心是作品的创新性设计。小车虽小却也是个系统工程，必须综合考虑各种因素。经多次

4、论证，确定小车设计的关键在于如何实现能量的转换(运动转换机构)、车体的平衡、小车的驱动及小车的周期性转向等问题。2设计思路及方案因竞赛组委会要求各参赛队必须在各自所在的学校内自主设计并制作出全部零件，所以“无碳小车”的结构设计一切都应从本校的实际加工工艺能力出发。设计应坚持原则：整车重心要低；结构尽量简单；传动件数少；质量小；足够的刚度；振动小；操作、调整方便灵活。／’～7，／。、、／＼．／7，，＼k⋯／，1000图2无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图2．1运动转换机构小车给定的能量只有重块下落的重力势能，要驱动小车行驶远，必须将

5、重块的直线运动有效地变换为小车轮轴的回转运动。选择质地弹性小、强度高且耐磨性好的细牵引绳一端先固定在滚筒轴(驱动轴)上，然后再将牵引绳均匀紧密的缠绕在滚筒轴上，另一端绕过滑轮与重块连接(即将图4中滚筒7收稿日期：2011-10—06作者简介：王斌(1974一)，男，山西大同人，硕士，讲师，工程师，研究方向：煤矿机械设计与制造。万方数据山西大同大学学报(自然科学版)上的外露绳端通过图6中滑轮4与重块连接1，这样重块下落的移动就可转化为驱动轴的回转，完成重力势能转化为驱动小车行走的动能，这是小车的外联系传动链，对传动精度要求不高，只要能将

6、重块的势能有效地转化为动能即可，主要是绳子的缠绕方法要得当、方向要正确。当然可将牵引绳绕过动滑轮与定滑轮组成的滑轮组以使小车行走更远，不过，由于使用滑轮组会使小车的启动力矩减小，不便于小车的启动，最终还是采用了绕过一个定滑轮的方案。2-2车体的平衡底板作为最重要的支承件，是其他支承件连接的基础，其结构必须设计巧妙、合理。由于所承载的负荷比较小，选用厚度为4mm的铝合金板料，为避免发生薄壁振动，减少能量损耗，薄壁面积应小于400him×400mm[”。如图1所示，小车的重块在车上重物支撑杆上方开始下落，距离车底板上面约600ITlm多。

7、而小车为了节省能量及避障性好，车底板一般又不能选得面积太大，两后轮距f定为132mm)不能太大，限制底板的宽度不能大，底板尺寸定为208mmX100mm，刚度好。整个小车就是一个立式的结构，小车运行起来按避障要求左右转向，牵引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动，导致小车倾覆不能行走。因此，将重物支撑杆设计成由三根中空管按等边三角形布置，围成一个中间恰好通过弘50mm的重块，限制了重块在小车运行中的摆动，达到车体运行中良好的平衡。另外，也可以通过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重心，达到良好的动态平衡，为此将小车底板折弯，满足整车

8、重心降低的需要，在滚筒轴上安装大齿轮的／审书，一斗、&．!ji，司、i一：书＼上，y、＼弋l＼／1，／__；I＼洪专{串图3无碳小车底板对应部位将小车底板铣出长孔，使得大齿轮转动不与底板干涉。整个车(包括重块及负载重量块