无碳小车
摘要：本作品提出一种“无碳”方法，带动小车的运行，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计了一种可将重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。此模型最大的特点就是将重力势能转化为齿轮的转动，进而根据大小齿轮的啮合带动驱动轮和转向轮。本文将对无碳小车模型的设计过程，结构功能特点等进行详细的介绍，并阐述了本作品的创新点。
关键词：无碳小车 齿轮啮合 驱动轮 转向轮
一、引言
“环保在身边之‘无碳生活’”一帖在东楚网黄石新闻网发出后，众多网友纷纷跟帖支招倡导“无碳生活”。多数网友认为，对社会整体而言，完全“无碳”难以做到，但有意识地减少“碳排放”，却是随时随地可做的事，勿以善小而不为。
无碳小车的设计与发明，是国家和社会对能源问题和环境问题的更加重视。“无碳车是比较环保的短途代步工具，节能、经济、方便，环保。因此，在人均拥有汽车比例很高的欧美发达国家，无一例外选择了提倡推广低碳车。”许多人认为，确保无碳车道便利通达，既是现实选择，
也是大势所趋。现在许多发达国家都把无碳技术运用到各个领域，像交通，家庭用具等，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，用重力势能转换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。
二、设计原理
（1）车架材料都是选用密度比较小的硬质材料（有机玻璃、硬铝等）。
（2）原动机构通过定滑轮悬挂，挂重物的线绳在滑轮上绕有一定的圈数。
（3）传动机构都是选用小模数的高传动比一级齿轮组来进行传动。
（4）转向机构用曲柄连杆机构用球头连杆连接。
（5）行走机构为单轮驱动。
（6）微调机构有可调曲柄、曲柄盘，主要目的是为了改变曲柄的长度来改变小车转向的角度从而达到适应不同场地不同障碍物的而要求。
由于小车是纯机械机构控制所以对零件的加工精度和装配精度要求非常高，所以精密的加工、机构的正确选用和长时间的调试非常重要。无碳越障小车前进的动力直接由重物下落过程中减少的重力势能提供，只通过重力势能与机械能的能量转换，使得小车实现前进、转向和调节。
重物下落时，直接带动小车行走，结构简单，加工方便。绕在小车轴上线的一端通过定滑轮连接在重物上，重物下落直接通过绳子带动小车前行。为了避免重物下落时因为小车的行走而摆动，影响小车行进的轨迹，甚至使小车倾翻，因此在小车上设计了阻止小车摆动的2根竖杆和竖直细线圈固定，竖杆和竖直细线圈与下落重物圆周相切，形成一个圆柱形状，使之下落稳定。
三、机构设计
3.1滑轮的设计
小车的原动机构采用滑轮悬挂，其上挂有一根伸缩性较小棉线，在棉线的一端挂有一重块，另一端则缠绕在小车驱动轴的绕线筒上，中间悬挂在支撑架上的滑轮上。当重块下落时通过棉线拉动动滑轮转动，带动绕线筒旋转，以此通过传动机构驱动小车后轮旋转，驱动小车向前行驶。
带轮设计成锥形，在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。起动后，原动轮半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。当物块距小车很近时，原动轮的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车。
小车上的定滑轮由2根直径为6mm的碳钢丝杆支撑，将提供能量的重物通过定滑轮悬挂在有效高度为400±2mm的重物支撑架上使其自由落下，为小车前进提供能量。同时保证重物在下落的过程中不会晃动。
图3.1 不同力臂时力矩示意图
由于质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）通过棉线绕过定滑轮转动时，在定滑轮上形成一个驱动力矩M，原理如图2.1所示。由公式：
可知滑轮半径（动力臂）越大，形成的驱动力矩就越大。根据这个结论，我们可以在保证车身长度一定的前提下，把定滑轮的半径尽可能的取得大的值。
图3.2 小车的滑轮
为保证重物在下落过程中保持匀速，在滑轮上绕棉线时，在滑轮上多绕几圈，这样可以有效减慢重物下降的速度，提高能量的利用率。图3.2为滑轮的三维模型。
3.2绕绳轮的设计
驱动机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。在我们所学过得架构中能实现这一功能的方案有多种，就效率和简洁性来看绳轮最优。小车对绕绳轮还有其它的具体要求。
（1）驱动力要适中，这样才不至于在小车拐弯时速度过大发生倾翻，或者是重块晃动厉害影响小车的行走。
（2）应该使重物块的动能尽可能的转化到驱动无碳小车的前进上，但是如果重物块在竖直方向上的速度比较大，重物本身就会还有较多动能未释放，这样的后果就是能量利用率不高。所以我们要控制重物下落的速度。
（3）到小车在到达终点前重块在竖直方向上的速度要尽可能小，这样能够避免发生碰撞而造成损失能量。
（4）由于不同的场地对轮子的摩擦不一样，在不同的场地上面无碳小车小车是需要的驱动力也不一样的。因此在调试的时候也不知道需要多大的驱动力才能恰到好处。因此驱动机构还需要能根据不同的需要调整其驱动力。
（5）机构简单，效率高。绕绳轮设计有大直径轮，便于小车启动，重物下落时，直接带动小车轴转动，从而带动小车前进，这种方法很易实现，又方便制作。也可以通过调整使小车的速度平缓的前进，同时也方便转向。
同时为了防止重物因转向等的原因摇摆导致小车倒翻，在重物下落垂直上用丝杆固定重物下落轨迹。传动机构上我们设置的传动比是1:6，这样能使重物下落相同高度能有更远的行驶路程。因为整体小车摩擦很小，所以我们的绕线部分直接缠绕在直径10mm的绕绳轮上使小车达到更远的行驶路程。绕线轮模型如图2.3。
图3.3 小车绕绳轮模型
3.3重物支撑架的设计
重物支撑架的作用是固定滑轮，悬挂重物的支架。重物支撑架的设计包括两个部分：重物支撑杆和重物支撑架。
重物支撑杆支架采用2根M5的碳钢丝杆成对称分布，可以防止重物在下降的过程中晃动。支撑杆的长度为450mm。
重物支撑架采用硬铝制成，要求三个孔的相对位置要完全和地板上的三个孔的位置匹配，不然重物支撑杆就会倾斜，影响小车的正常运行。重物支撑板的三个空的直径为6mm，通过螺母在重物支撑杆上固定。支撑架上有两个5mm的孔，用于滑轮的轴的径象定位。重物支撑板的结构如图2.4。
图3.4 重物支撑架
四、传动机构的设计
4.1 齿轮的设计
传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。常用的传动方式包括：齿轮传动、链传动、带传动、蜗杆涡轮传动。由表4.2的各种传动方式的优缺点比较，我们选择一级齿轮组传动作为无碳越障小车的传动机构。选择一级齿轮组可以避免二级齿轮传动带来的较大的阻力和较大的传动误差。
图4.1齿轮的三维模型
为了使小车前行距离远，理论上后轮的直径越大越好，但后轮太大，启动时所需力矩较大且消耗的能量也大。按照传动比的选择原则，同时考虑到小车在行驶时要求传动比准确和加工工艺性，将传动比初步确定为1：6，大齿轮齿数为96，小齿轮齿数为16。即带轮转一圈车轮转6圈，较大的传动比和后轮直径可以使小车前进更远的距离。
表4.1 齿轮参数
序号 | 模数 | 齿数 | 中心孔/mm | 分度圆直径/mm | 厚度/mm |
大齿轮 | 0.75 | 96 | 20 | 72 | 3 |
小齿轮 | 0.75 | 16 | 6 | 12 | 5 |
为了减轻小车的重量，将大齿轮确定为3mm厚的片齿轮，质量为硬铝。选择小模数齿轮可以有效的减小小车前进时的阻力， 模数太小又会增加制造难度、加工成本和齿轮的使用寿命。所以，将齿轮的模数确定为0.75。齿轮通过轴套与轴配合，这样可以保证齿轮的轴向和径向定位。考虑到现有的加工能力，齿轮采用线切割机床进行加工。表4.1为选择的一对齿轮参数，
图4.1齿轮的三维模型。
表4.2 各种传动方式的优缺点
传动方式 | 优点 | 缺点 |
齿轮传动 | 齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。 | 要求较高的制造和安装精度，成本较高；不适宜远距离两轴之间传动 |
链传动 | 和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率较高,一般可达0.95～0.97 | 链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等 |
带传动 | 结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用 | 不能保证精确的传动比；带轮材料一般是铸铁等；质量较大 |
蜗杆涡轮传动 | 有比较大的传动比，非常紧凑的结构；传动平稳；噪声小； 能够自锁； | 传动摩擦损失比较大，效率也很低，不适合传递大功率和长期连续工作；成本比较大；蜗杆传动置适用传动比大；传递功率低得机械上 |
4.2传动轴的设计
由于小车是一级齿轮组传动，曲柄连杆摇杆机构导向，所以我们只需要两根传动轴，这样既减轻了小车的质量又减小了传动误差。两根传动轴的材料选用硬铝，采用阶梯轴的方式对轴上零件进行轴向定位，另外利用轴套对齿轮，绕绳轮，曲柄盘和后轮进行径向定位。
图2.6 轴上零件的布置
两根传动轴的中心距a的计算
小车轴上零件的布置如图2.6所示。
4.3导向机构的设计
导向机构的选择是无碳小车设计的关键部分，这直接决定着无碳小车的使用功能。导向机构的结构也同样需要尽可能的减少摩擦和耗能，机构结构必须要简单，零部件已获得等基本条件，另外还需要有特殊的运动特性。该机构的功能要求能够将旋转运动转化为满足校车转向基本要求的来回摆动，带动前轮轮来回转动以实现拐弯避过障碍物的功能。
我们对主要的导向机构做了分析。
（1）凸轮机构，凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮运动时，可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。
优点：该机构只需设计适当的凸轮轮廓，便可让从动件得到任意的预期运动，而且考虑到运动的对称性，我们将可以将凸轮设计成外凸轮，他的形状应该为一个椭圆，这样加工可以比较简单。而且可以省去了中间环节，另外还可以简化机构，提高传递效率。在条件允许下，可以采用此结构。
缺点：凸轮轮廓的加工要求的精度相当高，一旦磨损变形，则不能达到预期运动轨迹，另外由于凸轮机构无法微调，磨损后直接报废，间这样就接提高了校车的成本。因此建议如果没有更适合机构，可选择此机构。
（2）曲柄连杆摇杆机构
优点：运动副单位面积所受压力较小，且面接触便于润滑，故磨损减小，制造方便，已获得较高精度；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等辅助力封闭来保持接触。
缺点：一般情况下只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；当给定的运动要求较多或较复杂时，需要的构件数和运动副数往往比较多，这样就使机构结构复杂，工
汽车传动带作效率降低；不仅发生自锁的可能性大，而且机构运动规律对制造、安装误差的敏感性爷比较大；机构中做平面复杂运动和作往复运动的构件所长生的惯性力难以平衡，在高速时将引起较大的振动和动载荷，故连杆机构常用于速度较低的场合。
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