昆明理工大学。
第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛。
项目名称： 无碳小车
设计者：谢世鹏、郭晓磊、朱勇勇
指导教师： 葛夏文
日期： 2023年11月21日
目录。1 摘要。
2 关键字。
3 总体设计方案。
4 各机构设计。
5 参考文献。
备注：立体图只提供一个模型，具体尺寸请参照各单元模块的设计。所以所有立体图中的细线、皮带、齿及徽标均省略。
1 摘要。无碳小车”是根据能量转换原理，将给定的重力势能转换为机械能驱动小车行走并能够在前行时自动避开赛道上设置的障碍物的装置。该小车由能量转换机构、传动机构、转向机构和车身构成，通过能量转换机构获得动力来驱动后轮转动，再通过传动机构将运动传给转向机构使转向轮周期性转向从而自动避开障碍物。
2关键字。无碳小车能量转换传动周期转向。
3总体设计方案。
3.1设计思路与原理。
3.1.1 设计思路。
如图，小车后轮轴上装一梯形轮，将轻质细线（图中省略）绕在。
梯形轮上，细线另一头连接重物，通过定滑轮系统和支架将重物悬挂在小车上方。当重物下落时，便可带动梯形轮及后轮转动。
小车后轮轴上装有皮带传动主动轮，从动轮安装在转向轮一侧。从动轮与一齿轮同心转动，通过两个轴线相互垂直的啮合齿轮的传动，使角速度矢量方向由平行于地面转化为垂直于地面。此方向的转动可带动转盘摇杆机构使摇杆做来回往复的摆动，此摆动又可带动转向轮做周期性的转动，从而使小车周期性转向以绕过障碍物。
3.1.2 原理。
小车运行轨迹如图所示：
规定沿障碍物连线方向为正方向，小车从a点沿正方向出发，b点切线方向与正方向平行。由几何关系可得：
解得=由于较小，所以可用线段ab长度近似代替弧线ab长度。
设转向轮转向周期为，则有。
解得=……设后轮半径为，则后轮角速度为
设皮带传动机构的主动轮、从动轮半径分别为、；角速度分别为、。则==。
由轮系传动原理可得， =
在转向机构中，转向盘与传动齿轮啮合。设转向盘与传动齿轮的半径分别为：、；齿数分别为：，；角速度分别为：，。
同理可得，又因为传动齿与从动轮同轴，所以=，由②式可得 =…
转向机构中，设长杆固定点与转向盘中心距离为h，则摇杆摆动方程为 ……
若从a点开始计，小车速率为v，方向正右，即转向盘上的转向杆在小车的中轴线上。小车从a点到b点的过程中，经过t/4时，达到最大。
即： 令，由①④得：
所以……⑥4 各机构设计。
4.1能量转换机构。
能量转换机构由支架和梯形轮构成。
支架上端安装定滑轮，将重物支起。
梯形轮表面有螺旋曲线槽，用来缠绕细绳。
梯形轮的设计实现了小车的起动和重物的从低速到减速下落，减小了因碰撞而损失的能量。
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。
当重物距小车很近时，梯形轮的半径再次变小，绳子的拉力不足以使梯形轮匀速转动，但是由于重物的惯性，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。
对于梯形轮表面螺旋槽螺距的设置，进行如下近似计算：
设螺旋线总长为l，螺距为s，梯形轮高为h，上下底面直径分别为：、。
圆柱形螺旋线 ……
由回旋线性质，可取等效直径 ……
利用excel建立公式计算，可得到如下较为合适的尺寸数据：
4.2传动机构。
传动机构主要由皮带传动机构和齿轮传动机构组成。皮带传动机构由皮带、主动轮、从动轮构成，齿轮传动机构由从动轴和从动轴齿轮构成。皮带传动机构为一级减速机构，齿轮传动机构为二级减速机构。
两个传动机构把后轮较快的角速度减慢，为了让转向盘缓慢转动，才能实现转向轮平稳而缓慢地转向，最终让小车平稳运行，而不会因为方向突然改变而出现翻车现象。
4.3转向机构。
转向机构主要由转向杆、转向轮、短杆构成。转向盘与从动轴齿轮啮合。短杆一端通过销钉与转向杆连接在一起，可自由转动。
另一端与转向轮的轴固定于小车的中心轴线处。当转向盘匀速转动，转向杆会周期性左右摆动，然后通过短杆的传动，可以实现转向轮的转向。从而控制小车绕开障碍物的整体运行。
查机械原理可知，此转向机构具有急回特性。如果转向杆的固定点到转向盘中心的距离和转向盘半径的比值越大，急回特性越显著，但空回程速度变化剧烈。这不利于小车的运行。
所以的比值应该比较小。另一方面，的比值较小了，可实现转向盘在半个周期内转动的角度趋于。这样可以实现转向杆的周期性摆动。
由此可设计mm， mm。
所以， 再由⑥得，所以。
又由得。分别为皮带传动的主动轮和从动轮半径，可分别设计为8mm、48mm。则，所以。
由此可设计（齿），由可设计。
下面求解转向杆、短杆的长度。
设转向盘中心（圆心）到短杆固定点**向轮竖直轴）的距离为x，转向杆长l，短杆长l由图可得如下表达式：
设计为一合适的值，代入，得：
5 参考文献。
1] 马履中。机械原理与设计。北京：机械工业出版社，2009.
2] 哈尔滨工业大学理论力学教研室。理论力学。北京：高等教育出版社，2009.
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