攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论
是有待验证）。
（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）转向机构有的车用的曲柄连杆机构用球头连杆连接、凸轮机构两种。 （5）行走机构分单轮驱动、双轮驱动。
（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，而这些学校能够跑出如此好的成绩很大程度上要归功于精密的加工。另外，机构的正确选用和长时间的调试也和他们的成功息息相关。
由于竞赛要求不断地提高，比赛中使用的无碳越障小车将越来越趋向于结构简单，调试方便，稳定性高，质量轻，加工精度高的方向发展。新材料的使用以及新型加工技术的应用，使无碳越障小车可以准确地绕过更多的障碍物同时前进更远的距离。但是随着加工精度的提高，小车的制作成本也会相应的提高，所以我们应该在成绩和成本中间寻找一个平衡点。
1.2 课题的基本内容及研究意义
目前全球经济飞速发展，带来环境问题愈发明显，传统能源逐渐衰竭。鉴于我国持续高速增长的GDP在环境保护、人类健康和工程安全方面，受到由于不稳定经济发展带来的潜在威胁，我国迫切需要将新能源的寻找和利用、工业发展无碳驱动的新时代课题引入现阶段的社会进步中。无碳小车的研制，具有经济、环保、便利等优点，有助于我们找到更为环保绿色的能源，有利的能量转化途径，以及提高能量的利用效率。它将对传统能源的逐渐取代有一定的意义。因此我们设计制作无碳小车，希望可以找到新的方法来缓解能源和环保问题。
图1.1： 无碳小车示意图
本次毕业设计题目为“无碳越障小车”。该题目为全国第三届大学生工程训练综合能力竞赛题目，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，
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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。无碳越障小车行驶的路线近似于正弦曲线，呈周期性变化，而且障碍物的间距在900mm~1100mm之间可调。
设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换来的。给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），竞赛时统一用质量为1Kg的重块（￠50×65 mm，普通碳钢）铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图1.1为小车示意图。
要求小车为三轮结构，具体设计、材料选用及加工制作均由学生自主完成。小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物。障碍物为直径20mm、高200mm的多个圆棒，障碍物沿直线等距离摆放。以小车前行的距离和成功绕障数量来综合评定成绩。见图1.2。
图1.2： 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图
要求经过一定的前期准备后，在完成一套符合本命题要求的可运行装置，并进行现场竞争性运行考核。设计的作品要提交相关的设计、工艺、成本分析和工程管理报告。小车设计过程中需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程管理能力项要求综合考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力项要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。命题中的制造工艺能力项以要求综合运用加工制造工艺知识的能力为主。
1.3 本课题拟采用的研究手段
技术设计阶段我们先对方案进行了分析，综合运用了运动学、动力学、能量学以及机械设计等分析。首先把小车分为车架 、原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构 、微调机构六个部分分别进行设计。通过对小车的功能分析小车需要完成将重力势能转换为机械能的功能，完成自动行走及自行避开障碍物等动作。
在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面的客观因素，同时应当尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，这样才能够使得选择的方案能够综合最优。
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攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 无碳越障小车方案设计
2 无碳越障小车设计
2.1 任务分析
“无碳越障小车，顾名思义，意思就是能以S形轨迹绕过一排间距可调的障碍物并且能节约能源的小车。难点在于转向机构的设计，如何才能让小车在900mm~1100mm的范围内的实现精确可调，是亟待解决的问题。
根据对题目分析，可以知道无碳小车的设计重点和难点是如何将重物的势能转换为机械能并驱动小车行走的距离最长和小车前行时如何避开道路上设置的障碍物。其设计思路为：查阅相关资料，进行市场调研，写出调研分析报告，拟定将给定重物的势能转换为机械能的结构和小车自动避障的机构，确定小车一个周期行进的路线和长度，确定后轮尺寸和前后轮的传动比，传动机构设计，小车车架总体结构设计，小车各零件的设计（包括材料和结构），主要零件配合部分尺寸及公差的确定、形状、位置的确定。
2.2 无碳越障小车总体方案设计
要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由此重力势能转换获得，不可使用任何其他的能量来源。通过查阅资料和市场调研，我们初步确定了3种方案。
（1） 重物下落时，小车不行走，将重物的重力势能转换为弹性势能储存在发条中，重物静止后发条释放能量驱动小车行走。这是参照市场上大多数玩具车能量储存的方式。但是存在的问题是小车的速度难于控制，同时必须考虑重物静止后如何触发发条带动小车行走（的机构）机构的设计，同时在能量转换的过程中会有可能会损失更多的能量。
（2）重物下落时，小车向前行走，利用飞轮储存能量。重物静止后，飞轮释放能量可继续带动小车行走一段距离。这是参照火车轮子的储能原理。存在的问题是：由于设计了直径大且重的飞轮，所以小车开始启动时所需要的启动力矩较大，能量消耗大。同时要增加一个零件，会增大成本。
（3）重物下落时，直接带动小车行走，结构简单，加工方便，成本也较低。所以综合考虑最终确定采用第3种方案。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3根竖杆，3根竖杆由套圈固定，杆与下落重物圆周相切，形成一个圆柱形状，使之下落稳定。 要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的场地。
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图1.3 间距为900mm的余弦曲线
图1.4 间距为1000mm的余弦曲线
图1.5 间距为1100mm的余弦曲线
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通过对毕业设计的题目分析可知小车的前进路线，我们可以将它近似地看成余弦函数
y?Acos?x
其中A为振幅，ω为频率。函数的图像就类似于小车前进的路线，如图1.3,1.4,1.5为障碍物间距不同时对应的函数图像。
由于小车要适应不同距离的障碍物的场地，所以函数的周期是变化的，因此对应的函数图像也是不同的。由MATLAB可以算出不同间距时对应的轨迹的振幅及周期长度，作出间距变化对应距离表1.1。
表1.1为小车在障碍物取不同间距时在场地上行走时对应的实际前进的距离。通过分析表1.1中的数据可取小车行走一个周期的距离S约为2800mm，以保证当障碍物间距在900-1100mm 范围内时，通过调节导向机构我们可以使小车能够准确的绕过障碍物。
表1.1 不同间距对应的余弦函数图像长度
图1.3,1.4,1.5为当小车场地的障碍物取不同的间距时小车行走一个周期所经过的路程的轨迹。为了保证小车顺利的绕过障碍物，并且尽可能的前进更远的路程，通过表1.1我们可以确定小车的起始位置，即距离中线300mm～500mm的范围内，以满足小车越障要求。
2.3 原动机构的设计
2.3.1 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，
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