摘 要 本文对无碳小车的研究，设计一种小车，完成绕“8字”轨迹的让障运动，小车运动所需能量全部由设定重物的重力势能转换获得。根据任务，首先完成小车的方案设计，包括对车架、动力机构、传动机构、转向及微调机构、差速驱动系统五大模块的设计及选材，并完成小车的三维模型设计，进行小车运动轨迹的参数化设计，确定出较优运动摆角度；最后完成小车的加工和制作。
【关键词】8字型 无碳小车 轨迹参数
随着传统能源的消耗越来越大，我国迫切需要将新能源的开发和使用、工业发展无碳驱动的全新课题引入到当前的社会进步中。人们无碳的理念需要不断的建立和培养，论文无碳小车的研究基于全国工程训练竞赛项目，设计一种小车，要求小车行走过程中完成所有动作所需能量，均由设定重块的重力势能转换获得，考核学生基本设计理论、工程实践动手能力的同时，培养节能、环保意识，激发学生探索可持续发展绿色能源、有利的能量转化途径，以及有效提高能量利用率。
1 无碳小车要求及方案设计
1.1 无碳小车设计要求
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4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的重块（Ф50×65 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。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。
1.2 无碳小车设计方案
小车分为车架、动力机构、传动机构、转向及微调机构、差速驱动系统五大模块，其中，车架采用一体式SLA光敏树脂快速成型、碳纤维板辅助加固的方式，动力机构采用二级齿轮传动，转向及微调机构使用双头反牙螺纹进行微调转向角，全轴承差速器有效降低了摩擦阻力保证了运行的平稳。
车架是小车其它零件安装的基础，是最核心的支承件，采用SLA光敏树脂制作一体骨架式车架，两块1mm厚的碳纤维板材经雕刻机加工成形；小车的动力机构，重物的重心竖直方向，采用三根直径8mm的碳纤维管围成三角形结构，保证重物垂直下落，保证运动中不发生侧翻和滑移。
传动机构输出的动力准确平稳的传递到转向机构和两个驱动轮上，用铝合金线切割齿轮。
转向机构采用曲柄连杆，通过输出轴上的曲柄带动双球副连杆，连杆连接转向轮架上了水平摆杆实现摆杆的往复运动。
小车的运动轨迹为8字形，转弯半径小，角度大，选用齿轮差速器来解决驱动轮差速问题。进行设计方案的建模，设计方案的三维模型如图1所示。
2 无碳小车运动轨迹参数设计
无碳小车参数设计的主要任务是将设计的方案通过建立数学模型，将小车的运行轨迹，转向角度参数化，在solidworks上进行三维建模，做motion分析，进一步修正各零件参数。
2.1 动态分析
根据确定好的各零件参数建立三维模型之后，为了进一步验证参数计算的正确性，这里对三维模型通过solidworks自带插件motion分析进行动态仿真。
分析步骤如下：
（1）简化模型，小车的完整三维模型多达70多个零件，上千个特征数，对此进行模型简化，简化后效果如图2。
（2）绘制运动平面，在Solidworks中导入一个运动平面大小的零件以方便进行后续的仿真。
（3）给零部件添加材料，按照实际材料一一添加小车零件以及运动平面。
（4）添加引力，引力是车轮和地面产生摩擦的必要条件。
（5）添加接触，给轮子和运动平台添加接触组，在引力的作用下车轮和运动平台接触。
（6）添加马达，考虑到小车用的是齿轮差速器，这里将动力输出直接添加到前轮，转向则通过伺服马达生成余弦曲线代替曲柄连杆的摆动。
（7）计算结果，经过多次轨迹仿真，最后對计算结果做了略微的修正，最终确定了最大摆角θ=28°时运动曲线重复率最高。图3为最终仿真结果。
3 小车的制作
小车的加工制作直接决定了小车最终的运行效果和对理论计算结果的有效验证。小车结构以光敏树脂和碳纤维复合材料为主，齿轮差速器的引入保证了小车在转弯时运行的稳定性，又能保证双轮驱动。小车加工制作和装配实物如图4所示。
参考文献
[1]胡越铭，高德文，张瑞，张欣，高轩.基于凸轮组合机构的“8”字形无碳小车创新性设计[J].北方工业大学学报，2014（01）：38-43.
[2]方兴.智能车动力学模型参数辨识方法研究[D].上海：上海交通大学，2009.
作者单位
北方工业大学 北京市 100144
