浅论无碳小车的设计制作与创新实践论文
0引言
无碳小车是一种通过滑轮机构将重物下落的重力势能转化为小车前进的动能以实现小车行走，并采用合理的机构，来实现行走过程中正确转向并绕过障碍的装置。小车设计注重能量利用的有效性，车体结构的合理性，行走的稳定性、匀速性，调试的可靠性等。应用了诸多数学理论进行验证，最终采用了万向节连杆机构作为转向机构，使小车控制转弯更省力、对小车躲避障碍物的周期控制更容易实现，亦降低了整车重量。再者小车整体构造简洁，组合零件不多，摩擦损耗小，效率高，较容易安装制造。另外，通过对小车的设计、制作和调试，提高了提出问题、分析问题、解决问题的能力，并总结了从中获得的经验和教训。
1无碳小车的制作原理
1.1命题简介
该竞赛其中的一个命题为，要求设计一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车，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(50×65mm，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。在比赛中，小车出发后，小车从赛道一侧越过一个障碍后，整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒(擦碰障碍，但没碰倒者，视为通过);重复上述动作，直至小车停止(障碍物初始间距为1m，后期在1m±100mm范围内产生一个新的障碍物间距，需调整小车以适应新距离)，最终绕过障碍物多者获胜。
1.2无碳小车设计原理
由命题得知，关键在于利用重力势能获得相当长距离的具有稳定正弦特征的轨迹。由此，来设计小车以使其满足要求。重力势能大多通过挂在绳子上的重物拖动小车的轴进而驱使小车前进，这便对绳子提出较高的要求，一般选取弹性较小，耐磨的绳子为佳。
在传动方面，根据往届赛事经验，有齿轮传动，皮带传动等。由于小车在前行较长距离(一般为20m以上)，同时需要保证精确的行走轨迹，因此，皮带由于打滑等原因不如齿轮传动。同时，齿轮由于金属材质，大大加大了车的重量，因而我们采用快速成型制造齿轮，保证了传动的精确性与质量较轻的优点。接下来，便是使用两级变速还是一级变速的问题，两级变速能够在有效的空间内实现较大的传动比，同时具有较大的惯性，能够克服赛道上的不平整路面(事实证明，这在比赛上时是相当重要的)，但由于齿轮加工精度的局限，可能会造成较大摩擦力，造成能量的浪费。而一级传动则较为轻便，结构简单，便于加工装配。
小车每绕过两个障碍物，即在前进方向上走了2m，完成一个循环，此时，绕在轴上的绳子转过一圈。因此，小车前进的理论长度即由绕线轴的直径和下落高度决定。轴的最小直径由轮子和地面的摩擦力产生的启动转矩确定。小车的轨迹越接近于直线，摩擦力做功越少，便越节省能量。
我们发现，小车所走轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞，小车调整起来也越容易，同时，前面已经提到，也就越浪费能量。而对于不同的周期来讲，周期越小(障碍物间隔越小)，小车轨迹的幅值越大，便不容易与障碍物发生碰撞。
为了实现上述轨迹，转向机构是重要的一环，由于“S”形避障运动是周期性的运动，恰好可以通过齿轮上的偏心，将其运动传递到前轮上。传递运动大致可以分为两类，一类通过万向节，与前轮转向机构构成四连杆机构，进而实现周期往复运动。这样的好处是刚性较好，一旦调节完毕能够形成固定的轨迹且便于加工。但是不容易调节，调节部件较多，过程繁琐。另一类通过直线轴承和滑块传递运动，当然，这样便于调节，仅需对偏心进行调节即可实现轨迹的周期变化。但是对加工精度要求较高。不过，随着学生动手能力的提高和赛事水平的不断提升，直线轴承和滑块机构会逐渐提高稳定性，创造更好的成绩。
2小车设计方案
2.1材料的选择
小车的制作，首先我们要先考虑它的材料，材料极为重要，材料密度大了，小车就重，导致摩擦力就大;材料如果较小，小车太轻，小车在绕杆的同时会发飘，导致小车的轨迹会发生变化，导致小车达不到最好的状态。所以选取适当的材料是至关重要的。由于铝-钢的摩擦系数大约为0.02，而铝的密度小，小车的质量一般大约为2.5kg，所以摩擦力较小，并且横向摩擦力足以满足小车不侧滑;有机玻璃材质轻阻力小，但是寿命短，易磨损，精度不够高，力学性能差，主要是脆性大，抗冲击性能差，受到第二次意外打击时，有机玻璃易破碎。而尼龙的摩擦系数较大，吸水性较大，影响尺寸稳定和电性能，但车体的重量太小，需要加配重，防止侧滑或侧翻，所以考虑各种原因还有计算，最终选取折中的方案，也是最佳方案，就是铝，铝做车身骨架是最好的选择。而尼龙具有机械强度高、软化点高、耐热、摩擦系数低、耐磨损、自润滑性好、吸震性和消音性好、耐油、耐弱酸碱、无毒无臭、耐候性好、比重小、高抗冲、高载重、耐撞击，所以特别适合齿轮的加工，用快速成型做出的齿轮既具备以上的优点，还容易安装，容易定位，所以齿轮的材料最好是采用尼龙。
2.2设计思路和方案
(1)动力源。将重物固定于绳子上，绳子系在大齿轮轴上，重物下落拉动大齿轮轴转动，通过齿轮啮合驱动小齿轮轴转动，进而使小车前进;
(2)差速部分。当重锤下落时，通过滑轮轴连接线驱动大齿轮转动，带动驱动轴回转，并通过传动齿轮带动后轴回转。由于小车在前进时要走S形路线，在转弯时内侧的车轮与外侧的车轮转速不一样，后面两个轮子走过的距离不同，因此两个后轮上采用了不同的连接方式，其中一个后轮采用过盈配合随轴转动，而另一个后轮采用轴承配合在轴上空转，从而实现差动。
(3)前轮转向部分。大齿轮上开一个13mm长的槽，其偏心距为11mm—24mm，将螺钉穿过槽用双螺母紧固在大齿轮上，万向节则也通过双螺母紧固在螺钉的另一头。变向连杆由使用双头螺杆连接在一起的两个万向节组成，螺杆一头为反丝，便于调节。前叉则通过另一个螺杆与万向节相连，从而形成了转向部分。由于万向节连杆与齿轮配合点存在偏心距，因而连杆可以实现周期性往复运动;前叉通过螺杆与连杆一端的万向节相连，随着杆的往复运动进而实现周期性转向;因连接杆两端的万向节，与两侧杆件的连接形成球面副，可以向多个方向转动，避免了死点位置。偏心距的合理设计实现了前轮的正确转向;两个万向节中间的螺杆则能够有效实现扭矩传递;基于此设计，小车以正弦曲线的方式向前运动，实现避障功能;
(4)调整部分。在大齿轮上开槽，通过调节偏心距实现前轮偏转角的的调节。转向角最大为30°，此时越障距离最短为0.8m，转向角最小为15°，此时越障距离最长为1.15m;万向节中间的`双头螺杆也是微调机构，可以调节小车的整体轨迹。因而在调整距离时，只需调节齿轮上偏心距的大小和万向节连杆的长度即可，调节简单方便。发车角度确定采用激光笔远距离定位，精确找到合适发车角度，用时短，精度高。
(5)转向部分的计算。有e=a×α。取a=45mm，当α=15°时，e=11mm;当α=30°时，e=24mm，其中e为大齿轮开槽处的偏心距。
(6)小车其它尺寸计算。小车各个部分的关系为Δl=dsinφ、θ=arcsinΔl/l其中r1、r2，ω1、ω2为前后齿轮的半径和速，d为前齿轮旋钮的位置，主要零件的设计尺寸:前轴9mm，后轴10mm;前轮40mm，宽度8mm，后轮200mm;大小齿轮齿数比为4.13∶1，大齿轮齿数为Z1=62，小齿轮为Z2=15，模数m=1。
3小车调试与行走
在小车的实际调试和行走过程中，实践操作的经验非常重要。例如，当障碍物间隔为1m时，要求小车的行走周期为2m，而正弦曲线的周期是通过调节大齿轮偏心距来实现的，虽然通过计算很容易得出理论值，但是由于螺母与螺杆并非理论中的质点，因而在实际操作中很难实现一次性调试成功。因而在不断的实践中才能总结出规律，并熟练掌握。
在小车调试的初期，通过在小车后粘贴荧光笔来跟踪轨迹，但发现这种方法会增加小车行走的阻力影响轨迹的精度而且跟踪的曲线不具备完整性，后来改用了在车底板上放一个以一定的速度滴水的小容器，实现轨迹的跟踪。实践证明，这种轨迹跟踪方式，更加准确，并且容易清理。通过量取轨迹的周期则可以判断小车的行走周期。当轨迹的周期大于比赛要求周期时，则通过增大偏心距来减短实际轨迹的周期:相反，则减小轨迹的周期。这样便实现了小车行走周期的正确调节。
调节好周期后，小车大齿轮的偏心距便被固定住了。接下来便不再着眼于小车轨迹的1个周期了，而是着眼于小车行走轨迹的总的趋势。因为当万向节连杆过长时会使小车的轨迹成为一个整体往左偏的大弧，而万向节连杆过短又会使小车的轨迹成为一个整体往右偏的大弧。万向节连杆两端的螺纹旋向相反，在调节时，往里旋转为调短向外旋转为调长，调节方式简单，另外两端万向节与连杆通过双螺母固定在一起增加了稳定性。
在轨迹的调直过程中，通过在发车线前45cm(以行走周期为1m为例)处贴一张中心线与障碍物所在直线重合的16K的纸来定发车角。具体方法:在纸的左上角标出前轮位置，保持前轮位置不变，通过改变后轮位置改变发车角度，并随时在纸上标记后车轮位置。当小车左轮擦杆时，减小发车角，当右轮擦杆时，增大发车角，从而出直线。在实际调车过程中，很多时候不论如何改变发车角度都不能使得小车实现总体的直线绕杆，这时便要通过调节万向节连杆来微调前轮的转向角，而调节连杆长度时，微小的变化则会引起转向角较大的变化，连杆每旋转一圈长度便会改变1mm，而1mm会使转向角改变2.5度。因此螺杆要旋转的角度要视轨迹的偏离情况而定。
通过在地面上贴纸的方式，调车的精度能到20根杆，若直线距离再远，则在纸上画线便会过密，肉眼很难再进行定位。为了克服这一困难采用了一种更加精确的定发车角度的方式，即激光笔。在用纸粗定发车角之后，在距发车线20m远处放上带刻度的板子，并使板子与地面垂直，0刻度线位于障碍物所在的直线上;把激光笔固定在小车前叉的平台上，通过改变激光点所在的刻度来改变发射角度。由于贴纸法调节范围广，调节速度快，但调节精度低，所以用于角度的粗调;而激光笔调节法，调节精度高，但调节范围小，所以适合粗调完成后的精调。两种方式各有利弊，综合利用取长补短，使得小车的调节得到完善。
小车的行走过程是一个不断磨合的过程。在不断的行走练习过程中，小车的各种零件才能实现更好的配合。
4结语
在无碳小车的设计、制造和调试过程中要有严谨的科研精神，科学是容不得半点马虎的，小车设计是一个用科学来指导实践，把科学运用到实践中去的过程。既然是指导实践，就应该做到事无巨细，考虑周全，在设计的过程中，不应放过每一个细节。小车的制造，是要经过方案设计，三维设计，优化及修改，Cad出图，图纸审核等过程来完成的，在此过程中有大量的工作要做，考验了团队的合作和分工能力以及团队精神。而小车的调试是一个漫长而充满困难的过程，考验着调试人员的耐心和毅力，以及在实践中应用理论知识、不断总结经验、创新思维的能力。
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