无碳小车初步设计说明书
摘要：本小组任务为设计一种能实现s型曲线壁障的无碳小车。该小车的主要结构包含驱动部分（势能转换装置）和转向部分。针对小车起动力矩不稳定和小车行驶过程中速度控制的需要等，我们在计算的基础上设计了锥形（或变半径型）绕线轮以实现驱动力可调。针对小车行驶轨迹不准确以及障碍间距可调要求，我们设计了可调转向机构以实现轨迹可调。另外，针对减轻车身重量和降低车身重心等因数我们也做了详细设计考虑。
一、 主要结构设计
1.势能转换机构
势能转换机构的作用是将重块的重力势能转化为小车的驱动力。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。小车对驱动机构还有其它的具体要求。1）需要驱动力可调以实现车速控制。2)由于不同场地摩阻系数有差别以及系统摩擦等引起的误差导致对驱动力要求有变。
基于以上分析我们选择了输出驱动力可调的绳轮式原动机构（锥形绕线轮）。如下图所示。
2．传动机构
在考虑小车整体结构的基础上我们选用了齿轮传动。齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定。
3.行走机构
根据设计要求小车为3轮结构。其中最前面为转向轮以实现转向。由于小车沿曲线前进，后轮必定产生差速，为避免后轮与地面打滑造成能量损失。我们采用单轮驱动，即前轮为转向轮后轮一个为驱动轮一个为从动轮。
4.转向机构
由于凸轮轮廓复杂且实现轨迹周期调节较难，我们选用了同心轮（曲柄）+导向推杆+摇杆的转向机构。结构如下图
综合以上分析设计的小车结构简图如图（1）
图（1）
小车三维模型如图（2）
图二
以上图形不包含具体细节结构
二．主要结构尺寸设计分析
1. 驱动部分传动设计
1.1车轮直径确定：
由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为
对于相同的材料
为一定值。这里车轮选用铝合金，场地为木地板。据此,查资料取=2mm
而滚动摩擦阻力
，所以轮子越大，小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。但由于加工问题材料问题安装问题等考虑这里暂取车轮直径D=200mm。
1.2驱动齿轮传动比、绕线轮半径设计：
重块: 
, 粗略估计小车车身重
,小车行驶总载重：m=1.8kg 假设每个车轮均承重N=
mg.
则驱动轮的最大滚动摩阻力偶矩:
=N =mg=2
=12 N·mm
则使轴1的驱动力矩
=12N·mm
由本结构设计计算得能使驱动轮转动的齿轮1、2的传动比
（计算过程此处省略，
为绕线轮半径)
基于实际情况和结构合理性的分析考虑取绕线轮平均半径：
。则传动比
由于我们采用了锥形（或变半径型）绕线轮，在小车刚启动时需要力矩较大，则可将线绕在绕线轮较大段。行驶过程中为使小车匀速前进可将线绕在=6mm处，使动力矩与滚动摩阻力矩平衡。重物快下落完时将线绕在绕线轮较小段使小车减速前进，以减小重物落下瞬间冲击能量损失。
1.3齿轮设计
由于小车传动力不大所以我们选择标准圆柱直齿齿轮，模数采用国家标准系列模数m=1.5mm，齿轮1齿数取
15,则其分度圆直径
，齿轮2齿数
取
68，其分度圆直径
。
2.转向机构分析
转向机构原理简图如图（3）
2.1机构组成如下：
1）与齿轮1和齿轮2成定比转动的齿轮3（同心轮即曲柄与该齿轮为一体）。
2）只有一个自由度即一个移动方向的推杆。
3）与转向轮固定控制转向的摇杆。
2.2转向实现分析
此转向机构通过齿轮3与驱动轮的定比转动，推动摇杆转动实现周期转向使小车按照固定轨迹运动。
设齿轮3转过角度为
时相应摇杆转过角度为
，则由图（3）可看出
，而即为转向轮的转角。转角的变化范围为
，最大转角对应图中的位置2和位置3。
2.3运动轨迹影响因素分析。
由以上分析可以看出转向轮转角是随着角的周期变化而逐渐在一定范围内交替变化。所以小车行驶过程中无速度突变，其轨迹为光滑曲线，这样小车行驶也跟平稳。轨迹如图（4）
分析可知影响轨迹周期的因素有r与L的比值，和传动比
。
1） 
直接影响转角范围，也间接影响轨迹偏离中线的距离。如图（4）中轨迹1的转角范围大于轨迹2的转角范围。若传动比不变，即齿轮3旋转一周驱动轮行驶距离不变，则运动轨迹相邻峰距随r和L的比值减小而变大，因此改变r和L的值即可适用于不同距离障碍的行驶。
2） 传动比确定了齿轮3每转一周驱动轮行驶距离，即一个轨迹周期的线距离。当r和L比值不变时，传动比越大轨迹相邻峰距越大。如图（4）中轨迹1和轨迹3。因此变换传动比也可实现不同距离障碍的绕行。
根据以上分析可采用三个设计变量的改变实现不同间距障碍绕行。传动比的改变需要跟换齿轮且只能实现某些固定传动比以适应某些固定间距障碍。但改变传动比可以满足间距变化较大的情况。r和L的调节较容易实现且能无极调节。但由于r与L比值对轨迹调节力度有限，当障碍间距变化较大时仅改变r和L比值无法实现绕行。因此，我们采用三个变量同时配合调节，传动比实现改变较大的粗调，r与L比值实现微调。
转向机构如下图，图中1为导轨固定在有凹槽的基座3上，限制推杆只能前后移动，导轨1在凹槽基座3上的位置可调节以实现L的长度调节，零件2固定在推杆上和与转向轮连为一体的导轨高副连接，圆柱4固定在带凹槽的齿轮上和推杆上的滑道高副连接，当需要调节r的值时，将圆柱4在齿轮上移动后在固定并将2重新固定在推杆上相应的位置。
采用轨迹分析法即可求出相应的尺寸要求，以图（4）中轨迹1为例，由于我们的车身宽大约为200mm障碍物直径20mm,则小车要顺利绕过障碍物,轨迹与障碍之间距离至少为110mm,因此我们采用轨迹1，流出了90mm的安全距离。基于此轨迹分析计算我们设计尺寸为 =2.2, r=20mm,L=18mm。
以上为无碳小车主要设计的初步说明，如降低重心减轻车身等细节结构暂不详细说明。