“无碳小车”机械结构的创新性设计及仿真分析

无碳小车-根据第四届全国大学生工程训练综合能蠹竞赛命题嚣鳞謦无碳小车”的要求，设计了新型无碳小车。通过SolidWorks三维软件对小车进行建模，并进行轨迹路径仿真分析；伺时对驱动轴进行静力学分析。经分析可知，所设计的新型无碳小车满足大赛要求，为小车的进一步设计提供理论参考。

0 引言

1、无碳小车-设计要求及方案

应用能量转换原理，设计一种由重力势能转换为动能的无碳小车，应满足如下设计要求：1)驱动小车行走及转向的能量由质量为lkg的标准砝码(φ50x65mm，普通碳钢)下落获得，标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落；2)小车应具有可调节的转向控制机构，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地；3)小车车体采用三轮结构，应具有足够的刚度和强度，降低小车行走过程中的振动。

在满足设计要求的前提下，整体外形设计成等腰三角形结构，其整体结构如图1所示。

小车机构的设计方案为：1)驱动机构。通过定滑轮转动带动前轮驱动轴旋转，从而驱动车轮行走。驱动轮采用单轮驱动的方式解决双轮驱动存在的差速问题。2)增程机构。应用l：10的定滑轮组作为绕线轮，降低机构复杂性，提高能量转化效率。3)转向机构。应用同步齿形带传动机构、曲柄滑块机构及齿轮齿条传动机构相结合实现小车后轮的精确导向。4)微调机构。由小车所行走的杆距调整机构和前轮摆角微调机构组成。

2 关键性机构设计

2.1 驱动机构

无碳小车是依靠重力势能转化为动能驱动小车行走，表1为三轮小车驱动机构日的设计方案设计如下：通过对比，选择方案3单轮驱动前置、双轮转向后置作为小车的驱动机构，以满足力矩损耗程度较低和机构复杂程度较小等要求。

2.2 增程机构

通过对比最终选择方案4为最佳方案。

2.3 转向机构

无碳小车必须按照s型轨迹往复运动行走，为此需对小车设计转向机构。在小车转向机构中，需要小车转向轮随着驱动轮的行走进行往复运动。

2.4 微调机构

无碳小车微调机构的主要目的有两点：其—是保证在曲柄滑块机构中能适应于绕行不同杆距，该机构应用细牙螺杆与螺母配合实现曲柄大小调节；其二是调整小车左右偏角。

3 仿真分析

应用SolidWorks对无碳小车进行三维模型建立。通过对轨迹路径的仿真分析，并对小车驱动轴的应力分布情况进行静力学分析，保证表2增程机构设计方案其承载强度在有效范围内。

1)小车轨迹仿真分析。如图2所示为小车路径仿真分析结果，经分析可知，无碳小车行走轨迹符合设计要求，而且运行过程较为稳定，能够按照S形轨迹行走，因此验证了小车整体设计结构较为合理。2)小车驱动轴静力学分析。根据建立好的模型很容易建立有限元模型，将其转换成 格模型便于进行分析，经分析可知在轴两端加上一定的力后，驱动轴受力均匀，不会产生断裂现象，证明了设计的合理性。

4 试验验证

无碳小车经过前期研究、设计、仿真分析和后期加工、装配及调试等工序最终完成实物的制作。通过对小车进行实际操作验证，最终无碳小车在lkg砝码下落400±2mm的重力势能作用下，可实现700～1300mm间任意杆距的绕行，小车实际行走的垂直距离为3500mm，满足设计要求。

5无碳小车- 结语