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摘要：针对第三届全国大学生工程训练综合竞赛“无碳小车”主题，设计一种以重力势能驱动具有方向控制功能8字形轨迹自行小车，提出了一种创新设计，设计出一种结构简单，制作容易的无碳小车，该小车特点是：小车为边三轮结构，采用共轭凸轮滚子直动推杆转向机构，采用了动滑轮组、锥形滚筒及约束导轨，提高了能量利用率及行驶稳定性，使得行驶轨迹更精确，行驶路程更远。本设计为日常生活、工业生产、儿童玩具车中需要“8”字形轨迹控制的小车机构设计提供了借鉴，有较好应用价值。
关键词：无碳小车、8字形轨迹、方向控制、共轭凸轮、机构设计
1 引言
当今世界，科学技术飞速发展，人们生活水平不断提高，然而环境污染也日益严重，可持续发展已成时代潮流，“低碳生活”观念已成共识。坚持科学发展观，走可持续发展道路是社会发展必然趋势，现在许多发达国家都把无碳技术运用到工农业及日常生活各领域，我国也在加大无碳生产技术的研究。鉴于此，设计无碳小车模型具有重要意义。小车设计要求：全部能量由重力势能提供，能绕一定间距两障碍物走8字形轨迹，能自动转向。
2 运动轨迹分析及设计
小车在行驶时能绕一定间距两障碍物沿8字形循环绕行，要求转向机构能周期转向，在速度一定下，必须保证小车运动轨迹曲率是连续的，否则曲率突然改变，小车容易晃动甚至倾覆。因此，可将小车轨迹设计成由两个相切的圆组成的8字形，使小车在每走完半个8字时转向机构换向一次，即实现8字绕行。
3 驱动及转向原理
重物下降过程中，重力势能通过绳轮式原动机构传递给后轮轴，轴带动后轮转动，带轮传动机构将能量传递给共轭凸轮滚子直动推杆转向机构，控制小车前轮自动转向，在行走机构驱动下使小车前行，根据小车行驶8字形轨迹大小来设计带轮传动机构传动比及转向机构凸轮形状，同时在微调机构调节下对前轮摆角进行微调，使前轮在每走完半个8字时转向一次，即实现小车走8字形轨迹。
图4：驱动转向原理图（2. 驱动轴4.滚筒 6.带轮 8.定滑轮 12.凸轮18.前轮 20.边轮 23.后轮24.小带轮）
4 机构设计
根据功能要求把小车分为原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构四个模块，进行模块化设计。分别针对每个模块进行多方案设计，通过综合对比选择最优方案组合。为使设计尽可能做到科学合理，在满足功能前提下尽量降低成本，设计须做到系统性规范性和创新性，须综合考虑材料 、加工、成本等各因素。
设计为边三轮结构，小车的固定框架为三角底板式、原动机构采用了锥形滚筒及动滑轮、传动机构采用带轮传动、转向机构采用共轭凸轮滚子直动推杆、行走机构采用单轮驱动。
4.1 原动机构设计
原动机构功能是将重力势能转化为小车动能。为了满足功能，原动机构必须满足条件：a.起动力矩大，起动后牵引力适中使小车平稳行驶，不至拐弯速度过大倾翻；b.到达终点前速度要小，避免对小车冲击。使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，若重块竖直方向速度较大，重块还有较多动能未释放，能量利用率不高。c.不同场地摩擦力不同，小车需要的动力也不同，因此要求牵引力可调。
4.2 传动机构设计。
传动机构功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶远及轨迹精确，传动机构必需效率高、传动平稳、结构简单。不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，效率最高、结构最简，但功能实现很难；齿轮传动效率高、传动比稳定但價格高，加工复杂，安装难度大；链传动具有传动平稳，传动比稳定，工作可靠等优点，但其安装、加工制造复杂、价格较高。综合各种传动机构优劣及传动稳定，加工制造，安装调节、造价等因素，设计中选择带轮传动。
4.3 转向机构设计
小车要完成8字轨迹，必须能周期性转向，在速度一定下，必须保证小车的运动轨迹曲率连续变化，小车才能平稳行驶，否则曲率突然改变，小车易晃动甚至倾覆。这要求转向机构精确可靠，运行平稳。
凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，运动时，通过高副接触可使从动件获得连续或不连续的预期往复运动。设计适当凸轮轮廓便可使从动件得到任意预期运动，且结构简单紧凑、设计方便。因此，设计采用共轭凸轮滚子直动推杆转向机构，推杆的一端通过滑块与控制前轮的摇杆相连，形成滑块摇杆机构控制前轮转向。
4.4 行走机构设计
行走机构是小车运动执行部件，小车驱动使用后轮驱动，可行方案有双轮同步驱动，差速驱动，单轮驱动。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑产生滑动摩擦，使得能量利用率降低，且小车前进受到过多约束，轨迹误差增大；双轮差速驱动可避免双轮同步驱动的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速，同时差速器能较好的减少摩擦，但单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动失准；考虑到加工难度及成本，设计了单轮驱动。
5 结语
本设计主要注重方案设计，在方案设计时对主要机构设计进行了多方案对比分析。与其它类似小车模型相比，本设计更注重能量利用率、车体结构稳定性、轨迹运行精确性，机构简单性，及制造成本。同时本小车不仅结构简单，且成本低；使用动滑轮组，能有效延长小车行驶距离，提高能量利用率；采用边三轮结构及单轮驱动解决了小车转弯，从动轮打滑问题，使轨迹更稳定。采用约束导轨，重块在三根立柱约束导轨内滑落，避免了重块在小车行驶中摆动，提高了稳定性；采用共轭凸轮转向机构，能够精确控制小车转向。
参考文献：
[1]濮良贵、纪名刚.西北工业大学机械设计（第八版）[M].高等教育出版社.
[2] 孙桓 、陈作模.西北工业大学机械原理（第七版）[M].高等教育出版社
[3]赵长发.机械制造工艺学[M].哈尔滨工程大学出版社
关键词：无碳小车、8字形轨迹、方向控制、共轭凸轮、机构设计
1 引言
当今世界，科学技术飞速发展，人们生活水平不断提高，然而环境污染也日益严重，可持续发展已成时代潮流，“低碳生活”观念已成共识。坚持科学发展观，走可持续发展道路是社会发展必然趋势，现在许多发达国家都把无碳技术运用到工农业及日常生活各领域，我国也在加大无碳生产技术的研究。鉴于此，设计无碳小车模型具有重要意义。小车设计要求：全部能量由重力势能提供，能绕一定间距两障碍物走8字形轨迹，能自动转向。
2 运动轨迹分析及设计
小车在行驶时能绕一定间距两障碍物沿8字形循环绕行，要求转向机构能周期转向，在速度一定下，必须保证小车运动轨迹曲率是连续的，否则曲率突然改变，小车容易晃动甚至倾覆。因此，可将小车轨迹设计成由两个相切的圆组成的8字形，使小车在每走完半个8字时转向机构换向一次，即实现8字绕行。
3 驱动及转向原理
重物下降过程中，重力势能通过绳轮式原动机构传递给后轮轴，轴带动后轮转动，带轮传动机构将能量传递给共轭凸轮滚子直动推杆转向机构，控制小车前轮自动转向，在行走机构驱动下使小车前行，根据小车行驶8字形轨迹大小来设计带轮传动机构传动比及转向机构凸轮形状，同时在微调机构调节下对前轮摆角进行微调，使前轮在每走完半个8字时转向一次，即实现小车走8字形轨迹。
图4：驱动转向原理图（2. 驱动轴4.滚筒 6.带轮 8.定滑轮 12.凸轮18.前轮 20.边轮 23.后轮24.小带轮）
4 机构设计
根据功能要求把小车分为原动机构 、传动机构 、转向机构 、行走机构四个模块，进行模块化设计。分别针对每个模块进行多方案设计，通过综合对比选择最优方案组合。为使设计尽可能做到科学合理，在满足功能前提下尽量降低成本，设计须做到系统性规范性和创新性，须综合考虑材料 、加工、成本等各因素。
设计为边三轮结构，小车的固定框架为三角底板式、原动机构采用了锥形滚筒及动滑轮、传动机构采用带轮传动、转向机构采用共轭凸轮滚子直动推杆、行走机构采用单轮驱动。
4.1 原动机构设计
原动机构功能是将重力势能转化为小车动能。为了满足功能，原动机构必须满足条件：a.起动力矩大，起动后牵引力适中使小车平稳行驶，不至拐弯速度过大倾翻；b.到达终点前速度要小，避免对小车冲击。使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上，若重块竖直方向速度较大，重块还有较多动能未释放，能量利用率不高。c.不同场地摩擦力不同，小车需要的动力也不同，因此要求牵引力可调。
4.2 传动机构设计。
传动机构功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶远及轨迹精确，传动机构必需效率高、传动平稳、结构简单。不用其它额外的传动装置，直接由动力轴驱动轮子和转向机构，效率最高、结构最简，但功能实现很难；齿轮传动效率高、传动比稳定但價格高，加工复杂，安装难度大；链传动具有传动平稳，传动比稳定，工作可靠等优点，但其安装、加工制造复杂、价格较高。综合各种传动机构优劣及传动稳定，加工制造，安装调节、造价等因素，设计中选择带轮传动。
4.3 转向机构设计
小车要完成8字轨迹，必须能周期性转向，在速度一定下，必须保证小车的运动轨迹曲率连续变化，小车才能平稳行驶，否则曲率突然改变，小车易晃动甚至倾覆。这要求转向机构精确可靠，运行平稳。
凸轮是具有一定曲线轮廓或凹槽的构件，运动时，通过高副接触可使从动件获得连续或不连续的预期往复运动。设计适当凸轮轮廓便可使从动件得到任意预期运动，且结构简单紧凑、设计方便。因此，设计采用共轭凸轮滚子直动推杆转向机构，推杆的一端通过滑块与控制前轮的摇杆相连，形成滑块摇杆机构控制前轮转向。
4.4 行走机构设计
行走机构是小车运动执行部件，小车驱动使用后轮驱动，可行方案有双轮同步驱动，差速驱动，单轮驱动。双轮同步驱动必定有轮子会与地面打滑产生滑动摩擦，使得能量利用率降低，且小车前进受到过多约束，轨迹误差增大；双轮差速驱动可避免双轮同步驱动的问题，可以通过差速器或单向轴承来实现差速，同时差速器能较好的减少摩擦，但单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动失准；考虑到加工难度及成本，设计了单轮驱动。
5 结语
本设计主要注重方案设计，在方案设计时对主要机构设计进行了多方案对比分析。与其它类似小车模型相比，本设计更注重能量利用率、车体结构稳定性、轨迹运行精确性，机构简单性，及制造成本。同时本小车不仅结构简单，且成本低；使用动滑轮组，能有效延长小车行驶距离，提高能量利用率；采用边三轮结构及单轮驱动解决了小车转弯，从动轮打滑问题，使轨迹更稳定。采用约束导轨，重块在三根立柱约束导轨内滑落，避免了重块在小车行驶中摆动，提高了稳定性；采用共轭凸轮转向机构，能够精确控制小车转向。
参考文献：
[1]濮良贵、纪名刚.西北工业大学机械设计（第八版）[M].高等教育出版社.
[2] 孙桓 、陈作模.西北工业大学机械原理（第七版）[M].高等教育出版社
[3]赵长发.机械制造工艺学[M].哈尔滨工程大学出版社