“S形轨迹无碳小车的结构设计
摘要：针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，设计一辆通过重力驱动的纯机械结构的无碳小车，且小车具有周期性越障功能。通过所学知识，设计并制作该小车，参加比赛。设定不同的参数，借助工程软件MATLAB对小车的轨迹进行仿真计算。通过分析，设计出一辆满足比赛要求的小车。并且通过调试证明，小车能够稳定行驶，具有较高的可靠性。关键词：无碳小车越障轨迹仿真0前言
本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于“S”形轨迹的要求，
设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小
车。小车为三轮结构，前轮为方向轮；后面一轮为驱动轮，一轮为从动轮。小车具
有可调节的转向控制机构，以适应7001300mm间距的不同间距障碍物。1小车结构设计
本文把小车的机构分为：原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身。除了轴承、螺栓螺母等标准件可以直接选用外，小车的其余部件均使用LY102铝合金制作。本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调，满足强度要求、实现不同距离的越障功能。下面是各个机构的设计：原动机构设计
原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能，从而驱动小车前进和转向的机构。重物是1kg的标准砝码，重物周围是三根均布的钢管，从而约束重物的自由度，使重物直线下降，减少了能量损失，保证了小车重心的稳定性。重物通过尼龙线绕在小车的绳轮上，在下降的过程中，带动绳轮的转动，实现了能量转换。在实际测试中，证明了该结构简单、能量转化率高、成本低等特点。传动机构设计
传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽，本文设计的小车的传动机构由后轮、一级齿轮、及其相关零件组成。由于小车具有转向的功能，为不干扰小车的转向，后轮采用差速连接。小车的右后轮为主动轮，左后轮为从动轮。主动轮与传动机构相连，驱使小车的运动，从轮轮用轴承空套在后轴上，跟随小车的运动。为了适应不同间距越障，同时增大小车行驶的距离，我们采用多组齿轮啮合的方式将7001300mm的间距大致分为三组：700900mm，9001100mm，11001300mm。分组后可根据不同障碍物间距，对应着不同组齿轮的啮合，从而调整越障的幅度。与单组齿轮传动相比，这种传动方法越过的障碍物更多，行走距离更远。下图是传动机构的齿轮分布图，通过移动后轮轴上的齿轮组，则可以切换不同组齿轮的啮合。
f图3传动齿轮分布示意图
根据本文设计，两后轮轮距为150mm，且后轮的直径r