二、结构设计

2.1 机械总功能分解及功能元解

表1.势能转向小车形态学矩阵

功能元 1 A势能转化 重物+滚筒绕线轮 2 重物+飞轮机构 功能元解 3 发条弹簧机构 4 橡皮筋势能装置 B直线分量行走 后双轮差速驱动 C前轮摆动 凸轮+推杆机构 曲柄+摇杆机构 不完全齿轮 槽轮+万向节机构 D中间传动 齿轮机构 皮带轮机构 E 微调机构 可调节螺母 可调节连杆 更换凸轮 更换后轮

2.2．机构选型与方案对比

正式进入机构方案分析时，必须遵守以下的选型原则

2.3.1机构选型的基本原则

① 满足工艺动作和运动要求。 ② 结构最简单,传动链最短。

③ 原动机的选择有利于简化结构和改善运动质量。 ④ 机构有尽可能好的动力性能。 ⑤ 机器操纵方便、调整容易、安全耐用。 ⑥ 加工制造方便，经济成本低。 ⑦ 具有较高的生产效率与机械效率。

2.4势能转化机构分析

原动机构的作用是将势能转化为小车的动能。能实现这一功能的方案有多种，小车对原动机构还有其它的具体要求：

1.驱动力适中，不至于小车拐弯时速度过大倾翻，或重块晃动厉害影响行走。 2.到达终点前重块竖直方向的速度要尽可能小，避免对小车过大的冲击。 同时使重块的动能尽可能的转化到驱动小车前进上。 3.机构简单，效率高。

2.4.1重物锥台轮机构功能元解的优缺点

优点：成本低廉,结构常见比较熟悉。可以通过改变绳子绕在绳轮上不同位置来改变其输出的动力。滚筒的设计实现了小车的起动和重物的从低速到减速下落，减小了因碰撞而损失的能量。

缺点：重锤下降时与小车一同运动，导致重锤下降不稳定间接影响小车行走轨迹的精度；另外因重锤质量不容忽略，导致车子整体质量大，从而与地面间的滚动阻力变大较大，能量消耗较快，行驶最远路程就短

图4.滚筒设计

2.4.2重物飞轮机构功能元解的优缺点

优点：在储能完毕后，释放能量阶段能做到平稳连续输出。 缺点：质量大，占用体积空间大。

图5.飞轮与后轮轴固连

2.5.3发条弹簧机构功能元解的优缺点

优点：在小车运动前已储能完毕，在小车运动时稳定释放能量

缺点：发条在储能和释放能量时都会消耗能量，因而能量有效利用率不高

图6.发条弹簧

2.5.4橡皮筋结构功能元解的优缺点

优点：成本低廉、橡皮筋质量低，对小车运动过程影响几乎可以忽略

缺点：很难精准控制储能大小，能量释放时间过于短暂，零件间容易打滑浪费能量。

2.6.1后双轮差速驱动功能元解的优缺点

优点：在小车行驶过程中，驱动轮不会打滑，轨迹更为准确。 缺点：装配时要求同轴心，精度要求高；

2.7前轮摆动机构分析

转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件已获得等基本条件，同时还需要有特殊的运动特性。能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动。

2.7.1凸轮推杆机构功能元解的优缺点

优点：适当地设计出凸轮的轮廓曲线后就可以使推杆精准地实现所需的运动规律，而且响应快速；

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损；凸轮精准制造较困难；需使用额外机构，利用弹簧力与使凸轮与推杆保持接触；

图7.齿轮机构 2.7.2曲柄摇杆机构功能元解的优缺点

优点：连杆机构中的运动副为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，易润滑，损耗能量少，且运动副一般是几何封闭，对保证小车行进的可靠性有利。

缺点：由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而构件数目多，传动路线长，若加工不能保证适当精度，易产生较大的误差积累，也使机械效率降低。 2.8中间传动机构分析

传动概述：传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单重量轻 2.8.1齿轮传动机构功能元解的优缺点

优点：齿轮具有效率高、适用的载荷和速度范围大、工作可靠、传动比稳定。 缺点：但价格较高，且传动距离比较短

图8.齿轮机构