“8”字循跡無碳小車創新設計

[摘 要] 根據浙江省首屆大學生工程訓練綜合能力競賽要求，設計了一種“8”字循跡小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，完全由給定的重力勢能轉換而來。通過不斷地摸索，在有限的加工條件下，提高了小車的運行效率和穩定性，還通過創新應用制造材料減少了車身重量和摩擦損耗，增加了續航能力。經過實踐檢驗，設計方案可行性得到肯定，也在比賽中取得了較好的成績。

[關鍵詞] 小車；“8”字循跡；齒輪傳動；萬向節轉向機構

[中圖分類號] TP273.5 [文獻標識碼] A

1 任務分析

根據浙江省首屆大學生工程訓練綜合能力競賽要求：小車為三輪結構，驅動小車行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，全部由給定重力勢能轉換而來的。給定重力勢能為4焦耳，競賽時統一用質量為1 Kg的重塊（￠50×65 mm，普通碳鋼）鉛垂下降來獲得，落差400±2 mm（如圖1），重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。

對應要求制作目標小車，使得其在半張標準乒乓球臺（長1 525 mm、寬1 370 mm）上，繞相距一定距離的兩個障礙沿8字形軌跡繞行，繞行時不撞倒障礙物，并且不掉下球臺。障礙物為直徑20 mm、長200 mm的2個圓棒，相距一定距離放置在半張標準乒乓球臺的中線上，并且要求本小車可以隨著障礙物相對位置改變而改變運動軌跡并且能實現小車在相應最優化路線上使小車走盡可能多的8字。

2 設計思路

小車通過齒輪傳動實現重物重力勢能與小車動能的轉換以及減速功能。重物通過合理的方式為連接到小車的驅動機構以及轉向機構，提供恒定或者周期性變換的能量；轉向機構應滿足軌跡可調，即轉向角度、時間等影響因素的可調。最后，通過對三輪小車進行運動分析，獲得最優機構設計。設計方案見圖2。

2.1 關鍵機構的設計

本小車的關鍵機構包括涵蓋重力勢能的轉化及合理分配的驅動機構和涉及前輪轉向角度以及前后輪行程分配的轉向機構，兩者都是關系到小車運動軌跡是否正確的決定因素。

2.1.1 傳動機構設計

驅動機構主要由重物、鋼絲繩、齒輪、定滑輪和繞線盤等組成。其中齒輪設計比較復雜，不同的傳動比直接影響轉向機構的設計。本小車設計過程中是基于理論推理確定傳動比的大概范圍，然后經過實驗來確定最終傳動比，設計過程中主要產生了以下兩個代表性方案：

方案一：二級齒輪傳動。通過定滑輪，利用重物下落帶動階梯軸（兩級）上固定的主動齒輪再帶動安裝在后輪軸上的齒輪再帶動第二級從動齒輪作為轉向機構的基本動力來源，如圖3。

方案二：一級齒輪傳動。通過定滑輪帶動繞線盤（帶弧度）同時帶動同軸相連的主動齒輪并將其作為轉向機構的基本動力來源。再帶動后輪軸上的從動齒輪，將從動齒輪得到的能量作為后輪轉動動力來源，如圖4。

分析：方案一與方案二的傳動機構基本思路相近，但是方案二側重于機構的精簡、車身重量的減輕以及傳動效率的提高。相對于方案一主要優點體現在：功能的集約化更高，直線傳遞次數減少獲得了更高的傳遞效率，繞線方式更簡單，啟動轉矩調整更方便，車體可以小型化，并且能夠使小車行走更長的距離。

2.1.2 轉向機構設計

方案一：凸輪線變軌。在傳動機構設計方案一中的第二級從動齒輪上銑出滿足設計的凸輪線，通過連桿實現前輪的周期性轉向，并要求控制兩次變向的凸輪線處過渡平穩而且能保持恰當的轉向維持時間以避免轉向過度或者不足。在連桿機構連接處采取開槽可調連接，實現軌跡調整功能，如圖5。

方案二：借助球形萬向節在主動齒輪上變半徑方式。利用在傳動機構設計方案二中的主動齒輪上開設一定長度的槽，將球形萬向節的一端固定其上，另一端固定于傳動連桿上再連接到連接前輪和傳動連桿的另一個球形萬向節上。通過齒輪帶動傳動連桿的周期性運動來實現前輪的周期性擺動，齒輪上傳動連桿隨齒輪的擺動半徑可調，相應的小車運動軌跡也可調，如圖6。

分析：方案一傳動精度比方案二高，穩定性要好一些，但是凸輪線的設計、制造過程要求高，不利于整體尺寸的小型化。方案二對于齒輪傳動比以及前后輪直徑的設計要求較為嚴格，球形萬向節的應用犧牲了一定的傳動精度，但可調節性更好，結構更簡單，加工成本、加工難度相對方案一小很多，結合手頭實際擁有的加工設備情況及設計能力，選定方案二更合理。

2.2小車的參數選擇

以方案二為基礎，采用正弦函數： Y=asinπx，周期T=2 m的曲線擬合小車行駛路徑，其中a根據實際繞樁距離調節。轉角正切值Y =aπcosπx，經過后期調試，確定關鍵的零部件參數：

通過計算選定：

第一級齒輪的模數為0.5，齒數為140

第二級齒輪模數為0.5，齒數為20

繞線盤圓弧底、頂部直徑為：52 mm、54 mm

后輪直徑為：101.5 mm

前輪直徑為：21 mm

傳動連桿與萬向節連接狀態下，萬向節中心之間間距：128 mm

重物采用單支撐桿家橫梁結構支撐，利用套筒裝置保證其重心穩定性。

2.3 小車總體設計方案

小車通過一級齒輪傳動實現重物重力勢能與小車動能的轉換以及減速功能。重物通過頂端定滑輪拉動后方的繞線盤，通過繞線盤的軸帶動主動齒輪；通過主動齒輪帶動和它相嚙合的輪軸上的齒輪，從而驅動小車的后輪。轉向機構是由主動齒輪上的萬向節帶動連桿，從而實現小車運動過程中的轉向。小車結構總圖見附圖7。

3 總結

本次設計的小車利用細、質軟、彈性極小的鋼絲繩以及定滑輪實現動力勢能的轉換；利用繞線盤直徑變化的圓弧形設計，針對性調整轉矩，實現平穩啟動及平穩運行；利用球形萬向節連接傳動軸實現前輪自動轉向；通過在齒輪上開調整槽實現前輪轉角的調整，從而實現軌跡可調功能。結構簡單，加工難度低，加工成本小、效率高。但是也存在一些問題，如：利用球形萬向節作為傳動軸的連接部件，結構簡單的同時，精度有所下降，在連續運行過程中造成誤差累積而偏離軌跡。

作者簡介：徐云杰，男，博士，副教授。研究方向：林業機械與自動化。