8字形軌跡無碳小車的創新性設計

摘要：針對第三屆全國大學生工程訓練綜合競賽“無碳小車”主題，設計一種以重力勢能驅動具有方向控制功能8字形軌跡自行小車，提出了一種創新設計，設計出一種結構簡單，制作容易的無碳小車，該小車特點是：小車為邊三輪結構，采用共軛凸輪滾子直動推桿轉向機構，采用了動滑輪組、錐形滾筒及約束導軌，提高了能量利用率及行駛穩定性，使得行駛軌跡更精確，行駛路程更遠。本設計為日常生活、工業生產、兒童玩具車中需要“8”字形軌跡控制的小車機構設計提供了借鑒，有較好應用價值。

關鍵詞：無碳小車、8字形軌跡、方向控制、共軛凸輪、機構設計

1 引言

當今世界，科學技術飛速發展，人們生活水平不斷提高，然而環境污染也日益嚴重，可持續發展已成時代潮流，“低碳生活”觀念已成共識。堅持科學發展觀，走可持續發展道路是社會發展必然趨勢，現在許多發達國家都把無碳技術運用到工農業及日常生活各領域，我國也在加大無碳生產技術的研究。鑒于此，設計無碳小車模型具有重要意義。小車設計要求：全部能量由重力勢能提供，能繞一定間距兩障礙物走8字形軌跡，能自動轉向。

2 運動軌跡分析及設計

小車在行駛時能繞一定間距兩障礙物沿8字形循環繞行，要求轉向機構能周期轉向，在速度一定下，必須保證小車運動軌跡曲率是連續的，否則曲率突然改變，小車容易晃動甚至傾覆。因此，可將小車軌跡設計成由兩個相切的圓組成的8字形，使小車在每走完半個8字時轉向機構換向一次，即實現8字繞行。

3 驅動及轉向原理

重物下降過程中，重力勢能通過繩輪式原動機構傳遞給后輪軸，軸帶動后輪轉動，帶輪傳動機構將能量傳遞給共軛凸輪滾子直動推桿轉向機構，控制小車前輪自動轉向，在行走機構驅動下使小車前行，根據小車行駛8字形軌跡大小來設計帶輪傳動機構傳動比及轉向機構凸輪形狀，同時在微調機構調節下對前輪擺角進行微調，使前輪在每走完半個8字時轉向一次，即實現小車走8字形軌跡。

圖4：驅動轉向原理圖（2. 驅動軸4.滾筒 6.帶輪 8.定滑輪 12.凸輪18.前輪 20.邊輪 23.后輪24.小帶輪）

4 機構設計

根據功能要求把小車分為原動機構 、傳動機構 、轉向機構 、行走機構四個模塊，進行模塊化設計。分別針對每個模塊進行多方案設計，通過綜合對比選擇最優方案組合。為使設計盡可能做到科學合理，在滿足功能前提下盡量降低成本，設計須做到系統性規范性和創新性，須綜合考慮材料 、加工、成本等各因素。

設計為邊三輪結構，小車的固定框架為三角底板式、原動機構采用了錐形滾筒及動滑輪、傳動機構采用帶輪傳動、轉向機構采用共軛凸輪滾子直動推桿、行走機構采用單輪驅動。

4.1 原動機構設計

原動機構功能是將重力勢能轉化為小車動能。為了滿足功能，原動機構必須滿足條件：a.起動力矩大，起動后牽引力適中使小車平穩行駛，不至拐彎速度過大傾翻；b.到達終點前速度要小，避免對小車沖擊。使重塊的動能盡可能的轉化到驅動小車前進上，若重塊豎直方向速度較大，重塊還有較多動能未釋放，能量利用率不高。c.不同場地摩擦力不同，小車需要的動力也不同，因此要求牽引力可調。

4.2 傳動機構設計。

傳動機構功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車行駛遠及軌跡精確，傳動機構必需效率高、傳動平穩、結構簡單。不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅動輪子和轉向機構，效率最高、結構最簡，但功能實現很難；齒輪傳動效率高、傳動比穩定但價格高，加工復雜，安裝難度大；鏈傳動具有傳動平穩，傳動比穩定，工作可靠等優點，但其安裝、加工制造復雜、價格較高。綜合各種傳動機構優劣及傳動穩定，加工制造，安裝調節、造價等因素，設計中選擇帶輪傳動。

4.3 轉向機構設計

小車要完成8字軌跡，必須能周期性轉向，在速度一定下，必須保證小車的運動軌跡曲率連續變化，小車才能平穩行駛，否則曲率突然改變，小車易晃動甚至傾覆。這要求轉向機構精確可靠，運行平穩。

凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構件，運動時，通過高副接觸可使從動件獲得連續或不連續的預期往復運動。設計適當凸輪輪廓便可使從動件得到任意預期運動，且結構簡單緊湊、設計方便。因此，設計采用共軛凸輪滾子直動推桿轉向機構，推桿的一端通過滑塊與控制前輪的搖桿相連，形成滑塊搖桿機構控制前輪轉向。

4.4 行走機構設計

行走機構是小車運動執行部件，小車驅動使用后輪驅動，可行方案有雙輪同步驅動，差速驅動，單輪驅動。雙輪同步驅動必定有輪子會與地面打滑產生滑動摩擦，使得能量利用率降低，且小車前進受到過多約束，軌跡誤差增大；雙輪差速驅動可避免雙輪同步驅動的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現差速，同時差速器能較好的減少摩擦，但單向軸承存在側隙，在主動輪從動輪切換過程中出現誤差導致運動失準；考慮到加工難度及成本，設計了單輪驅動。

5 結語

本設計主要注重方案設計，在方案設計時對主要機構設計進行了多方案對比分析。與其它類似小車模型相比，本設計更注重能量利用率、車體結構穩定性、軌跡運行精確性，機構簡單性，及制造成本。同時本小車不僅結構簡單，且成本低；使用動滑輪組，能有效延長小車行駛距離，提高能量利用率；采用邊三輪結構及單輪驅動解決了小車轉彎，從動輪打滑問題，使軌跡更穩定。采用約束導軌，重塊在三根立柱約束導軌內滑落，避免了重塊在小車行駛中擺動，提高了穩定性；采用共軛凸輪轉向機構，能夠精確控制小車轉向。

參考文獻：

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