S型賽道小車避障設計研究

摘要：根據小車所需完成的功能要求，劃分了多個機構進行設計研究。對動力機構和轉向機構做了詳細論述，并結合實際情況做出了適當改進。該小車的動力來源為4J的重力勢能，小車前行過程中完成的所有動作所需的能量均由此能量轉換獲得，當重錘下落時通過齒輪傳遞帶動主動輪軸轉動，小車前行，同時大齒輪的轉動傳遞動力給曲柄偏心連桿機構使得小車前輪周期性擺動，實現轉向。

關鍵詞：小車；轉向機構；改進；齒輪

1.小車的結構設計

1.1.轉向機構

小車的機構設計[1] 中轉向機構是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的功能。轉向機構也同樣需要盡可能的減少摩擦耗能，結構簡單，零部件已獲得等基本條件，同時還需要有特殊的運動特性。能夠將旋轉運動轉化為滿足要求的來回擺動運動，帶動轉向輪左右轉動從而實現拐彎避障的功能。本小車采用偏心連桿機構[2]，此運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，精度較高。如圖1所示，當重塊下降時，由繩子的拉力帶動驅動軸2回轉，通過大齒輪5和小齒輪4帶動后輪軸1回轉，從而驅動小車前進。在大齒輪上裝一偏心軸與前輪支架7連接。當大齒輪旋轉時，通過連桿6帶動前輪支架擺動，從而實現轉向。

1.2.動力機構

動力機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力。能實現這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優。小車對動力機構的具體要求如下：①重塊的質量已知，在小車設計時要注意考慮小車的重心和穩定性，以防小車拐彎時速度過大傾翻，或重塊晃動厲害影響行走[3]；②到達終點前重塊豎直方向的速度要盡可能小，即盡可能地使重塊的動能轉化到驅動小車前進上；③由于比賽場地已確定，故對輪子的摩擦也一定，因此動力機構在設計時要符合小車的運動要求（如能克服摩擦，速度穩定等）；④機構簡單、效率高。小車底板的材料為塑料板，上面安裝軸承座以支承輸入軸、驅動軸、吊掛重物的立桿等，小車的轉向輪架也通過軸承固定在底板上。

由以上要求，通過分析我們提出了如下圖2的繩輪式動力機構：

2.設計的改進[4]

由于實際試驗過程中小車的運動不是很理想，主要在于連桿6的設計造成的小車轉向問題、連桿和底板的碰撞問題。在綜合考慮了結構簡單、運行靈活、降低成本等方面的因素后，在實際的轉向設計中我們采用了可靈活轉動的連桿機構來代替原來的連桿6，當大齒輪轉動時，一方面通過小齒輪帶動后輪較快的轉動，另一方面通過連桿的運動帶動小輪緩慢勻速的轉向，實現了較好的轉向；對于碰撞問題，我們通過對底板的側片防護裝置進行部分拆除和改進后，可避免連桿與底板的碰撞現象。

3.運行軌跡及參數確定[5]

小車需按圖3所示的拋物軌跡運行，一個周期大約需行走2.26m，若取后輪直徑D=120，則后輪轉6圈小車運行一個軌跡周期。取齒輪傳動比為1：6，則在一個運行周期內大齒輪轉動一轉，帶動小齒輪轉6轉，則后輪轉6轉，此時前輪擺動一個來回，小車完成一個周期的運動。由于大小齒輪齒數比為6：1，可取大齒輪齒數為Z160，小齒輪為Z210，模數m=1。

4.評價分析

通過實際試驗和結果分析，可知本方案優點有，小車結構簡單，傳動合理，選材合理，經濟性好，達到了設計預期目標。當然還存在一些不足，如小車精度要求高，使得加工零件成本高。綜上所述，本文主要通過介紹小車轉向機構和原動機構，并對其可行性進行了分析和改進。通過本次的研究學習，增強了我們在創新設計方面的能力。

參考文獻：

[1]朱龍根.機械系統設計[M].北京：機械工業出版社，2012：P20

[2]申永勝. 機械原理教程 [M]. 第2版.北京：清華大學出版社，2005：P31

[3]哈爾濱工業大學理論力學教研室. 理論力學（I） [M]. 第7版.北京：高等教育出版社，2009：P79

[4]濮良貴 紀名剛 陳國定.機械設計 [M]. 第8版.北京：高等教育出版社，2006：P186

[5]程守洙 江之永.普通物理學 [M]. 第6版.北京：高等教育出版社，2006：P14

第一作者簡介：朱大風，男，1992年出生，湖北鐘祥，中國礦業大學（北京）本科生，機械工程及自動化專業，研究方向：機械工程及自動化