論一種可行的8字形無碳小車

李云濤等

摘 要： 針對2015年第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽主題為“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。設計一種小車，該小車特點是：小車采用單輪驅動，避免小車啟動時摩擦力較大，能量損失過多；采用鎖止弧、曲柄搖桿機構實現小車的精確運行，行駛的更遠。通過第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽小車結構可行性得到驗證。本設計為在現實生活中很常見，給“8”字運動軌跡相似的產品提供了良好的借鑒，有很好的發展前景。

關鍵詞： 8字形；間歇控制；機構設計；曲柄搖桿機構

1.前言

如今，科學技術日新月異，人們的生活水平有了很大的改善，然而環境污染問題也越來越凸顯出來，因此可持續發展已經被原來越多的人接納。堅持科學發展，走可持續發展的道路，是社會發展必然趨勢，為此我國正在努力將無碳技術應用到工農業及日常生活的各個領域，縮小與發達國家的差距。作為當代有素質的大學生通過自己的知識來設計出一款無碳小車，具有重要的意義。本設計的要求：小車運動所需的能量完全由重力勢能提供，不得提供任何其它能量，且小車為行走時不可人工干預其行走。

2.運動軌跡分析及設計

設樁間距為400mm，一個8字路線總長800π，大輪周長為100π，完成一個8字大輪轉8圈，間歇機構轉2圈如圖1。本設計分為三個階段。階段一：初始時，小車停在8字交點位置，前輪保持最大轉角，不完全齒輪剛好離開完全齒輪，不完全齒輪將空轉3/4圈，小車在前輪角度固定下行走大約3/4圓，之后不完全齒輪撥動完全齒輪，實現轉向如圖2。階段二：完全齒輪被撥動的過程中，前輪由初始最大角回位再反向變到最大角，并保持這一角度前進，此時不完全齒輪剛好離開完全齒輪如圖3。階段三；在此階段，小車走過大概3/4圓，不完全齒輪又與完全齒輪嚙合，開始轉向，到B點結束，不完全齒輪又與完全齒輪分開，如此循環即可實現小車的8字形行走軌跡。

3.小車整體設計

根據今年比賽的新規定，樁被撞到則停止比賽，本作品在保證小車正常行駛的情況下，盡量減小小車的整體尺寸，本設計長150mm寬100mm高574mm。通過對小車行走的分析，可以知道一個8字周期內大輪轉8圈，前輪需要轉2次向，為實現這一目的，設計本作品差速器右邊齒輪與主軸右邊齒輪傳動比為2：1，主軸左邊齒輪與底盤大齒輪傳動比為2：1，由此實現大輪轉8圈小輪轉2次向；為保證小車的平穩行駛，在賦予小車了零件材料后，通過質量分析，以及修改設計之后，小車質心位于車身中心。

4 小車的主要結構

本設計主要由原動機構、傳動機構、轉向控制機構、調節機構四部分構成，其中原動機構由重錘下落使其重力勢能轉化為動能；傳動機構采用齒輪傳動；轉向機構由曲柄搖桿結合不完全齒輪構成；調節機構通過調節螺絲來完成。

4.1 原動機構的設計

原動機構將重錘的重力勢能轉化為小車前進所需的的動能。本設計采用錐形軸作為驅動機構的一部分，可以保證小車在啟動時、行進時、結尾時始終保持勻速平穩行駛，并可以有效使小車低速落到車板上，減小碰撞能量損失，增加小車行駛的距離。

4.2 傳動機構的改進

本設計采用齒輪傳動，可以高效率的將重錘的重力勢能轉化為小車的動能。采用單輪驅動，并且結合差速器實現小車的平穩轉彎，以此防止由于離心力過大小車的側倒。

4.3 轉向控制機構

本設計采用曲柄搖桿機構與不完全齒輪結合的結構實現小車的精確轉向，通過計算小車起步時的擺放角度為20°如圖5。本作品采用的曲柄搖桿機構通過SolidWorks的模擬仿真，經過大量實驗將其極位夾角調到可以忽略的角度（1.47°），極大地減小了小車的急回問題。

4.4 調節機構

通過旋進旋出螺絲來完成小車曲柄搖桿機構調節，以此調整小車。

5.結語

本設計注重整體設計，經過與其它作品的大量對比后設計出本作品。與其它作品相比本設計更看重能量利用率、整體穩定性、運動精確性、結構簡單性、以及制造成本。采用雙滑輪結構，可以無形中增加繩的長度，提高能量利用率；采用三根柱約束導軌，可以防止小車在行走的晃動，提高小車的穩定性；采用差速器機構保證小車轉彎時的穩定；采用單輪驅動，避免了從動輪打滑，使小車更穩定；采用曲柄搖桿機構精確控制小車的轉向。

參考文獻：

[1]孫恒，陳作模，葛文杰.西北工業大學機械原理及機械零件教研室（第八版）[M].高等教育出版社

[2]趙長發.機械制造工藝學[M].哈爾濱工程大學出版社