S字形無碳小車的分析

李云濤　劉曉飛　侯偉青　賈路媛　程攀峰

摘要2015年第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽主題為“無碳小車”，根據能量轉換原理驅動其行走及轉向的能量，是由給定的重力勢能轉換得到的。通過對以往參賽作品的借鑒以及指導老師的指導，設計出本作品。本作品的特點是：①小車的整體性能出色；②小車各個機構設計合理；③小車設計合理能量浪費少，可以走更遠的距離。為了使小車運行更加平穩，設計本作品的重心盡量靠近車身底部。通過對小車行駛路線的模擬，得到小車行駛的大致路線，對后期小車行進路線的分析有了可以參考的數據。

關鍵字：S形 差速原理 單輪驅動 轉向機構

1.整車預覽

通過對小車的整體數據和機構的計算設計出本作品，小車的整體圖如圖1所示。

圖 1

2.運動軌跡分析

通過查閱資料得知無碳小車越過不同間距的障礙物可以通過改變以下兩種方式實現：①定傳動比，轉向和驅動的傳動采用定的傳動比，只通過改變轉向的最大轉向角從而實現越過不同間距的障礙物。采用該方案不用變傳動比機構，結構簡單，效率高。但是每個周期內繞樁相對所走的路程較采用變傳動比的多很多且轉向角度變化較大，故所能繞樁數較少。②變傳動比。變傳動比可以改變轉向和驅動的傳動比，即可以在不改變幅值的情況下改變轉向周期，縮短完成一個周期內所走的路程，相應的轉向角變化也較小，故所能繞樁數較多。但是，變傳動比結構較復雜，不容易實現。可以采用無級變速和分檔變速機構。由于所學知識和時間有限，我們決定先采用定傳動比方案，在以后制作過程中可以再加上變傳動比結構，以顯著提高繞樁數量。如圖2是對小車行走路線的模擬。

圖2

3.方案設計

本作品由三部分構成，包括驅動機構、傳動機構、轉向調節機構。其中驅動機構靠重錘的下落帶動，驅動軸帶動后輪轉動；傳動機構采用單級齒輪傳動，效率高；轉向間歇機構由曲柄滑塊機構構成；調節機構通過調節曲柄搖桿來實現。

3.1 驅動機構

為了能使小車平穩運行，本作品的驅動軸采用錐形軸結構，錐形軸可以實現讓小車啟動時容易啟動，在啟動后的行駛過程中小車可以勻速行駛，在小車快運行結束的時候減速行駛。錐形軸的優點在于讓小車的能量盡可能的充分利用，當重錘下落的車板上時速度不會過快，由此造成的能量損失會降到最低。如圖3所示為錐形軸結構。

圖3

3.2 傳動機構

傳動機構是小車最重要的一個機構，需要動力傳遞給其它各個機構，為了能讓小車傳動時具有高效、穩定、節能的特點，本作品采用單級齒輪傳動并和差速器結合實現了小車的高效傳動，減少不必要的能量損耗。

3.3 轉向調節機構

本作品的轉向機構采用曲柄滑塊機構，實現小車的轉向。如圖4所示為小車的轉向機構。

圖4

由于小車加工出來，在完成裝配后會

圖5

產生誤差，因此需要調節機構，本作品采用可調擺長搖桿，通過對搖桿長度的調節實現小車軌跡的調整，使小車走出一條最優的軌跡。如圖5所示為小車的調節機構。

4.差速原理

要實現差速的方法比較多，能夠應用在無碳小車上的通常有2種：單輪驅動和使用差速器。單輪驅動結構較簡單，便于設計和加工。但是，易出現打滑現象，更重要的是，會導致小車左右行程不對稱。由于是采用單輪驅動，且車體的寬度不能忽略，當驅動輪在內側和外側行駛時，同樣的轉速，必然導致所行駛的路程不一樣，要消除這種影響，只能通過提前給轉向系統一個調整角度，這樣給調試帶來了嚴重的困擾，因此不采用單輪驅動來差速。差速器原理較簡單，采用最常用的一種差速結構是用4個錐形齒輪，倆倆垂直嚙合的機構實現小車的差速。

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