基于工程訓練自控小車的創新設計

黃 翔，元二波，許童童，王康民，劉紅霞，張翔宇

（天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300222）

基于工程訓練自控小車的創新設計

黃 翔，元二波，許童童，王康民，劉紅霞，張翔宇

（天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300222）

第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的設計作品為無碳小車，在往屆的題目上加入了“以重力勢能驅動的自控行走小車越障競賽”，保留了重力勢能驅動行進的特點，增加了自主尋跡避障轉向控制功能（以下簡稱為“自控小車”）。一般的自控小車行走距離30 m左右，避障10多個（比賽賽道1圈多一些），而使用了創新設計的控能機構后，實驗數據最高值可以行走80 m左右，避障30多個（比賽賽道可以行走2.8圈）。簡要探討自控小車的機械結構與創新設計，以期為日后的相關研究提供參考。

無碳小車；自控小車；控能裝置；單向軸承

此賽題是2017年全國大學生工程訓練綜合能力競賽提出的，在往屆工程訓練綜合能力競賽“無碳小車”命題基礎上修改的，保留了重力勢能驅動行進的特點，增加了自主尋跡避障轉向控制功能，賽道也有所改變。賽道簡圖如圖1所示。競賽時，統一用質量為1 kg的重塊（Φ（50×65） mm，普通碳鋼）鉛垂下降，獲得動力，落差為（400±2）mm，重塊下落是唯一的動能來源，小車上安裝的電控裝置必須確保不能增加小車的行進能量。比賽題目規定小車為三輪結構，其中一輪為轉向輪，另外二輪為行進輪，允許二行進輪中的一個輪為從動輪，小車應具有賽道障礙識別、軌跡判斷、自動轉向功能和制動功能，這些功能可以由機械或電控裝置自動實現，不允許使用人工交互遙控。

圖1 賽道簡圖

1 自控小車設計方案

根據比賽規則，由賽道簡圖可以分析出，小車在半圓弧賽道，行走方式與“8字”小車相似；在避障賽道，行走方式大體與“S”小車相似；再加上賽道有1/2的直線跑道，3 m左右的上下坡跑道。因此，在設計方案時，應充分考慮小車在各個賽道段的運動分析、受力分析和理論行走距離分析等。經分析計算，要使小車平穩運行，小車至少應具有五大關鍵組成部分，即傳動機構、行走機構、電控裝置、轉向機構和重物支撐部件，還應具有某些附屬部件，具體如圖2所示。

1.1 傳動機構及行走機構設計

機構主要是將重物下落過程中產生的動能通過機構能量的轉換傳遞給車輪部分。經過能量轉換，能量必然有損失，所以，采用傳動效率較高的一級齒輪（漸開線標準直齒圓柱齒輪）傳動。競賽文件[1]中指明要求2個行進輪用1.5 mm厚度的鋼板或可用激光切割加工且不超過8 mm厚度的非金屬板制作。理論上行進輪的大小會直接影響行走距離，行進輪越大，理論行走距離越遠，但行進輪太大有以下幾點壞處：①在激光切割時，就容易發生變形；②輪子太大，勢必抬高軸承支座高度，使小車整體重心上移，影響小車的平穩性；③輪子太大，小車速度緩慢，對自控小車的上坡不利；④輪子太大，會影響小車避障性能。

綜合考慮以上影響要素，應合理選擇輪徑，選擇合理的雙聯輪（具有傳動比的定滑輪）傳動比，配合合理的繞線輪加大起步扭力，讓小車在短時間完成起步、加速的動作，以便上坡。將小車的行進輪設計為單輪驅動，作為差速結構，可以避免在小車轉彎時發生打滑現象。

圖2 小車軸測圖

1.2 轉向機構設計

當自控小車前進時，采用前輪導向，轉向機構是小車行走時最重要的一部分。在設計制作時，應考慮小車在碰撞后而不易損壞的問題。轉向機構要盡可能滿足減少摩擦阻力、結構簡單、靈敏轉動和與電子元器件配合無干涉（漏電）等條件。該車體結構的設計要滿足在賽道任意合理的變化下完成行走的要求。

表1 上坡消耗的能量（單位：mm）

2 自控小車的控能設計（創新設計）

經過大量實驗，自控小車在上坡時所耗費的能量是最多的，具體數據值如表1所示，但上坡后，小車到達坡頂，小車馬上會進入下坡。根據能量守恒定律，小車上坡消耗多少能量，如果不計摩擦消耗，小車下坡就能省多少能量，所以，在小車下坡時，不提供能量，小車也會自己行走，而且能行走很長的一段距離。通過上述設想，設計出控能裝置，控能裝置可以使砝碼在下坡時不繼續下落，不能提供能量，完全符合賽題要求。控能裝置是由機械部分和電子元器件組成，主要零件由棘輪、舵機、單向軸承和陀螺儀等組成。圖3為控能裝置的示意圖。

3 調試過程中遇到的問題及其解決措施

調試過程是一個漫長而又煩瑣的過程，是校驗整個小車的設計和制作的過程。當小車行走直線賽道時，紅外傳感器采集兩邊電壓值，將信號反饋到單片機上，單片機向前輪舵機發出指令，使小車在賽道中間行走。小車上坡前，如果傳感器位置不合理，紅外傳感器會將坡道視為障礙，在坡前轉動，導致小車側翻或上坡失敗。這時，陀螺儀應檢測到角度變化，鎖住棘輪，使繞線輪不動，小車會由慣性下坡，小車下坡后，小車的速度會非常快，來到180°圓弧賽道時，因重物砝碼還在200多毫米的位置，而轉向機構應提前平緩轉動，否則很容易造成側翻。來到避障賽道，障礙交錯擺放，小車采集障礙物距離，做出判斷，棘輪在指定時間內打開，小車繼續行進。自控小車上安裝控能機構，行走距離大幅度上升，實驗數據最高值可行走80 m左右，過30多個障礙（比賽賽道2.8圈）。

圖3 控能裝置示意圖

［1］全國大學生工程訓練綜合能力競賽秘書處.第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽（合肥賽）命題說明及實施方案［S］.2016-06-07.

［2］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.

［3］郭剛.基于TRIZ理論的無碳小車創新設計［J］.中國高新技術企業，2015（8）：31-33.

［4］張杰，譚晨佼，朱建鑫.基于工程訓練的無碳小車變距行走的創新優化設計［J］.機械，2016（2）：26-28.

［5］張春林，曲繼芳，張美麟.機械創新設計［M］.北京：機械工業出版社，1999.

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.119

2095－6835（2018）02－0119－02

黃翔（1994—），男，浙江寧波人，本科生，主修專業為機械制造設計及其自動化。元二波（1994—），男，山西晉城人，本科生，主修專業為機械工藝技術。許童童（1996—），女，河南焦作人，本科生，主修專業為機械工藝技術。

白潔〕