S型轉向運動無碳小車設計及調試

鄧醒陽+王豪+張子悅+王上

摘 要：基于第五屆北京市大學生工程訓練綜合能力競賽中“S型無碳小車”的相關設計要求，設計了以重力勢能驅動的，以空間曲柄搖桿機構來實現轉向要求的無碳小車。由于競賽中障礙物間距由抽簽決定，轉向機構必須具備微調功能以適應不同障礙物間距。通過計算以及結合實際操作，總結出轉向機構的微調規律，并在實踐與比賽中得到驗證。

關鍵詞：無碳小車；轉向機構；“S”型軌跡

第五屆北京市大學生工程訓練綜合能力競賽“S”型無碳小車組以“越障競賽”為主題，競賽規定小車為三輪機構，且其行走和轉向由1kg標準砝碼的重力勢能驅動。障礙物的間距值在700-1300mm的范圍中隨機選取，要求小車能繞行障礙物，小車行進軌跡如下圖。

1 驅動設計

當小車在轉彎行駛時，后輪外側車輪移動的距離大于內側車輪，為了防止車輪有滑脫現象出現，小車運動軌跡因此受到影響，客觀要求左右車輪能夠實現不同轉速。因此設計時，采用單輪驅動形式，將后兩輪之間的驅動軸斷開，左后輪設計成驅動輪，右后輪設計成從動輪，從動輪通過軸承與主動輪軸相連。

2 傳動設計

牽掛重物的繩子繞在線輪上，線輪固定在前軸，前軸上固定有一個齒輪，和后軸上的小齒輪嚙合，負責傳動給后軸（后軸連接兩個后輪），前軸上還連接有曲柄，負責給轉向輪（前輪）傳動，達到轉向的目的。

3 小車轉向機構的設計

我們的無碳小車轉向機構采取了結構簡單，工作可靠的曲柄搖桿機構，如下圖。

為保證小車運行平整，沒有急回特性，左右轉角偏幅相等，曲柄和搖桿的轉動副必須處于同一高度。連桿（長螺釘）的兩端與關節軸承通過螺紋連接，調節連桿長度時，關節軸承與曲柄的連接處能隨連桿的旋轉而升降（為了保證調節連桿長度的時候，搖桿和曲柄的初始角度保持不變，達到控制變量進行調節的目的），從而改變曲柄的有效長度。

小車運行過程中，在傳動機構的帶動下，曲柄做有規律的圓周運動，同時通過連桿的傳遞，使得水平面上的搖桿前后搖擺，與搖桿固定連接的方向輪隨之左右擺動，從而實現小車的轉向。

小車結構簡圖如下：

4 小車運行調試

在理論計算時，小車在行進過程中方向輪的左右偏角相等，但在實際運行時情況有所不同。通過實驗，我們發現，單輪驅動的無碳小車在運行過程中方向輪左右偏角并不相等，而且它們的差值會隨著障礙物間距的不同而改變。如果無法充分認知其中的變化規律，很難得到理想的“S”型軌跡。影響小車左右偏角的可能因素有很多，如車輪的材料，車輪的寬度，激光切割時車輪產生的小變形，地面的粗糙度等等。由于條件有限，我們不能將這些因素一一隔離分析。在后期的調試中，我們仔細觀察小車的運行軌跡，經過不懈地努力，我們找到了解決辦法。由于方向輪左右偏角不想等，導致小車往一邊偏行，到后面越偏越厲害，于是我們猜想：如果我們把偏行的方向當做“新賽道”，是不是把前輪初始偏角調節一下，使之等于“新賽道”偏離原賽道的角度效果會好一些呢？至于后面越偏越厲害可能是因為小車后面偏向太嚴重導致小車運動失真。帶著猜想，我們嘗試著調節小車的初始偏角，結果真如我們所想，有了很大的改觀，雖然沒有預期的理想，但是已經開始接近設計目標了。在不斷地調試之后，小車的運行軌跡已經達到了我們的期望。于是我們根據不同的連桿長度，來一步一步地進行調車，同時記錄好對應的前輪初始偏角。

5 結論

通過理論分析和設計構想，設計并制作了S形轉向的無碳小車，對無碳小車的改進設計，解決了初始設計中存在的諸多問題，實現了小車轉向時保持設計要求的S形運動軌跡。關鍵技術主要在于以下4個方面：

1、為了避免能量損失和牽引線、支撐桿干涉，牽引線不能過大斜置；

2、為了保證實現標準運動軌跡，轉向輪轉向時一定要穩定，且轉向輪與地面的接觸面積越小越好；

3、為了保證小車的轉向要精確平穩，須將轉向軸的軸線、前輪的軸線平行于改進方案中的驅動軸，并且垂直于前輪套側壁；

4、小車加工尺寸設計，要考慮加工單位能達到的加工精度，盡量在保證性能的前提下降低加工精度。

參考文獻

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