一種多級調節無碳小車的結構設計

宋志鵬+張蝶+沈陽

摘 要：針對全國大學生工程訓練綜合能力競賽題目，設計一輛通過重力驅動的純機械結構并具有周期性越障功能的無碳小車。本文提出了一種可按照S形軌跡行進的無碳小車結構，其特征在于包含多級調速設計，柔性化程度高，經簡單調節即可完成多種距離的越障任務。利用SolidWorks軟件對小車進行結構設計、裝配模擬。實踐證明，此種結構的無碳小車能夠按照預定的軌跡精確、穩定、可靠地行進。

關鍵詞：無碳小車；結構設計；S形軌跡

0 引言

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是教育部高等教育司發文舉辦的全國性大學生科創實踐競賽活動，旨在提升大學生工程創新意識、實踐能力和團隊協作精神。為適應全國大學生工程訓練綜合能力競賽的要求，筆者利用SolidWorks軟件設計了一種無碳小車，其特點在于有多級調試設計，柔性強，經簡單的調試即可完成不同種距離的避障任務。本文將其結構及功能、加工、結構優化做簡要介紹，供讀者參考。

1 結構方案

1.1 傳動系統結構設計

傳動系統的俯視圖如圖一所示。重錘吊線纏繞在繞線盤1上并環繞經過小車頂部的定滑輪。當重錘下落時，通過吊線的牽引作用，將自身的重力勢能轉化為小車的動能。繞線盤1從左至右直徑逐漸增大，為使小車容易啟動，采用從左至右的方向纏繞，以增大啟動轉矩的力臂。下面介紹本方案的分級調節結構。

一級調節采用了一組雙聯滑移齒輪2，不僅提供了兩種傳動比，而且可以采用滑移齒輪的方式，實現兩種傳動比的快速切換，穩定可靠。

二級調節采用多梯度的帶傳動機構3，通過使傳動帶搭載至不同梯度的傳動輪上，來實現各個傳動比的切換。

1.2 轉向機構結構設計

轉向機構等軸側視圖如圖二所示。轉盤4與二級傳動的大傳動輪固定于相同轉軸上同步轉動，并將其傳遞來的轉動通過一組銷釘、滑槽轉化為T形桿5的直線運動。所述T形桿5可在固定于小車底板的組合滑槽6上平穩滑動。T行桿5的末端固定有多孔板7，多孔板7與H形板8固接。H形板8末端通過一組銷釘、滑槽將傳遞來的直線運動轉化為滑軌9、前軸10相對于小車前軸10軸線的定軸轉動，從而驅動前輪的轉向。下面介紹本方案的分級調節結構。

三級調節主要通過轉盤4上開設的不等間距的3排定位孔，以及一條無定位孔的滑槽來實現。通過3排定位孔，可以定量地改變銷釘與轉盤4回轉中心軸的距離，從而改變T行桿5前后直線運動的范圍，進而控制前軸10的轉角范圍。同理，通過無定位孔的滑槽可以實現前軸10轉角范圍的無級調節。

四級調節通過借助多孔板7上開設的等間距定位孔來實現。通過改變螺釘在定位孔中的位置，定量改變H形板8驅動滑軌9及前軸10的轉動力臂，從而控制前軸10的轉角范圍。

為使三級調節、四級調節中的銷釘、滑槽間相對運動順利進行，銷釘外均套設有法蘭軸承。

1.3 整體結構設計

整體結構等軸側視圖如圖三所示。本方案采用了多級調節的結構，極大程度地提高了無碳小車的柔性特征。四級調節機構如前所述，在此不再贅述。

整體采用了輕量化設計，結構安排合理、緊湊。如對后輪、底盤等零件進行了適當的鏤空以減輕車身重量，減少啟動力，以適配更大的傳動比，使小車的行程最大化。同時小車前輪采用了兩個同軸輪導向，以增大前輪對地面的抓持力度，防止前輪打滑。后輪在保證強度、剛度的前提下，應盡量減少其厚度，把轉向時地面摩擦力的影響盡可能降低。再者，在小車后車軸、前轉向軸、滑槽等零部件相對運動頻繁的部位，加裝軸承；在齒輪嚙合部位適量加潤滑油等措施以減小摩擦對能量的損耗。

2 結構優化方案

實踐證明，采用帶傳動會導致瞬時傳動比變化。帶傳動是依靠傳動帶與傳動輪之間的摩擦力來傳動運動和動力的，然而帶傳動有緊邊和松邊之分，兩者之間存在一個與摩擦力的大小相等的拉力差。傳動帶屬于彈性體，在此拉力差的作用下必然會導致彈性形變，引發帶與帶輪之間的相對微量滑移，即彈性滑動。由于帶傳動中必然存在緊邊與松邊，故彈性滑動不可避免。

因此，二級調節采用多梯度的帶傳動會導致后續傳動環節瞬時傳動比不穩定，進而導致前輪轉向出現微量偏差。在此，筆者提出兩種改進措施供讀者參考。

一、可根據兩傳動輪軸線距離適配一組齒輪傳動，軸上套固有兩個傳動齒輪，中間安裝惰輪以消除軸線距離過大對傳動的影響。

二、用同步帶傳動代替V帶傳動。

3 結束語

本文提出了一種可多級調節無碳小車，并對其調節機構進行了較為詳盡的闡述。整體構造簡單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。通過閱讀本文，不僅能滿足參賽者對結構設計的參考需求，也能加強一般讀者對機械知識的了解。同時無碳小車易于實現量產化、商品化，激發青少年對機械構造的熱情，可放于科技館讓大眾了解機械構造的精妙與淵博，具有廣闊的推廣前景。

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