自動繞障“無碳小車”的創新設計*

王守達，閆建新，林昱隆，王　鴿，張　程

(太原科技大學 化學與生物工程學院，山西　太原　030021)

0　引言

隨著全球經濟的快速發展，人們的節能環保意識也逐漸提升，環保問題越來越被人們所關注，從而“無碳”理念也逐漸成為眾多學者的研究課題。第五界全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求的“無碳小車”利用重塊下降時的重力勢能作為動力來源，將重力勢能通過定滑輪機構轉化為驅動小車前進所需的動能。為了提高小車的性能，需要合理設計小車機構以及其中實現正確轉向并繞過障礙的機械裝置。另外，本小車依照現代工程師的標準，注重設計的巧妙、制作的精良、調試的可靠等，小車的結構參數中應用了諸多數學理論以及運動學仿真分析，最終設計制造出最為合理的車體結構。

1　設計要求

“無碳小車”應滿足以下要求：①用重塊的重力勢能驅動小車前進，并且具有周期轉向功能；②重塊安裝在車體上，并隨小車一起運動；③小車在競賽過程中可以自動繞過賽道上等距離設置的障礙物。在競賽中，小車自起點出發，自動完成曲線行駛，整體穿過賽道中線放置的障礙物且不可撞到障礙物，重復此過程，直至小車重力勢能完全轉化為動能后停止，最終根據繞過的障礙物的多少來評定成績。

因此，為使小車順利避開障礙物，根據小車功能的要求，按照現代設計理論對其進行模塊化設計，將小車分為：車架、原動機構、傳動機構、行走機構、轉向機構和微調機構六個部分。對小車每個機構采用擴展性思維的方法制定出多種可行方案，并針對小車功能實現能力、加工裝配、加工成本等因素綜合考慮進行優化設計。在小車結構參數設計中，使用現代機械設計方法，通過MATLAB軟件建模，進行能耗規律和運動學分析，并使用SolidWorks軟件仿真分析，繪制小車裝配圖。

2　設計思路

2.1　原動機構設計

為使重塊的重力勢能轉化為小車前行的動力，需要合理設計原動機構。分析多種方案，得出采用滑輪機構這一方案效率和可操作性最好。同時原動機構還應該滿足以下要求：①動力傳遞要均勻、適中，以免在轉彎過程中速度過大或重塊晃動，使小車傾翻；②重塊的重力勢能盡可能地轉化為小車前行的動能以提高能量轉化效率，因此，重塊下落到最低點時的速度要盡可能小，避免與底板發生撞擊，造成能量損失；③機構設計簡單，傳動效率高。

2.2　傳動機構設計

傳動機構設計的好壞直接影響整個小車的運動性能。為使該小車可以沿設定的路線前進，并可以達到最遠距離，此傳動機構的設計必須簡潔、穩定、可靠。

2.3　行走機構設計

行走機構有兩種可采用的方案：雙輪同步驅動和雙輪差速驅動。采用雙輪同步驅動，在轉彎過程中一側的輪子會與地面發生滑移，而車輪滑動摩擦會比滾動摩擦損失更多的能量，并且小車在前進過程中方向需要時刻改變，無法確定其軌跡，故不能有效避免與障礙物相撞。

綜上，行走機構采用雙輪差速驅動，該方案可有效避免采用雙輪同步驅動時的問題。為實現雙輪差速驅動，可以采用單向軸承或差速器機構。差速器可以滿足最小能耗原理，既能減少摩擦損耗，又可以實現小車預定的路線。而采用單向軸承來實現差速則是指：使其中一個速度較大的輪子作為從動輪，而速度較慢的輪子作為主動輪，這樣前進過程中主從動輪交替變換來實現預定軌跡。但由于單向軸承存在間隙，在主動輪與從動輪交替變換過程中存在誤差，會導致運動偏離預定軌跡。通過實驗分析，我們最后選擇一個輪作為主動輪、另一個輪子作為從動輪的方案，由于輪子與地面存在摩擦，從動輪與主動輪之間自然實現差速，該方法能量利用率高，結構簡單，制造方便。

2.4　轉向機構設計

按照競賽的要求，小車在行進的過程中必須可以自動地周期性地避開障礙物，否則將導致整個設計的失敗。本文分析以下3種結構的轉向機構：①采用曲柄滑塊機構；②采用平底凸輪機構；③采用曲柄搖桿機構。由于第2種轉向機構的凸輪曲面需要光滑過渡，凸輪理論輪廓曲線的加工有難度，而且小車車輪兩側存在間隙，在主動輪與從動輪交替變換過程中其間隙大小不相等且為變量，采用凸輪曲面轉向并不容易實現，因此沒有采用此種機構。第1和第3種轉向機構相對易于加工。綜合考慮，最終采取第1種曲柄滑塊轉向機構。

3　“無碳小車”的部分參數設計

3.1　轉向機構設計

按照競賽要求，沿直線方向每隔一定距離放置1個障礙物，障礙物間距在此距離之間隨機變化，“無碳小車”行走軌跡如圖1所示。

圖1　“無碳小車”行走軌跡

該轉向機構是依靠關節軸承連接的曲柄滑塊機構實現轉向的。滑塊帶動轉向桿往復擺動，改變小車前輪的偏轉角度，使小車轉向，從而避開障礙物。根據其轉向機構特性，小車行走軌跡方程為：

(1)

其中：x為小車前進方向的位移，mm;y為小車偏離中心的位移，mm。

從設定行走軌跡圖(如圖1所示)可知：小車行走軌跡應滿足三角函數曲線，預定曲線的幅值應為半個車身的寬度。綜合考慮加工誤差以及設計原理誤差等因素，需要對曲線的幅值進行修正：設計幅值B=1/2車身寬度+安全裕量。小車設計總寬度為220 mm，取安全裕量為40 mm，修正后的曲線幅值為B=150 mm，計算出小車在1個周期內行走的距離為2 108 mm。

為實現周期性的轉向，小車采用正弦機構式的轉向機構來避開中線上的障礙物。轉向機構的結構示意圖如圖2(a)所示，機構關系示意圖如圖2(b)所示，其中，S為小車轉向搖桿移動的位移；α為轉向搖桿擺動轉角；R為曲柄半徑。

小車的轉向角度受曲柄半徑R大小的影響。為使小車轉向更加順暢，避免發生傾翻，根據現有的參數對曲柄半徑R進行調節。設v為小車行走速度，設計速度取v=50 mm/s。小車在x、y軸方向上的分速度為：

vx=vcosα.

(2)

vy=vsinα.

(3)

由圖2可知：

(4)

S=Rsin(ωt).

(5)

圖2　“無碳小車”轉向機構結構與機構關系示意圖

根據α、S的變化范圍，使用MATLAB軟件分析得出小車曲柄半徑R=25 mm時可滿足預定的行駛軌跡要求，一個周期內所行駛的路程為2 108 mm。設計齒輪傳動比為4，后輪輪徑為225 mm。通過MATLAB繪制出小車在x軸和y軸方向上位移隨時間變化的曲線，如圖3所示。

圖3　小車的時間—位移曲線

由以上參數可知：曲柄滑塊機構可以實現正弦式周期性的轉向，符合設計要求。

3.2　傳動機構的設計

“無碳小車”傳動機構示意圖如圖4所示。由于小車重塊質量一定，其所提供的重力勢能也是不變的，其轉化的動能是一定的，因此采用合理的傳動機構是提高小車能量轉化效率的關鍵。在機械設計當中，齒輪的傳動效率最高，所以傳動機構采用齒輪傳動的方式。小車能量流動示意圖見圖5。在輕繩拉力的作用下帶動原動軸轉動，通過齒輪傳動機構帶動從動軸轉動，在摩擦力的作用下使小車向前行駛。另外，曲柄滑塊機構通過連桿往復移動使前輪轉動，使小車達到正弦式周期性轉向目的。

綜上，重塊的重力勢能傳遞過程越簡單，能量的損耗也就越小。在設計的轉向機構和傳動機構的基礎上，通過SolidWorks軟件進行小車機械結構的三維仿真，通過軟件分析，并未發現干涉和死點等問題，判斷小車的機械結構合理，可以實現小車的預定軌跡。小車整體三維模型如圖6所示。

圖4　“無碳小車”傳動機構示意圖

圖5　“無碳小車”整體能量流動示意圖

圖6　“無碳小車”的三維模型

4　小車的選材、平衡與調試

為減少能量損失，定滑輪采用輕質的硬質塑料，支撐架采用輕質鋁合金，底盤采用輕質且強度較好的硬鋁，主、從動軸均采用合金鋼，牽引繩采用輕質彈性小的高密度復合纖維，搖桿、曲柄、轉向軸和連桿等均采用輕質且強度較好的鋁棒。小車行駛時的阻力大小受主動輪與地面的摩擦力影響，使用適當的材料將車輪與地面的摩擦力降至最小，才能使小車的行駛距離達到最遠，因此前向輪和后向輪的材料均選用硬鋁。

小車底盤支撐著整個結構，是其他部件連接的基礎，其設計結構應具有一定的穩定性。設計的底盤采用輕質且強度較好的硬鋁，以便平穩轉向；小車行走時需要左右轉向，應避免重塊在下降過程中出現過大擺動，因此應盡量降低底盤的高度，從而保證各構件具有良好的平衡性。

小車在理論上可以按照預定軌跡前進，由于加工誤差和裝配誤差的存在，在實際運行中還需要不斷地調試和修改才能使小車按預定軌跡前進。小車的調試包括以下內容：①小車平穩前進需要調節小車車速，車速過快容易打滑傾翻，車速過慢容易停車；②應保證小車整體的靈敏度及協調性，在小車勻速行駛后，可根據小車軌跡，分別調整小車后輪輪距、前輪與滑塊的垂直度、曲柄位置來讓小車實現預定軌跡。

5　結語

本小車通過平面曲柄滑塊機構來控制前輪周期性轉向，使前、后輪轉向具有更好的穩定性，進而達到避開障礙物的目的。本文根據最新機械結構設計理念，對小車關鍵的零部件進行了具體的參數設計，并對小車的結構進行了SolidWorks運動學仿真分析，表明小車的結構設計在理論上是合理的。

參考文獻：

[1]王斌，王衍，李潤蓮，等.“無碳小車”的創新性設計[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2012(1)：59-61．

[2]濮良貴，紀名剛．機械設計[M]．第8版.北京：高等教育出版社，2006．

[3]孫恒，陳作模，葛文杰．機械原理[M]．北京：高等教育出版社，2006．