無碳小車的創新設計及仿真

樊曉帥， 廖顯羲， 馬坤武， 李曉舟， 紀思國

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

0 引言

根據第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題一，設計一種無碳小車，驅動其行駛及轉向的能量均來源于1 kg重物的垂直下落（400±2）mm的能量[1]。要求小車在行走過程中完成所有動作所需的能量均由此給定重力勢能轉換而得，不可以使用任何其他來源的能量。要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地[2]。要求小車為三輪結構。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。具體設計、材料選用及加工制作均由參賽學生自主完成。經現場公開抽簽，在200～300 mm范圍內產生一個“S”型賽道第一輪障礙物間距變化值和變化方向。競賽小車在前行時能夠自動繞過賽道上設置的障礙物，見圖1。賽道寬度為2 m，障礙物為直徑20 mm、高200 mm的圓柱棒，沿賽道中線從距出發線1 m處開始按間距1 m擺放，擺放完成后，將偶數位置的障礙物按抽簽得到的礙物間距變化值和變化方向進行移動（正值遠離，負值移近），形成的即為競賽時的賽道。以小車前行的距離和成功繞障數量來評定成績。

圖1 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖

競賽是以小車過樁數的多少來綜合評定成績，因此要想取得較好的成績，就必須要保證小車的能量轉換效率、方向控制精度和調整精度，而這些也正是小車設計中的重點和難點[3]。

1 無碳小車方案設計

1.1 原理設計

機械運動簡圖在小車設計中較為重要，如圖2所示。

1）驅動原理。驅動機構的作用是將重塊的重力勢能轉化為小車的驅動力，重物通過滑輪組，繞在繩輪上，重物下落時，繞線輪5帶動軸同步轉動，同時軸上的大齒輪8與后輪軸上的小齒輪6嚙合，大齒輪8帶動小齒輪6實現后輪7的單驅動。

圖2 機械運動簡圖

2）轉向原理。繞線輪5帶動軸轉動，軸帶動調節盤9轉動，調節盤帶動微調連桿3前后運動，通過連桿帶動前輪1周期性左右擺動，即實現轉向。

圖3 基于SolidWorks的總體結構設計圖

3）調距原理。微調連桿3末端在調節盤9上的位置和微調連桿本身長度的變化，從而帶動前輪1最大擺角變化，導致小車初始角度變化，由于后輪的狀態由繞線軸決定是不變的，故可以將小車調到不同的振幅和周期，即實現調距。

1.2 結構設計

1.2.1 總體結構設計

小車的總體結構設計圖對小車裝配，布局有重要意義，如圖3所示。

主要運動原理：重物下落，重力勢能轉換為主動軸上的動能，帶動齒輪等傳動機構，使后輪所在軸轉動，小車開始運動。（由于計算得知主動軸當做繞線軸完全能啟動小車，但考慮到后期平穩運行，將在主動軸上切出溝槽以減小力矩）[4]。

1.2.2 傳動機構結構設計

小車的傳動機構主要由小齒輪、大齒輪、調節盤、微調連桿組成，如圖4所示。

傳動機構原理:繞線軸提供動力帶動同軸的大齒輪轉動，經5:1的傳動比由小齒輪使一個后輪軸轉動，其作為驅動輪運動；而前輪由齒輪2同軸帶動一調節盤，調節盤與微調連桿由軸承相連帶動微調連桿運動，從而控制前輪的運動[5]。

1.2.3 轉向機構結構設計

小車的轉向機構主要由前輪、連接桿、微調連桿、調節盤組成，如圖5所示。

轉向機構原理:采用調節盤和微調連桿，調節盤定軸轉動，調節盤與微調連桿用軸承連接，微調連桿與連接桿球面副連接，使連接桿在一定范圍內擺動，連接桿控制前輪轉向，所以前輪在一定范圍內擺動，實現小車轉向[6]。

1．小齒輪 2．大齒輪 3．調節盤 4．微調連桿

1.2.4 調距機構結構設計

小車的調距機構主要由微調連桿、球頭關節軸承組成，如圖6所示。

微調連桿前部由一定長度的螺紋連接著球頭關節軸，調節盤半徑上有一定長度的槽，可供微調連桿自由固定，主要參數及原理說明如下。

1）調距原理。微調連桿末端在調節盤上的位置和微調連桿本身長度的變化，從而帶動前輪最大擺角變化，導致小車初始角度變化，由于后輪的狀態由繞線軸決定，是不變的，故可以將小車調到不同的振幅和周期，即實現調距(如圖7所示)[7]。

2）具體原理。改變最大轉角，曲線開始的斜率會變化，如1處斜率變小的話，由于1/4周期處是斜率為0，驅動輪在這段時間內轉的圈數和沒改變最大轉角時一樣，故路程基本相同，所以1/4周期將會向右移即變大，故實現調周期，由藍色線條變成黑色線條（注意此時振幅變小）。

2 建模及仿真

用Matlab計算小車軌跡，用CATIA對小車的軌跡進行模擬仿真（如圖8所示），其中長方形代表小車整體所占用的最大空間，正弦曲線是小車理論設計所行走的軌跡，而橫軸上的小圓點則是障礙物的最大偏置距離±300 mm，若障礙物偏置±300 mm時，小車依舊可以安全通過，則在障礙物偏置±200～300 mm任意距離時，小車都可以通過[8]。

經CATIA模擬，小車邊緣離障礙物最近距離25.72mm（如圖9所示），因考慮到實際零件加工過程中精度所限，及小車實際運行中摩擦，風速等實際條件，25 mm以上的安全距離可以確保小車安全通過障礙物[9]。

圖6 調距機構結構圖

圖7 基于SolidWorks的調距示意圖

圖8 基于CATIA的運動軌跡模擬圖

圖9 小車距離障礙物最近示意圖

3 小車的調試方法

在小車加工裝配完成之后，調試也是一個非常重要的步驟，調試可以發現小車設計過程中的缺陷與不足，且可以在設計理論的基礎的進行改進[10]。在小車調試的初期，可以在小車后粘貼熒光筆來跟蹤軌跡[11]。經過初期調試后，可在車底板上放一個以一定的速度滴水的小容器，實現軌跡的跟蹤。這種軌跡跟蹤方式，更加準確，并且容易清理[12]。在軌跡的調直過程中，通過在發車線前45 cm(以行走周期為1 m為例)處貼一張中心線與障礙物所在直線重合的16 K的紙來定發車角[13]。具體方法:在紙的左上角標出前輪位置，保持前輪位置不變，通過改變后輪位置改變發車角度，并隨時在紙上標記后車輪位置。當小車左輪擦桿時，減小發車角，當右輪擦桿時，增大發車角，從而走出直線[14]。

小車的行走過程是一個不斷磨合的過程。在不斷的行走練習過程中，小車的各種零件才能實現更好的配合[15]。

4 結論

本文給出的無碳小車設計方案，用Matlab進行軌跡計算，SolidWorks進行裝配分析，CATIA進行軌跡模擬，經過較為嚴謹的論證，得出方案可行，加上基于本文設計的無碳小車，在第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽中取得了較好的成績，進一步論證了本方案的可行性[16]。

[參考文獻]

[1] 李剛,周致成,袁航,等.S形轉向運動無碳小車的改進設計研究[J].汽車實用技術,2014(2):13-16.

[2]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):59-62,96.

[3] 李立成,徐漫琳,柯昌輔.S型無碳小車結構設計[J].機械研究與應用,2015(3):152-154.

[4] 陳曉東,石雁南,張莉莉.無碳小車的設計、制作與創新實踐[J].實驗室研究與探索,2013(12):92-95.

[5] 朱孝錄.機械傳動設計手冊[M].北京:電子工業出版社,2007.

[6] 戴海燕,蔡鍇文,吳鑰烺,等.基于工程訓練的無碳小車的設計[J].汽車零部件,2014(11):26-27,37.

[7] 王躍進.機械原理[M].北京:北京大學出版社,2009.

[8] 劉旋坤,李衛國,王利利.S型路線無碳小車設計[J].機電信息,2016(15):133-134.

[9] 葛桐旭,吳藝偉,胡志超.重力勢能驅動的智能越障小車的設計[J].科技風,2017(13):2.

[10] 張普,李森,劉洋.重力勢能驅動的自控無碳小車設計[J].裝備制造技術,2017(4):39-41.

[11] 任帆,韓梓潤,劉晴.S型無碳小車的研究[J].山東工業技術,2017(7):205-206.

[12]劉旋坤,李衛國,王利利.S型路線無碳小車設計[J].機電信息,2016(15):133-134.

[13] 艾孝杰,汪朝暉,蘇磊,等.重力勢能驅動方向控制無碳小車的設計[J].機械設計與制造,2016(4):157-160.

[14] 豆龍江,詹長庚,龐晨露,等.無碳小車的機械結構設計[J].機械工程與自動化,2014(2):84-86.

[15] 李書環,田源,盧增元,等.無碳驅動小車關鍵參數分析[J].科技創新與應用,2015(29):38-39.

[16] 戴海燕,蔡鍇文,吳鑰烺,等.基于工程訓練的無碳小車的設計[J].汽車零部件,2014(11):26-27,37.