S 形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無碳小車的相關(guān)研究及其設(shè)計(jì)改進(jìn)思考

遲鐵，徐文，崔井軍

（吉林工商學(xué)院工學(xué)院，吉林 長春 130507）

無碳小車的設(shè)計(jì)以及制作已經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)變成為規(guī)模比較大的設(shè)計(jì)比賽。具體有下述幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求：驅(qū)動(dòng)為重力勢(shì)能以及可以很好的控制方向；三輪結(jié)構(gòu)為無碳小車的結(jié)構(gòu)，還應(yīng)具有可以進(jìn)行功能調(diào)節(jié)或者結(jié)構(gòu)快速更換的轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，進(jìn)而能夠很好的適應(yīng)和避開放置于競賽場地中的障礙物；無碳小車行走和轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)來源是唯一的，僅由給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。給定一個(gè)四焦的重力勢(shì)能，質(zhì)量是一千克的普通碳鋼重塊，為競賽中統(tǒng)一使用的重塊，將下降落差控制在398 ～402mm 之間。小車承載著處于下落過程中的重塊，其二者處于共同運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中。有一點(diǎn)值得注意,不允許出現(xiàn)重塊掉落小車這一狀況。因?yàn)橛凶鯯 形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)這一要求，因而小車要具備自主轉(zhuǎn)向這一功能。要想達(dá)到這一設(shè)計(jì)目的，第一步要進(jìn)行設(shè)計(jì)思路的探析，第二步進(jìn)行設(shè)計(jì)要求的探析，當(dāng)明白了設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)要求后，第三步完成初始設(shè)計(jì)方案，最后一步優(yōu)化改進(jìn)初始方案順利解決其中所出現(xiàn)的問題，進(jìn)而使最終設(shè)計(jì)出的無碳小車與設(shè)計(jì)目標(biāo)相符合。

1 設(shè)計(jì)思路探析

1.1 能量轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)方面

下降的碳鋼重塊這一物塊所具有的重力勢(shì)能到機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化，這一方式是給定小車能量的來源，直接轉(zhuǎn)化是此次設(shè)計(jì)中所采用的方式，小車齒輪軸上繞線輪是由下落的碳鋼重塊帶動(dòng)的，之后后軸是經(jīng)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的齒輪的驅(qū)動(dòng)得以轉(zhuǎn)動(dòng)的，最終達(dá)成了重力勢(shì)能到機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而使小車在驅(qū)動(dòng)下得以行走和轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的目的。

1.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面

小車后軸的驅(qū)動(dòng)源來自于重力勢(shì)能到機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化，之后小車所具有的傳動(dòng)比再通過小車齒輪傳遞動(dòng)力得以改變，進(jìn)而得以調(diào)節(jié)小車轉(zhuǎn)向時(shí)間與小車轉(zhuǎn)向角度以及小車驅(qū)動(dòng)輪行程距離，在協(xié)調(diào)二者的同時(shí)，達(dá)成順利完成要求路徑的目的。從對(duì)于各種各樣數(shù)據(jù)資料和多種多樣要求的分析中，可以得知要想使碳鋼重塊這一個(gè)同一重物所落下的距離是相同的，就應(yīng)該使在水平面上前進(jìn)的小車的前進(jìn)路程盡可能最長。與此同時(shí)，在對(duì)傳動(dòng)效率等一些其他因素加以考慮的基礎(chǔ)上，1：3.9 為最終確定下來的大小兩個(gè)齒輪之間的傳動(dòng)比，后輪軸為小齒輪安裝的具體位置，齒輪軸為大齒輪安裝的具體位置。

1.3 轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)方面

由于已知大小兩個(gè)齒輪之間所具有的傳動(dòng)比，因而將位于小車前輪轉(zhuǎn)向軸上的橫銷和齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)連接起來，使用兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承連接位于小車前輪轉(zhuǎn)向軸上的橫銷和轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪軸。此時(shí)在整個(gè)行進(jìn)的全過程中，小車后輪轉(zhuǎn)兩圈，小車前輪支架來回扭轉(zhuǎn)將得以實(shí)現(xiàn)，這一個(gè)小車周期運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，使小車可以與運(yùn)動(dòng)軌跡要求相符合。

2 設(shè)計(jì)要求探析

三輪結(jié)構(gòu)是無碳小車所采用的結(jié)構(gòu)，無碳小車的前轉(zhuǎn)向輪最大外徑大于30mm，將一塊普通的外形尺寸為50mm×65mm，質(zhì)量是一千克的碳鋼重塊裝載于小車上。給定一個(gè)四焦的重力勢(shì)能，具體是借著下降的重塊獲得這樣一個(gè)四焦的重力勢(shì)能，將下降落差控制在398 ～402mm 之間。小車承載著處于下落過程中的重塊，其二者處于共同運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中，不允許出現(xiàn)重塊掉落小車這一狀況。對(duì)處于前進(jìn)中的無碳小車提出經(jīng)S 形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的要求。此時(shí)賽道上每隔一米的距離，會(huì)放置一個(gè)直徑為20mm 與高度為200mm的彈性障礙圓棒，處在運(yùn)動(dòng)中的小車應(yīng)該自主做出將這些障礙物避開的選擇。最終成績按照小車前進(jìn)距離的多少與選擇避開障礙物的數(shù)目這二者的具體狀況進(jìn)行評(píng)定。

3 初始設(shè)計(jì)方案探析

一級(jí)齒輪減速這一設(shè)計(jì)方案是本篇文章中進(jìn)行無碳小車設(shè)計(jì)時(shí)所采用的方案，較寬的車型，較大的后輪直徑，做S形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)較易碰到障礙。當(dāng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)彎弧度不夠大時(shí)，都是采用這一設(shè)計(jì)方案所設(shè)計(jì)出的無碳小車的特點(diǎn)。但也正是由于這些特點(diǎn)的存在，在設(shè)計(jì)時(shí)，底盤位置可以比較低，因而無碳小車的重心也就相應(yīng)變低，因而具有較好的穩(wěn)定性，也有較強(qiáng)的適應(yīng)賽道的特性。

3.1 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)部分的方案

基于大齒輪直徑會(huì)由于一級(jí)齒輪具有太大減速比而變得過大，進(jìn)而使小車結(jié)構(gòu)出現(xiàn)協(xié)調(diào)性的問題，因而確定小車后車輪直徑為200mm。0.3m 是設(shè)定的小車?yán)硐胲壽E和其軌跡中線之間的最大偏移量，從扇形計(jì)算公式可得，2.45 米為沿著弧線的小車所能行走距離的數(shù)值，每當(dāng)行走了一個(gè)周期之后，小車后輪過3.9 圈的圈數(shù)，此時(shí)可得齒輪速比是1：3.9，1為選定的齒輪模數(shù)，20 齒是小齒輪的齒數(shù)，可以得出78 齒是大齒輪的齒數(shù)。應(yīng)用人力三輪車這一方案解決小車轉(zhuǎn)彎時(shí)存在的差速這一問題。選擇把小車兩個(gè)后輪其中一個(gè)作為動(dòng)力輪，而另一個(gè)則是從動(dòng)輪。

3.2 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向部分的方案

此次研究中所設(shè)計(jì)的無碳小車，是經(jīng)后輪支架，在其底盤上緊固住其后軸與后車輪的。還將轉(zhuǎn)盤與支架以及支承軸，還有大齒輪等一些組件安裝于前輪和后軸的中間。將大齒輪與轉(zhuǎn)盤安裝于支承軸上，大齒輪嚙合位于后軸上的小齒輪，以1：3.9 的減速比給支承軸傳遞運(yùn)動(dòng)，之后位于同軸的轉(zhuǎn)盤在處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的支承軸的帶動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)。還有一個(gè)滑槽位于轉(zhuǎn)盤上半徑方向，其中相對(duì)于轉(zhuǎn)盤中心的滑塊可以對(duì)半徑的大小進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而使前輪所要求調(diào)整的轉(zhuǎn)向角度得以滿足。小車驅(qū)動(dòng)力由勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來的全過程中，經(jīng)轉(zhuǎn)化滑輪組，并且后軸輪在線繩的帶動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使小車行走更多的路程，應(yīng)該在設(shè)計(jì)中最大限度的將后軸輪繞線這一部分的直徑減少。經(jīng)準(zhǔn)確的計(jì)算后，確定4mm 為小車后軸線的繞線直徑，這時(shí)經(jīng)計(jì)算公式：M=力×力臂，可以得出小車后輪軸的行走力矩為2gm。據(jù)此，可以得出，當(dāng)小車后輪有3.9 圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，其行走弧長為2.45m，直線距離為2m 的時(shí)候，轉(zhuǎn)盤會(huì)在1：3.9 的齒輪副減速的帶動(dòng)下開始旋轉(zhuǎn)。這時(shí)前輪會(huì)呈現(xiàn)周期性的左右轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，此時(shí)無碳小車的S 形轉(zhuǎn)向得以實(shí)現(xiàn)，并且會(huì)不間斷的避開障礙，向前滑動(dòng)。

4 優(yōu)化改進(jìn)初始方案探析

按照上述初始設(shè)計(jì)方案，小車得以制成，但是在實(shí)際試車的過程中，有一些問題出現(xiàn)?；诖耍€應(yīng)優(yōu)化和改進(jìn)初始設(shè)計(jì)方案，徹底的解決這些出現(xiàn)的問題。

4.1 不穩(wěn)定的前輪運(yùn)行問題

分析上述的初始設(shè)計(jì)方案中轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計(jì)方案得知，想要降低干擾或者說徹底避免干擾的存在，而采用將小車前輪所具有的自由轉(zhuǎn)向度提高的方法，但是卻沒有注意到轉(zhuǎn)向軸孔和前輪轉(zhuǎn)向軸這兩部分中間還存在空隙配合這一問題，使處于運(yùn)行中的小車前輪出現(xiàn)極不穩(wěn)定這一問題。優(yōu)化改進(jìn)初始方案中轉(zhuǎn)向部分設(shè)計(jì)方案中出現(xiàn)的不穩(wěn)定的前輪運(yùn)行問題解決辦法：作為標(biāo)準(zhǔn)件的小車前輪轉(zhuǎn)向軸，不能輕易改變其軸承的內(nèi)徑尺寸，但是可以從小車車身入手，采取加工小車車身的辦法解決這一問題。在上述的初始方案中，經(jīng)過盈配合的方式將一個(gè)軸承嵌入小車車身中，使其順利解決小車轉(zhuǎn)向軸孔和前輪轉(zhuǎn)向軸這兩部分中間存在的空隙配合這一問題。

4.2 過快的碳鋼重塊降速問題

從分析上述文章可以得出，一級(jí)齒輪減速方案是此次研究中所設(shè)計(jì)小車采用的減速方案，1：3.9 是小車齒輪速比，換句話說，大小兩個(gè)齒輪軸之間的轉(zhuǎn)速比是1：3.9。小齒輪軸是連接重塊的牽引線所選擇繞接的齒輪軸，因而使這一狀態(tài)中碳鋼重塊處于一個(gè)很快的下降速度。而與重塊連接的牽引線是繞接在小齒輪軸上的，這也導(dǎo)致碳鋼重塊的下降速度很快。優(yōu)化改進(jìn)方案中解決過快的碳鋼重塊降速問題的辦法時(shí)，要想順利并且快速解決過快的碳鋼重塊降速問題就應(yīng)該從下述兩個(gè)方面著手：第一，選擇大齒輪軸作為連接重塊的牽引線所選擇繞接的齒輪軸；第二，為了達(dá)成將碳鋼重塊的下降速度再進(jìn)一步降低的目的，可以選擇將連接重塊的牽引線和大齒輪軸繞接的地方制成一個(gè)錐形臺(tái)的方法，實(shí)踐證明，碳鋼重塊的下降速度得以進(jìn)一步減緩。

5 結(jié)語

本篇文章首先從能量轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)方面、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面、轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)方面這三個(gè)方面對(duì)S 形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了詳盡而仔細(xì)的探析；其次，對(duì)S 形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)小車的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了詳盡而仔細(xì)的探析；再次，從設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)部分的方案、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向部分的方案這兩個(gè)方面對(duì)S 形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)小車的初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳盡而仔細(xì)的探析；最后，從不穩(wěn)定的前輪運(yùn)行問題、過快的碳鋼重塊降速問題這兩個(gè)方面對(duì)S 形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)小車的優(yōu)化改進(jìn)初始方案進(jìn)行了詳盡而仔細(xì)的探析，保障了項(xiàng)目的順利實(shí)施。