無碳小車雙“8”字形軌跡結構設計

敖 東，唐 欣，孫亞平，章 環，黃式賢，藍 健

（大連大學機械工程學院，遼寧 大連116622）

0 引言

隨著社會各項方面的快速發展，能源的有限性成為人類不可忽視的問題。節約能源已經成為每個國家及社會在各個方面發展的大的趨勢，也不可避免的成為眾多科技工作者的工作追求[1]。在這個大背景下，第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的無碳小車的避讓行駛競賽在能源節約的方向上，采用重力勢能作為驅動的能量來源來命題[2]。該競賽由國家教育部舉辦的全國性大學生科技創新實踐競賽，具有很大的影響力。無碳小車競賽要求，需設計一種可在一定范圍內沿雙“8”字形繞過隨機固定樁距的無碳小車。無碳指小車完成行駛（驅動其行走及轉向）的能量和在此過程中所做的無用功均由質量為1 kg的砝碼（Φ50×65 mm，碳鋼）下降（400±2）mm的高度所獲得的重力勢能提供。要求小車為三輪結構（前轉向輪，兩個后行進輪）。在完成行駛及轉向時，砝碼要一直由小車承重不可掉落。小車的設計機構中必須具有可調節的轉向機構來準確躲避不同間距障礙物[3]。小車示意見圖1。

圖1 無碳小車示意圖

如圖2所示，雙“8”字型的無碳小車的比賽場地為半張標準乒乓球臺（桌面材質為高密度壓縮板）。乒乓球臺上沿桌面中軸線放置三根障礙樁（直徑20 mm，高200 mm），兩端的障礙樁樁距中心樁為（350±50）mm。

圖2 雙“8”字形賽道平面示意圖

雙“8”字形賽道要求小車運行時，每個障礙樁在“8”字形的一個封閉圈內。所謂雙“8”字形軌跡是指運動中要出現3個封閉圈軌跡，并交替出現四次變向（軌跡的曲率中心從軌跡的一側變化到另一側）。比賽中，小車需連續行駛，直至停止。出現小車沒有繞過障礙樁、碰倒障礙樁、把障礙樁推出定位圓區域、砝碼脫離小車、小車中途停止或小車掉下桌面等情況均視為本次比賽結束。比賽成績以完成雙“8”字形封閉圈的數量評定。

1 結構設計

該小車的重要幾個部分分為重力勢能轉化機構、傳動機構、轉向機構和底座組成，整輛車的機構設計如圖3所示。

圖3 無碳小車整體結構三視圖

1.1 重力勢能轉化機構

小車的重力勢能轉化機構的簡圖如圖4所示，重錘通過具有一定彈性的細線1繞在繞線輪的小輪上，然后細線2一段繞在繞線輪的大輪上面，另一端繞在大齒輪軸上，重錘下落帶動繞線輪，繞線輪帶動下面的大齒輪轉動，通過兩級齒輪傳動，將動力傳遞給小齒輪軸，從而將重錘下降過程中的重力勢能轉化為小車行駛中的動能。

圖4 無碳小車重力勢能轉化機構

1.2 傳動機構

小車驅動原理如圖5所示，動力傳動機構采用齒輪傳動。其中大齒輪6、中齒輪5、小齒輪4均通過頂絲分別與繞線軸1、中齒輪軸2、后輪軸3固定。重錘下降的過程中通過重力勢能轉化機構傳遞到繞線軸上，然后通過兩級傳動直齒輪傳動到后輪軸上，后輪軸帶動后輪轉動，驅動小車前進。通過齒輪的傳動比增加繞線軸對應后輪軸的轉動圈數。齒輪傳動圖如圖6所示，齒輪傳動具有效率高、傳動比穩定、壽命長、工作可靠性高等特點，可滿足前輪的精準轉向要求[4]。本設計中小車經過計算大齒輪、中齒輪、小齒輪傳動比為6∶3∶1，模數為0.5，三者之間的中心距為45 mm和20 mm，壓力角20°，齒厚5 mm。

圖5 小車驅動原理圖

圖6 齒輪傳動圖

1.3 轉向機構

為繞過中線上的三個障礙樁，結合三個障礙樁的放置間距（兩端的樁至中心樁的距離為350±50 mm），即如圖7所示。本設計中小車采用以盤形凸輪為載體的凸輪轉向機構作為小車完成避障繞樁實現雙八軌跡的轉向機構，即如圖8所示。采用凸輪機構的優點是：只要正確的設計和制造出凸輪的輪廓線，就可以把復雜的運動規律化；凸輪的回轉運動準確可靠，而且設計簡單；凸輪機構結構簡單、緊湊、運動可靠，另外在實際調試階段，可以快捷地修改凸輪的推程、回程、壓力角等參數，非常使用可靠。

圖7 小車理論軌跡圖

圖8 轉向機構三維圖

1.4 微調機構

本設計的小車中有兩處微調機構作為平時調車和現場調試的創新之舉。其一（如圖9所示）：與盤形凸輪時刻接觸的推桿的距離，螺紋桿與推桿用強力膠黏在一起，螺紋桿上面套有彈簧，通過旋合螺母來輕微調節推桿的擺動幅度；其二（如圖10所示）：前輪整個機構可以沿著小車底板的滑倒左右平動，通過兩個螺栓與底板固定。這兩個微調機構相互協調，第二個微調機構主要調節小車繞中心樁時離中心樁的距離，也可宏觀地調節整個小車的路徑，所以先確定整個前輪裝置的位置之后在調節第一個微調機構，通過旋合螺母改變前輪的擺角幅度，可以調節小車繞兩邊兩個移動樁時與左右兩個樁之間的距離，即小車整個軌跡的長度，另外實現小車雙八軌跡最終完全重合也是此微調機構實現。

圖9 微調機構局部三維圖

由于在現場比賽中有拆裝車環節，為了盡量使拆裝之后的小車最大程度的回復拆車之前的精度，所以在比賽中兩個為微調機構會事先固定一個，減少一個變量，提高小車的精度。具體設計如下：在前輪固定座上預留一個3 mm的螺紋孔，在平時不斷地調試中尋找最佳的位置，待位置找到后順著小孔在小車底板上也鉆一個小孔，然后用螺栓或者頂絲限位。在比賽拆裝小車時就可以簡單迅速的找到原來的最佳位置，大大縮短調試時間。

圖10 微調機構2的限位機構圖

2 理論計算

2.1 小車軌跡計算（圖11即為小車理論路徑圖）

圖11 小車理論路徑圖

將小車行駛的軌跡近似看成三個圓形軌跡，則有：

小車行駛的左右圓弧路程：

左右圓弧的參數方程為

根據左右圓弧的對稱性S2=4S1

小車行駛的中間圓弧路程：

中間圓弧的參數方程為

根據中間圓弧的對稱性S4=4S3

一個完整軌跡的總路程：

S=2×S2+S4=3 141.6 mm

2.2 小車理論行駛路程

重錘下降400 mm后繞線輪旋轉圈數：n1=

大齒輪與小齒輪齒數比：k2=6

后輪周長C=90×π≈282.7 mm

重錘下降400 mm，小車理論行駛路程：S總=n1×k1×k2×C=84 131.52 mm

小車理論行駛避障圈數

由于凸輪與推桿之間的滑動摩擦、車輪與桌面的滾動摩擦、每個零件間的細微誤差導致實際比賽中小車行駛避障圈數為22圈，在預期考慮范圍內，屬于正常。

3 實驗過程

小車設計組裝完成后，在1∶1比例的賽道上模擬，即半張標準乒乓球臺（桌面材質為高密度壓縮板）。乒乓球臺上沿桌面中軸線放置三根障礙樁（直徑20 mm，高200 mm），兩端的障礙樁樁距中心樁為（350±50）mm。嚴格按照比賽要求，將重錘高度調到（400±2）mm，繞著三根障礙柱做雙“8”軌跡，直至小車自動停止或駛出規定區域或撞倒障礙柱。經過多次試驗，小車行駛避障圈數22圈。

4 應用前景

可以運用到中學實踐教學中，提高當代學生的科技創造創新能力，無碳小車競賽能很好鍛煉學生的動手實踐創新能力，讓現在更多的學生了解機械制造并創新的能力，提高學生們對機械制造創新的興趣。無碳小車成本經濟、綠色環保、簡捷便利，給我們尋找更為綠色環保的能源提供思路，在能源轉化途徑和能源轉化效率方面有很大的促進作用。它將在逐漸取代傳統能源方面有很深遠的意義。

5 總結

本文介紹了基于2018年第六屆全國大學生工程訓練綜合能力的命題“8”字形賽道常規賽的要求，對小車運行軌跡的設定（傳動、轉向、微調）和能量轉化（重力勢能轉化為動能）進行研究和分析后，做出創新性的設計，并完成精密組裝和調試，以求達到最佳的運動效果。小車的結構設計合理，運行的實際軌跡滿足雙“8”字形軌跡的要求，行駛勻速、緩慢、平穩，無用功較少，設計方案合理，可供后續比賽設計借鑒推廣。