S型無碳小車的設計與優化

李淑萍 柴小云 李晨

摘 要：根據全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題文件指導，通過文獻查詢與自發探索設計制作出了能實現預定功能的小車。依靠計算與軟件輔助，驗證與改進了小車各結構的設計。最終經過調試，使小車平穩運行。

關鍵詞：無碳小車;結構設計;連桿機構;微調機構

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0081-02

0 引言

伴隨著人類對自然環境無止境的開采，隨踵而來的環境惡化問題也日益加重。經濟發展是無止境的，但人類賴以生存的生態系統卻是無法再生的。全球氣候變化、能源消耗和生態破壞等現象現在都是全人類無法規避的問題。近年來，低碳生活的理念應運而生，開始在全球大規模地傳播，以期望引起大家對環境的重視，改善我們的生態系統。無碳小車就是這一波潮流中的號召者之一。它所要實現的就是在除了自身重力外不依靠其他任何能量就能自主完成繞障行走的功能。

1 設計思路

根據第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題要求，S型無碳小車只能采用由重力勢能轉化而來的動能進行驅動，其中，重力勢能由1kg砝碼提供，從400±2mm的高度下落。行走過程中還要由轉向控制機構操控小車進行自動避障運動，障礙物之間的距離由現場抽簽來決定。由上述要求可分析出小車所需要完成的運動軌跡為正弦曲線。為實現以上功能，可將小車整體結構分為原動機構、傳動機構、行走機構、轉向機構、微調機構、車身六大部分。

2 各部分設計

2.1 原動機構的設計及優化

此部分是將重力勢能轉化為動能，為無碳小車提供前進的動力的機構。小車在初期啟動時有靜摩擦力因素，為使小車順利啟動，原動機構一開始提供的啟動力矩要大于小車的靜摩擦力力矩。即小車初期運行時所需的啟動力矩：

而在小車行進過程中，由于慣性的作用使得小車前行所需力矩減小，為了避免能量的浪費以及由于速度過快而可能引起的翻車等問題，繞線輪設計為了塔輪結構，在小車啟動初期時將線繞在大端，行進過程中繞至小端。以此來保證小車前期能順利啟動，以及后期平穩低速地運行。

考慮到要減輕小車整體質量，繞線輪可采用3D打印，同時為了保證繞線軸能帶動齒輪嚙合，可在繞線輪底部打印三個沿圓周均勻分布的小樁，齒輪上加工出與之配合的三個小孔，使繞線軸與齒輪緊密相連。為了防止摩擦打滑，可在繞線軸軸身上打印出螺旋線路，用于卡住繩子。

2.2 傳動機構及行走機構的設計及優化

砝碼下落帶動繞線軸所在的驅動軸轉動，通過齒輪嚙合傳遞給后輪軸，從而帶動后輪前進。在能量傳遞為了提高傳動效率，所以采用一級齒輪傳動，傳動比為1：4，即繞線軸轉動1圈，后輪行走4圈。小車的行駛路線為：Y=Acos（πx），一周期內行駛的路程為：

小車前行機構分有三個車輪，一個前輪，兩個后輪。在轉彎時，相同時間內由于內圈和外圈行駛路程不同，會使兩個輪子產生不同的差速，為了避免拖拽情況發生，應該將一個設計成主動輪，另一個為從動輪。

在固定后輪時，由于螺紋本身存在有傾斜度，會使車輪相對車身有個傾斜角，所以安裝過程中要盡量避免螺紋連接。在軸與輪子的連接處，為了避免應力集中，可采用法蘭盤。

2.3 轉向機構的設計及優化

為了保證小車能可靠連續地實現轉向功能，可采用對心曲柄搖桿機構。圖1為對心曲柄搖桿機構示意圖。

2.4 微調機構的設計及優化

為了彌補加工及裝配過程中所產生的加工誤差，所以要安裝有微調機構對轉向機構進行數據上的調整。本研究為了精確控制數據調整數值，特在連桿上安裝了微分頭，以此來精密控制連桿的調整數值。同時在曲柄盤上銑出了u型槽，可對曲柄數值進行自由調控，如圖2所示。

3 調試

小車在設計裝配后，由于各部分存在的誤差，在累加后會使小車實際運行軌跡與理論運行軌跡有較大的出入，所以要對小車進行調試，使它最終跑出理論計算軌跡。

3.1 小車出發定位

先用激光筆配合亞克力板找到車身初始位置，因出發時我們選用在軌跡幅值處發車，所以此時曲柄盤指針指向剛好平行于車底板。在對發車位置有了精確定位后，再進行之后的多次調試。

3.2 小車左右偏移

當小車進行左偏時，需加長連桿;右偏時，減短連桿長度。連桿長度對小車運行軌跡的影響極為敏感，所以調節連桿長度時一定要耐心。

3.3 小車幅值不夠

小車行駛周期不夠時，可以調整曲柄長，它控制著周期的長短。曲柄長度調長，小車行駛周期變短。

4 結語

無碳小車行駛軌跡最大的影響因素就是加工精度，即使是兩輛設計完全相同的小車最后行駛的軌跡也可能千差萬別。所以一定要注重微調機構的設計，確保它能精確彌補加工誤差所帶來的影響。

對于小車機構，整體設計注重平穩和減輕質量，所以小車底盤高度設計不宜偏高，小車整體質量分布要均勻，不然易出現翻車現象。盡量選用不易變形易加工且輕量的材料，并對零件進行一定鏤空以減輕質量。

雖然小車整體設計大致類似，但細節上仍有很大的優化空間，所以還是要注重細節方面的設計。本文對繞線軸、微調機構、后輪固定等方面都做了一定程度的優化。最終調試出了理論計算路徑，如圖3所示。

參考文獻

[1] 卞玉帥，陳正強，晁興旺.無碳小車軌跡建模與參數優化[J].科技視界，2013（33）：171+173.

[2] 王政，何國旗，胡增.基于ADAMS軟件的無碳小車轉向機構設計[J].湖南工業大學學報，2013，27（05）：28-32.