“S”型無碳小車技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

周婷婷

摘要：根據(jù)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題要求，設(shè)計一種將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能的無碳小車，輔以轉(zhuǎn)向機構(gòu)、可調(diào)機構(gòu)使小車實現(xiàn)“S”型軌跡且不等樁距的繞樁功能。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計;微調(diào);曲柄搖桿

0 ?引言

根據(jù)競賽要求，自主設(shè)計小車結(jié)構(gòu)，畫圖并且自己動手制作各個零部件，組裝調(diào)試達(dá)到以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的小車。競賽要求小車在指定賽道上實現(xiàn)避障行駛，且障礙物的距離在一定范圍內(nèi)隨機調(diào)整，以小車成功繞障數(shù)量和前行的距離來評定成績。因此在制作小車各部件前，需要對小車進(jìn)行合理的理論計算設(shè)計，借助MATLAB對其軌跡進(jìn)行仿真計算，針對仿真出現(xiàn)的問題，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在制作各個零部件時，不可能與仿真軌跡完全吻合，需要反復(fù)進(jìn)行試跑-調(diào)試-記錄數(shù)據(jù)-修改零件-試跑。最終找到最優(yōu)化的數(shù)值，確定最優(yōu)機構(gòu)，掌握小車的實際行走規(guī)律。

1 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計結(jié)構(gòu)之初，首先查閱前幾屆比賽相關(guān)的論文，分析本屆競賽要求，初步設(shè)計出無碳小車的結(jié)構(gòu)。利用SolidWorks軟件進(jìn)行各部件的三維設(shè)計，二維圖與三維圖，組裝圖與爆炸圖，制作并組裝實物小車。對小車進(jìn)行運行調(diào)試，針對運行過程中出現(xiàn)的問題，不斷修改并完善零部件，最后得到結(jié)構(gòu)合理的小車實物。

無碳小車是利用砝碼下降的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動能，進(jìn)而直接使用一級傳動齒輪帶動后輪前進(jìn)。基本原則是結(jié)構(gòu)合理，調(diào)節(jié)簡單，易于拆裝，便于調(diào)節(jié)，精度高。

實現(xiàn)S形軌跡可以有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，采用主要結(jié)構(gòu)有動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)，微調(diào)機構(gòu)。

1.1 動力機構(gòu)

動力機構(gòu)采用了繩輪結(jié)構(gòu)：用繩子將砝碼拴住懸吊在三根細(xì)長柱中間繞過頂端的繞線輪（如圖1），繩子的另一端固定在繞線軸（如圖2）上（既是繞線軸又是主動軸）。故此將砝碼下降的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能驅(qū)動小車前進(jìn)。

1.2 傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)要求能量損耗少、傳動比精確，故優(yōu)先選用齒輪機構(gòu)（如圖3），為使無碳小車結(jié)構(gòu)簡單，選擇了一級傳動。

1.3 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)為了實現(xiàn)兩后輪的差速，便于轉(zhuǎn)彎，因此選用單輪驅(qū)動。兩后輪一個作為主動輪另一個為從動輪，最大程度上優(yōu)化了小車的結(jié)構(gòu)（如圖4）。

行走功能的實現(xiàn)：重物下落所產(chǎn)生的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能（即小車驅(qū)動力）。繞繩處驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪嚙合帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，主動輪轉(zhuǎn)動帶動小車向前運動。

1.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用曲柄搖桿機構(gòu)（如圖5）。 驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)使曲柄旋轉(zhuǎn)，連桿沿一條直線前后推動 ，搖桿被連桿推動使其在一定范圍內(nèi)進(jìn)行擺動，搖桿擺動使前輪在運動過程轉(zhuǎn)向繞過變距離的樁。

1.5 微調(diào)機構(gòu)

微調(diào)機構(gòu)主要選用微分筒（如圖6）和曲柄，對轉(zhuǎn)向機構(gòu)中的連桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，使小車能行走正確的軌跡。

微調(diào)功能的實現(xiàn)：微調(diào)機構(gòu)是小車柔性的體現(xiàn)，調(diào)整它能使小車能夠適應(yīng)不同的障礙物間距，無碳小車的微調(diào)主要體現(xiàn)在對曲柄長度和連桿長度的微調(diào)。

曲柄的加工有點復(fù)雜，為了實現(xiàn)小車的微調(diào)采用打孔的方式。選用角度相等的8個位置，每個位置打3個孔（即24個孔），每個孔離中心的距離都不同（如圖7所示）。當(dāng)樁距變化時，可以根據(jù)實際樁距的大小，通過選擇曲柄上不同的孔，以改變小車周期的大小，從而繞過障礙物。

2 ?心得體會

經(jīng)過無碳小車的設(shè)計、制作、調(diào)試、比賽，學(xué)到了很多課本上面學(xué)不到的東西，可謂是受益匪淺。從競賽開始到小車制作完成，再到小車順利運行，期間經(jīng)歷了汗水、忙碌與挑戰(zhàn)，不僅贏得了成功，而且還收獲了失敗后走向成功的經(jīng)驗。最初小車調(diào)試效果不佳，但是在指導(dǎo)老師們的幫助下，學(xué)會了沉下心來尋找問題的所在，最后，找到問題所在，增大了一級齒輪傳動的傳動比，無數(shù)遍的試跑以后小車終于走上了“S”型路線，接下來重復(fù)著試跑-調(diào)試-記錄數(shù)據(jù)-試跑的過程，漸漸的建立了自信，慢慢找到了該小車的調(diào)試技巧。果然功夫不負(fù)有心人，最后成功沖出了校賽，不過隨之而來的不是喜悅，而是壓力，接下來代表學(xué)校去參加湖北省的比賽才是真正的賽場。不過有了校賽的經(jīng)驗，知道了在賽場不僅要硬件設(shè)施過硬，心理素質(zhì)的軟件設(shè)施也是需要很強大的。終于迎來了緊張而刺激的比賽，不過經(jīng)歷了校賽和付出的努力開始對自己有了足夠的信心。最后取得了湖北省一等獎的優(yōu)秀成績。付出終于迎來了回報，感謝自己的努力，感謝隊友的支持，感謝老師的指導(dǎo)。

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