“S”型無碳小車技術創新與應用

周婷婷

摘要：根據第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題要求，設計一種將重力勢能轉化為動能的無碳小車，輔以轉向機構、可調機構使小車實現“S”型軌跡且不等樁距的繞樁功能。

關鍵詞：結構設計;微調;曲柄搖桿

0 ?引言

根據競賽要求，自主設計小車結構，畫圖并且自己動手制作各個零部件，組裝調試達到以重力勢能驅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避障行駛，且障礙物的距離在一定范圍內隨機調整，以小車成功繞障數量和前行的距離來評定成績。因此在制作小車各部件前，需要對小車進行合理的理論計算設計，借助MATLAB對其軌跡進行仿真計算，針對仿真出現的問題，對結構進行優化。在制作各個零部件時，不可能與仿真軌跡完全吻合，需要反復進行試跑-調試-記錄數據-修改零件-試跑。最終找到最優化的數值，確定最優機構，掌握小車的實際行走規律。

1 ?結構設計

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

無碳小車是利用砝碼下降的重力勢能轉化為小車前進的動能，進而直接使用一級傳動齒輪帶動后輪前進。基本原則是結構合理，調節簡單，易于拆裝，便于調節，精度高。

實現S形軌跡可以有多種結構設計方案，采用主要結構有動力機構、傳動機構、行走機構、轉向機構，微調機構。

1.1 動力機構

動力機構采用了繩輪結構：用繩子將砝碼拴住懸吊在三根細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化為動能驅動小車前進。

1.2 傳動機構

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

1.3 行走機構

行走機構為了實現兩后輪的差速，便于轉彎，因此選用單輪驅動。兩后輪一個作為主動輪另一個為從動輪，最大程度上優化了小車的結構（如圖4）。

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

1.4 轉向機構

轉向機構采用曲柄搖桿機構（如圖5）。 驅動軸旋轉使曲柄旋轉，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進行擺動，搖桿擺動使前輪在運動過程轉向繞過變距離的樁。

1.5 微調機構

微調機構主要選用微分筒（如圖6）和曲柄，對轉向機構中的連桿進行調節，使小車能行走正確的軌跡。

微調功能的實現：微調機構是小車柔性的體現，調整它能使小車能夠適應不同的障礙物間距，無碳小車的微調主要體現在對曲柄長度和連桿長度的微調。

曲柄的加工有點復雜，為了實現小車的微調采用打孔的方式。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）。當樁距變化時，可以根據實際樁距的大小，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

經過無碳小車的設計、制作、調試、比賽，學到了很多課本上面學不到的東西，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，期間經歷了汗水、忙碌與挑戰，不僅贏得了成功，而且還收獲了失敗后走向成功的經驗。最初小車調試效果不佳，但是在指導老師們的幫助下，學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，無數遍的試跑以后小車終于走上了“S”型路線，接下來重復著試跑-調試-記錄數據-試跑的過程，漸漸的建立了自信，慢慢找到了該小車的調試技巧。果然功夫不負有心人，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。不過有了校賽的經驗，知道了在賽場不僅要硬件設施過硬，心理素質的軟件設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。

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