S型無碳小車結構設計*

李立成，徐漫琳，柯昌輔

(重慶大學城市科技學院，重慶 402167)

0 引言

本設計源于全國工程能力競賽無碳小車的設計，該競賽S型組要求設計一個以指定重力勢能為唯一驅動能量的具有方向控制功能的自行三輪小車(1個轉向輪，2個驅動輪)。該自行三輪小車在前行時能夠自動避開賽道上設置的障礙物(每間隔1 m，放置一個直徑20 mm、高200 mm的彈性圓棒障礙物)。小車的設計要求在賽道內連續穩定的穿過障礙物，運動軌跡的幅值越小，再給的能量和傳動比下繞過的障礙物數就越多，但運動軌跡幅值越小越障難度越大。

1 設計概述

無碳小車應有轉向機構和驅動機構組成。無碳小車的理論行走距離與驅動機構的傳動比以及無碳小車的驅動輪的直徑有關。重錘給定的能量4 J，這部分能量主要消耗在小車與地面的摩擦做功和小車內部零部件的摩擦做功。為了使小車行駛距離更遠，減小小車對地面的摩擦，適當的減小整車質量。小車主要由成動力機構、齒輪傳動機構、曲柄連桿機構、連桿前輪轉向機構四個機構組。

1.1 動力機構

小車原動機構要求:保證小車能在靜摩擦狀態下能夠啟動;小車的行進速度要適當有利于小車在S型路線行駛下的穩定性，圖1為無碳小車傳動原理圖。

以小車為研究對象，受力情況如圖2所示，D1、D2、D3是重錘作用在小車底板上的作用力F1、F2、F3是車輪對地面的正壓力，在小車靜止或者勻速的狀態下，這6個力構成了空間平衡力系。

圖1 無碳小車傳動原理圖

圖2 無碳小車的受力分析

在空間建立坐標系，列出平衡方程式為:

上式中D1、D2、D3分布在等邊三角形的頂點上

小車在行駛過程中是周期性轉向的，當出現轉彎半徑最小，這個時候小車的同軸的兩個輪子應該差速，因此小車同軸兩輪應具備差速的功能防止側翻。如果小車在行駛過程出現向右傾翻的情況在圖2中對應的F3=0，

因此，小車的整體設計，小車的傳動比設計，與繞線輪的設計，達到小車運動行駛性能的優化。

1.2 無碳小車的傳動機構的設計

無碳小車的傳動機構中采用一級齒輪傳動［2］，傳動效率高達98%，小車總的行走能力與傳動比有關，但在比賽項目中，成功繞過障礙物是衡量小車的行走能力的指標。因此在小車的設計中，要考慮小車每走一個周期的軌跡距離，小車偏移障礙物的距離等問題。根據要求，大輪直徑200 mm，設計的小車寬度為140 mm，小車成功繞障必須偏移70 mm以上，在傳動比設計上，傳動比大小適當，S型軌跡的偏移量要適當。偏移量過小在后期的小車調試階段任務繁重，偏移量過大造成小車成功繞障的個數太少，為了解決這一問題，使用計算機編程尋求偏移量d與傳動比k之間的關系，最終確定小車的最優行駛軌跡。

將無碳小車的行駛軌跡近似處理視為正弦曲線，擬定每個周期軌跡方程式y=Asin x，將無碳小車的行走長度的1/4計算出來乘以4即可得到小車每個周期的行走長度，無碳小車行走的1/4長度近視看成，其中A為無碳小車行走軌跡的幅值，幅值要大于車寬度的1/2，L為小車的要繞過的樁距。

以無碳小車越障1 m的間距為例進行編程計算

#include ＜stdio.h＞

#include ＜math.h＞

void main()

{

double x，y，s，m，A，l，k;

int i=1000;

l=0.5/i;

s=0;

x=0.5/i;

printf("請輸入A值");

scanf("%lf"，＆A);

y=A*(sin(3.1415926*x)－ sin(3.1415926*(x－l)));

while(x＜ =0.5)

{

m=y*y+l*l;

s=s+sqrt(m);

x=x+l;

}

s=s*4;

printf("小車每周期行駛距離為:%lf "，s);

k=(s/3.1415926)/0.2;

printf("小車傳動比為:%lf "，k);

}

第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的常規距離為1 m的樁距，通過計算機運行輸入不同的偏移量d得到運行軌跡s與傳遞比k的值。

表1 無碳小車在1m樁距不同偏移量下軌跡與傳動比數據

考慮賽道的實際情況，偏移量取d=250 mm，每個周期的軌跡長度為2 541 mm，傳動比確定為k=4，小車的理論行走能力為46.82 m。

1.3 轉向機構

S型無碳小車的轉向可以通過曲柄搖桿機構來實現［3］，如圖3所示，構架之間滿足的關系AB2+AD2=CD2+BC2機構來實現左右均勻擺動，保證無碳小車周期性轉向成功繞過障礙物，為了實現穩定的周期轉向，曲柄搖桿機構的行程速度要穩定，曲柄連桿機構五快回特性。無碳小車的轉向機構如圖3所示。

根據設計的齒輪傳動的傳動比k=4，小車的車輪直徑為200 mm，運用matlab工具進行軌跡的仿真，并記錄相應的仿真數據如表2所列。

圖3 無碳小車的轉向機構

表2 不同樁距下無碳小車的仿真參數 /mm

根據已有的設計參數，以及需要調節的構件的尺寸范圍進行設計，運用計算Proe三維設計軟件進行設計并進行運動仿真，保證運動部件之間無機械沖突。Proe的三維設計整體設計如圖4所示。

圖4 無碳小車整體設計

2 無碳小車的調試

無碳小車競賽中，有不同的樁距，在700～1 300 mm之間以每50 mm為一個變化單位抽取)。障礙物為直徑20 mm、高200 mm的圓棒，沿賽道中線等距離擺放。為了適應不同的樁距，要調節小車的曲柄的長度，曲柄的轉速，搖桿的長度以及微調連桿的長度。

根據設計的齒輪傳動的傳動比k=4，小車的車輪直徑為200 mm，調節主動軸帶輪直徑、曲柄軸帶輪直徑、曲柄長度、搖桿長度、連桿長度來實現無碳小車的繞過不同樁距的障礙物。在無碳小車調試中，為了使小車行走的估計關于賽道的中心線對稱，因此小車前輪向右和向左擺動的角度要對稱。無碳小車的軌跡的幅值和樁距的大小主要取決于以下兩方面。

(1)無碳小車曲柄的轉速可通過選擇主動帶輪直徑與曲柄軸帶輪直徑，本設計中用了兩種不同的曲柄軸帶輪直徑分別是15 mm和19 mm。樁距不同要求軌跡長度就不同，轉向的快慢也就不同，適當調節主動輪與曲柄的轉動比可改變曲柄的周期。

(2)在長度一定的情況下，搖桿的長度增大連桿也相應增大，搖桿長度越大前輪的轉角越小，軌跡的橫向幅值越小，但是每個周期的縱向長度增大。當曲柄的轉速和搖桿長度一定，曲柄減小，每個周期的縱向長度也會增大。當根據計算機仿真數據進行調試無碳小車，得到實際測量如表3所列。

表3 不同樁距下無碳小車的調試參數 /mm

3 結語

通過優化設計小車的動力性能［4－5］，運動的平穩性，為小車的整體設計奠定了基礎。通過計算機程序仿真為小車的運動軌跡計算了傳動比及調節桿件的尺寸，對無碳小車的調試打下了良好的基礎，實踐證明，不同樁距情況下，各調節參數的實際與仿真參數的誤差＜10%，小車實際軌跡良好。

［1］ 豆龍江，詹長庚，龐晨露，等.無碳小車的機械結構設計［J］.機械工程與自動化，2014，183(2):84－86

［2］ 白 雪，唐鵬達.機械傳動無碳小車的設計構想［J］.工業設計，2011(8):145.

［3］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.第8版.北京:高等教育出版社，2006.

［4］ 王 斌，王 衍，李潤蓮，等.“無碳小車”的創新性設計［J］.山西大同大學學報，2012，28(1):59－62.

［5］ 楊秀光，鄒光明，黃 川，等.避障小車轉向系統的設計［J］.機械傳動，2012 ，36(4):41－43.