一种S形无碳小车结构设计

张伟超

摘 要：根据能量转换原理，设计一种可将该小车的重力势能转换为机械能并驱动小车行走的装置。该无碳小车可自动避障且行驶路线为S形。确定了S形无碳小车各结构的设计方案，达到了高效率、高稳定性的设计要求。

关键词：无碳小车；结构设计；曲柄导杆

0 引言

S形无碳小车的主体部分包括车架、转向结构、齿轮系和微调结构4部分。车架用于支撑整个小车，转向结构要用到曲柄导杆机构，齿轮系的作用是将车轴的动力传给曲柄，使曲柄随着车轴的转动而做周期性转动，从而带动转向轮做周期性转动。微调结构是为了满足赛事的要求，在不同的障碍物间距下行驶。

1 行驶路线轨迹规划

设 S形无碳小车行驶的安全距离是200mm，设计小车的宽度为130mm，在行驶轨迹周期为2m的情况下，其轨迹方程为：

y=-0.33 cosx；

一个周期的弧长为：S=2460mm；

根据传动比和驱动轮直径之间的关系[1]：

在选定传动比为的情况下，得到驱动轮直径D=156.6mm，则半径R=78.3mm。设定 S形无碳小车底盘距地面高度为10mm，根据传动比的关系得到线轮轴距地面的关系H=70mm。设定驱动轴距前轮轴的距离d=215mm，齿轮组模数m=2，小齿轮齿数为12，得到两齿间距为72mm，根据几何关系得到前轮轴距线轮轴b=143.48mm。设定曲柄半径r1=20mm，线轮半径r2=6.25mm。

根据各几何量之间的关系：

路径弧微分，后轮半径R，后轮转过的角度微分，

为线轮转过的微小角度；

为重物下降的微小高度；

经过MATBLE程序[2]，确定摇杆长度c=37.3mm，初始角度常数0.8958。

2 结构设计

2.1 车架结构设计

2.1.1 车梁

车轮之间距离用后轴的轴肩进行定位，车梁是车的载体，连接前后轮，使前轮与后轮间的距离为215mm，两后轮间的距离为130mm；在车梁形心位置处安装载物台，承载400g（Φ60×65mm）的重物；在车梁的两侧接近形心位置处，安装一龙门架，承载1kg的重块（Φ50×65mm），完成能量转换；在后轮轴的地方安装齿轮，用于实现固定传动比；在绕绳轴处安装曲柄导杆机构，以完成小车前轮的转向运动。

2.1.2 龙门架

车架上的龙门架具有安装定滑轮和承载下落的重块的作用。重块下落前，重块的下端面距车架的高度为400mm，加上重块和滑轮的高度及加工余量，设计龙门架的高度为500mm。安装时，保持龙门架处于铅直位置，重物（Φ50×65 mm）下落后，由于摩擦阻力的作用，小车将会慢慢停止。

2.1.3 车轮

前轮和后轮的直径分别为d1=32mm和d2=156.6mm，前后轮的宽度分别为8mm、15mm。后轮为驱动轮，与地面的摩擦力大些好；前轮为被动轮，与地面的摩擦力小些好。车架的结构如图1所示：

2.2 转向装置结构设计

2.2.1 曲柄导杆的设计

曲柄导杆的杆长要细长，刚度大，不易变形。曲柄的长度与前轮的转向密切相关，直接影响转向的角度。设计曲柄的长度为20mm。导杆的长度满足前轮的转向即可，导杆的长度确定为143mm。

2.2.2 转向轮的设计

设计一前叉，将导套与前叉固定，前叉用一推力轴承和车身相连，导杆与曲柄相连。安装后，使车架保持水平，将型材切割成所需的形状即可，上面装一阶梯轴，使其与车梁相连。

2.3 齿轮系的设计

一个周期内，曲柄转过一周转向轮也经历一个周期。在后车轴和曲柄之间的啮合齿轮要满足传动比为i=5的关系。曲柄相对于小车的旋转中心要在小车的中心线上。否则，小车将会偏离宽度为2m的赛道。齿轮啮合不能太紧，否则后车轴会弯曲变形[3]，摩擦力也会很大，传动比不精确。直齿轮齿数分别为12、60，模数为2。

2.4 微调结构的设计

微调结构主要依靠改变支撑导杆的导杆座的横向距离来调节前轮的摆角幅度，进而适应不同的障碍物间距，满足小车的理想行驶路线条件。导杆座横向距离的改变主要依靠其在小车底座的位置改变来实现。经过多次实验，可得出相应的距离改变量与摆角变化量的坐标图，进而为实现不同的比赛要求提供参考。

3 结论

通过对S形无碳小车的车架、转向结构、齿轮系和微调结构4部分的结构设计，实现了无碳小车在不同比赛要求下的理想行驶及避障条件。尤其是在转向结构设计中，将连接前轮的万向阀装置改装成了导杆凹槽式，减小了运动误差，使运动路线更加精准。理论和实践证明，本文所设计的S形无碳小车结构合理、传动效率较高、运行平稳，满足大赛要求。

参考文献

[1]王斌，王衍，李润莲，等.“无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报（自然科学版），2012，（1）：59-62.

[2]刘金肖，何秋熟，杨延清，等.无碳小车创新性结构设计[J].机械制造与自动化，2014，（5）：189-191.

[3]刘鸿文.简明材料力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

（作者单位：南京农业大学工学院）