“8”字型无碳小车的结构设计

刘育良，吕晓，白文秀长春理工大学机电工程学院

“8”字型无碳小车的结构设计

刘育良，吕晓，白文秀长春理工大学机电工程学院

我校为提高大学生创新能力、实践能力以及团队合作能力，积极参与第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛，该比赛的主题是“无碳小车”。针对该比赛的要求，在充分领悟比赛意义与宗旨的前提下，本文阐述了其中“8”字比赛中无碳小车的设计方案，该方案原理简单，结构相对简便，并且也具有一定的稳定性与适度的可调性。

无碳小车；绕“8”字；结构设计；凸轮

一、基本设计原理

原理结构简图如图1。

图1

小车设计的基本原理是利用能量转换机构将重锤下降的势能转换成动能，通过传动机构将动能传给驱动机构和转向机构，驱动机构可使小车行走，转向机构控制小车实现绕障功能。[1]

1.驱动原理

在齿轮传动还是皮带传动之间进行选择时，考虑到转向等因素，小车的传动比在行进时需要相对精确，而皮带由于打滑等原因不如齿轮传动。[2]因此本设计采用齿轮传动。如图将重锤用线通过定滑轮与车的传动机构相连接。其中9为绕线处,该结构将动力通过齿轮7传动到齿轮6然后带动到行驱动轮8，实现驱动轮的驱动功能。

2.转向原理

转向机构的设计直接决定了小车的行走轨迹。5为齿轮跟凸轮的结合体（或者使两者分开，加工成同轴），齿轮6带动齿轮5运转，然后带动推杆4进行有规律的前后移动，进而控制导向轮左右偏转。

3.调距原理

通过调节3和4的横向相对位置来调节凸轮推杆3到转向轮2中心的横向距离，从而能够控制转向轮转向时偏转角度的大小，进而改变轨迹。微调装置的作用是调整小车的行走路线以及平衡零件加工和装配的误差。除了3、4的横向相对距离可调外，他们的纵向距离也可通过螺纹配合可调。

二、路线设计

路线设计是在原理确定之后的首要设计。如图2为小车中心的运动轨迹设计，根据此次比赛要求的特性，设计路线如下图所示，中部相交的两直线分别与左右两侧圆弧相切，其中左侧圆弧半径较小，是有两根杆的一侧，小车从两杆之间穿过以节省能量；右侧圆弧半径较大，是有一根杆的一侧。在比赛要求范围内,无论障碍物在什么位置，小车均能顺利通过。如此设计既能满足比赛题目要求，又能最大限度得利用有限的运动空间来设计小车。

图2

图3

根据如图3几何关系可以有已经确定行进轨迹半径r来确定导向轮转角β与小车导向轮中心到后轮轴的距离d尺寸之间的关系，根据速度重心等综合考虑小车选用合理的轮廓尺寸d以及总体车宽。然后再确定转角β的值。

tanβ=d/r

三、结构设计

1.传动机构设计

图4

如图4所示，绕线轮带动同轴齿轮1转动，齿轮1与齿轮2啮合进而带动齿轮2转动，齿轮2与驱动轮同轴，使驱动轮转动；另一方面齿轮2与齿轮3啮合，而凸轮4与齿轮3同轴，凸轮4转动带动推杆5前后移动（推杆后移时由一橡皮筋拉回），当凸轮转动时，便可触发转向机构进行工作。

2.转向机构

转向机构原理：如图4所示，传动机构主要由凸轮4和推杆5加一滑道机构6组成，凸轮经传动机构带动，凸轮便可推动推杆5前后移动，凸轮与推杆高副连接，推杆通过一竖直连接杆8与滑道机构移动副连接。推杆前后移动，进而推动竖直连接杆8，使得零件7绕定轴转动，从而带动导向轮转向。推杆5用橡皮筋（图中未画）拉回，橡皮筋套在支座10与图中零件9的位置。

当转小弯道的时候，凸轮往前推动推杆5，导向轮左偏，此时推程最大；小弯之后接下来就是一段直线的运动，此时凸轮推程为中间值，此时导向轮不偏；随后就是大弯，此时凸轮推程为零，导向轮右偏。

3.调距机构

如图5，调距主要分纵向（直线行走的方向）和横向两部分。图中零件4为滑道，主要起支撑推杆作用。

3.1 纵向部分

原理叙述：纵向整个推杆1分成两大部分，这两部分通过螺纹连接（如图5，零件1其中一部分加工螺纹轴，另部分加工为螺纹孔），因此两者可通过拧动来微调两部分的总体长度，进而改变整个推杆的总长度。该部分的调节主要平衡纵向的加工装配误差，保证小车在走直线的时的直线度。

3.2 横向部分

原理叙述：如图5零件2，实际加工时标注刻度刻度，与顶部带螺纹孔的零件3相配合，小车行进时顶部可拧上螺钉将两者固定紧；需要调距时，将螺钉拧松，调节零件2在零件3槽中移动，进而可调节零件2与导向轮中心的距离。凸轮推程一定，当零件2往左或者右移动后，小车行走时导向轮偏角便会与原来不同，其所走圆弧半径便会改变，进而起到调距功能。

图5

设计参数：零件2下端圆柱中心距离导向轮中心的理论横向距离为12mm。此处实际有+、-2mm的左右移动空间，如此设计小车转弯时导向轮转角便可通过此处的左右移动调节进行变动，进而小车的转弯半径便可相应改变。由上文路线设计时确定的d以及车宽，可计算出具体转角与半径对应关系，其数据见下表：

四、结束语

本次无碳小车设计先是根据比赛题目要求确定其总体原理以及运行路线，然后根据各个环节的数据分析与计算设计具体结构形状以及尺寸，随后就是制造和调试。在所有过程中都需要以严密、科学地计算与分析为基础。通过本次对无碳小车的设计在巩固原有理论知识的同时也增强了学生的理论联系实际的能力以及团队协作的能力。更重要的是学生在这个过程中对研发设计机械产品有了一定的过程体验，为未来更高技术的产品设计提供了宝贵的学习经验。

[1]徐岩.基于物探小车的优化设计[J].硅谷，2014（5）：14-16.

[2]朱孝录.机械传动设计手册[M].北京：电子工业出版社，2007.

刘育良（1996-），男，汉族，山东烟台人，单位：长春理工大学机电工程学院2014级本科；

吕晓（1994-），男，汉族，山东烟台人，单位：长春理工大学机电工程学院2014级本科；

白文秀（1996-），女，汉族，山西大同人，单位：长春理工大学机电工程学院2014级本科。