双前轮转向无碳小车结构创新设计

徐杨梅+孟玲霞+刘学+侯周勇

摘 要：根据全国大学生工程训练综合能力竞赛“重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”的创新思维活动要求，进行了小车结构的创新性设计，提出了双前轮转向机构，很好地解决了小车在沿s形轨迹行进过程中的差速问题，无碳小车采用曲柄滑块机构进行s形轨迹的转向控制，行走机构采用一级齿轮传动，多组齿轮快换进行桩距调节。设计中采用MATLAB进行计算及可行性模拟分析，采用ProE进行三维建模设计，并进行了加工组装与调试参赛，并根据比赛实际问题进行了改进。小车结构设计新颖，在转向、传动机构等方面的设计创新性获得专家评委的一致好评。

关键词：无碳小车；结构设计；转向设计；曲柄滑块机构

中图分类号：TH124 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0027-04

Abstract： According to the proposition of the National College Engineering Training Comprehensive Ability Competition， focus on a carbon-free car（driven by gravitational potential energy has direction control function of the self-propelled trolley）innovative design activities， an innovative design with double front steering wheel mechanism is carried out. The structure design well solves the differential speed problem when car traveling along S-shaped. The car using slider crank mechanism to realize S shape track steering control， walking mechanism adopts primary gear driving. The gears can be quickly changed to realize the varying pile space. MATLAB was used in the design and the feasibility of the simulation analysis， the ProE was used for 3D modeling and design. After processing design， machining， assembling and debugging， the car has been completed and taken the Beijing competition. The structure of the car has been improved after race. The innovation of the design of the steering and transmission mechanism is novel， and has been praised.

Keywords： carbon-free car； structure design； steering mechanism design；crank slider mechanism

1 概述

无碳小车是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车，如图1所示，即将重力势能转换为可以自主转向的动能。在规定的赛道上按“S”形自动绕障行走，如图2所示，根据避障数量和小车行走距离计分。重力势能采用质量为1kg的重块（φ50×65mm，碳钢制作），垂直下降0.4m行程来获得，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。并且要求小车具有转向控制机构，且此转向控制机构具有可调节功能，以适应放有不同间距（70cm～130cm）障碍物的竞赛场地。为此，必须进行小车的曲线分析，并且利用MATLAB编程进行数值计算，设计符合要求的小车曲线，设计符合要求小车机构的尺寸，计算小车的传动比。

目前比赛大家通常采用曲柄导杆结构、曲柄摇杆机构、凸轮滑块转向机构、曲柄滑块机构[1]-[4]，它们共同的特点都是单前轮转向，双后轮驱动，后轮采用单輪驱动或差速器解决小车转向时的左右轮的差速问题。经过分析研究各种常用传动方式的特点，设计出了双前轮转向的曲柄滑块机构，解决了小车在沿s形轨迹行进转向过程中的差速问题，采用曲柄滑块机构进行s形轨迹的转向控制，行走机构采用一级齿轮传动，通过多组齿轮快换与微调机构进行桩距大范围粗调及小范围精确调节。

2 结构设计

小车由原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构、底板等六大部分组成。通过原动机构的重锤下落拉动绕绳轮旋转，绕绳轮的一侧通过齿轮传动带动后轮的驱动，另一侧通过偏心轮驱动导轨滑块机构对双前轮进行转向控制。

2.1 传动机构设计

传动机构的作用是把动力传递到转向机构和驱动轮上。重物的重力，通过牵引绳带动绕线轮转动，再通过齿轮和曲柄滑块机构分别传递到后驱动轮和前轮转向机构，如图3所示。要使小车按照设计好的路线行驶，传动机构必须要拥有传动比稳定，传动效率高，阻力小等条件。最终采用齿轮传动方案。此方案摩擦小，效率高，传动比稳定，工作可靠性高，可重复拆装，零件标准化，动力传递平稳，即把动力平稳的传递到转向机构上[6]。

2.2 转向机构设计

转向机构是设计小车的核心。因为需要实现“S形”绕固定障碍的要求，所以在一定范围内必须具有周期性准确的转向，并且稳定性要高，摩擦与误差要尽可能的小。常用的转向方式有：（1）凸轮机构，依靠凸轮转动推动转向杆使前轮实现转向，这种方式摩擦力大，造成能量损耗大，并且凸轮曲线方程计算复杂，误差大；（2）曲柄摇杆机构，结构复杂，需要较高的安装精度。（3）曲柄滑块机构，此机构几何形状简单，易于加工，可承受较大的载荷，相比于凸轮机构磨损较小，耐磨性、平面度等较高，工作可靠，易于得到较高的制造精度[7]。图3为两个极限位置的结构简图，图5为proE绘制的三维图。因此，最终选择曲柄滑块机构进行转向轮的驱动。该方案首先通过重物的释放驱动绕绳轮旋转，再带动偏心轮的旋转，继而通过两滑块带动导轨的前后往复移动，再通过前转向齿轮带动中间轴的往复转动，再通过连杆实现两前轮的同步偏转。endprint

2.3 行进机构设计

传统一般采用双轮后驱动，此种驱动方式需要考虑后轮差速问题，结构复杂，精度要求高，随之成本也会相应的提高。若是前轮驱动，则可能导致S型曲线转弯时重心偏离导致小车倾斜，不能运行平稳。

经过分析研究，创新性地使用了通过一级齿轮传动驱动后轮的单轮驱动方式。通过这样的设计，完美的解决了两轮差速的问题，省去了加工差速器的不便，并且使得能量消耗变得更低，传动变得更有效率。而在后轮的材料选择方面，我们考虑了有机玻璃和铝合金的两种可能性，虽然使用有机玻璃能够有效的减轻重量，但因为摩擦系数过小，容易造成打滑。因此，我们选择了铝合金作为后轮材料，保证行走机构的高效行走及稳定性。

为了实现桩距从70cm～130cm可调，经过分析计算，单纯通过微调机构不能满足桩距大范围调整的要求，在设计过程中，提出了多联齿轮变速箱式的设计、等轴距三组齿轮快换设计、变直径后轮设计等方案。其中多联齿轮变速箱式，有创新性，能精准达到不同桩距调整的要求，缺点是结构复杂加工难度大，而整体成本上升。而变直径后轮设计，加工安装方便，但能量损失较大。

经过以上分析比较，最终选用了等轴距三组齿轮快换式设计，如图6所示。这种设计通過三组齿轮变换三组传动比，与其他微调一起实现不同桩距的调整要求，结构简单加工成本低。而缺点是只能实现三组传动比的变换，精度低。

2.4 原动机构设计

原动机构是将重物下落产生的重力势能转化为小车驱动力的机构。小车对原动机构有以下要求：有足够的驱动力矩以克服摩擦驱动小车行走；重物需要缓慢下落以保证小车速度适中；必须有重物的导向机构保持重物的中心在竖直方向上以保证小车可以稳定行走；为了达成以上要求，我们设计了滑轮+三脚架作为原动机构，如图7所示。

选择的三脚架，质量轻，结构简单可靠，用于引导重物的下落，使其下降平稳，减少重物晃动引起小车的摇晃，使小车速度均匀。另外因为拉重物的绳与绕绳轮在水平上存在一定的距离，我们需要用两个滑轮对绳进行引导。

而物块下落的重力势能需尽量直接转化为小车前进的动能，这样能量损失最少，从能量效率高和结构简单原则上考虑最终选择了质量较轻尼龙绳提供拉力传递重物势能。

2.5 微调机构

根据大赛要求绕过的障碍物在70cm到130cm范围内需要小车可调。我们设计的微调方案是调节偏心距，如图8所示，即调节曲柄位置来实现不同偏心距，从而调节前轮最大摆角，实现变桩距绕桩。而调节曲柄的方法有打孔定位与螺栓定位。由于打孔定位不能实现误差的调节，不可取，所以我们选择螺栓调曲柄位置的方案。

2.6 底板设计

底板用于支撑整个小车，是其他部件的连接基础，也是小车的核心之一。为了实现小车轻量化的设计，我们选择有机玻璃作为底板的材料。为了降低底板高度以降低整个小车的中心，保证行驶的稳定，我们选择“Z型”底板（见图9）。

无碳小车创新性地使用了驱动后轮的单轮驱动方式和曲柄滑块机构驱动的双前轮转向控制方式，有效避免了双后轮驱动的差速问题和转向机构结构过于复杂的问题。同时微调机构的设计，调节方便，精确度高，通过调节可以绕过70cm到130cm范围间距内的障碍物。原动机构的设计，质量轻，结构简单可靠，可使重物在不同间距的绕桩不会对整车造成较大影响。各机构之间协调无干涉，符合比赛要求。

经过三维设计建模及matlab仿真计算分析，进行了小车的加工制作及调试，整车如图10所示。

3 结束语

无碳小车创新性地使用了驱动后轮的单轮驱动方式和曲柄滑块机构驱动的双前轮转向控制方式，有效避免了双后轮驱动的差速问题和转向机构结构过于复杂的问题。经过后期的试验和改进，小车结构简单，行驶平稳可靠。

参考文献：

[1]季元进，任利惠，顾建.利用变心齿轮传动的无碳小车的机构创新设计[J].机械设计，2014，03：71-74.

[2]胡增，何国旗，王政，等.基于Adams软件的单轮驱动无碳小车车轮布局设计[J].湖南工业大学学报，2013，04：53-56.

[3]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，2014，05：189-191.

[4]王鹏博，蓝建，张国超，等.一种三轮无碳小车的车体结构设计[J].机械工程师，2014，07：127-128.

[5]刘润，朱先勇，李志东.基于弹簧约束的无碳小车转向机构的建模与仿真[J].机械设计，2013，09：24-27.

[6]胡红英，于金普，等.无碳小车结构设计与分析[J].大连民族学院学报，2013，5：501～504

[7]陈国定、吴立言.机械设计[M].第九版.西安：西北工业大学机械原理及机械零件教研室，2013.5.186～236

[8]王建军，朱海龙，尹洪友.无碳小车转向控制机构数学模型的建立[J].机电一体化，2014，02：21-23.

[9]卞玉帅，陈正强，晁兴旺.无碳小车轨迹建模与参数优化[J].科技视界，2013，33：171+173.

[10]杜志强.基于MATLAB语言的机构设计与分析[M].上海科学技术出版社，2011：118～120.endprint