“S”型无碳小车技术创新与应用

周婷婷

摘要：根据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题要求，设计一种将重力势能转化为动能的无碳小车，辅以转向机构、可调机构使小车实现“S”型轨迹且不等桩距的绕桩功能。

关键词：结构设计;微调;曲柄摇杆

0  引言

根据竞赛要求，自主设计小车结构，画图并且自己动手制作各个零部件，组装调试达到以重力势能驱动的具有方向控制功能的小车。竞赛要求小车在指定赛道上实现避障行驶，且障碍物的距离在一定范围内随机调整，以小车成功绕障数量和前行的距离来评定成绩。因此在制作小车各部件前，需要对小车进行合理的理论计算设计，借助MATLAB对其轨迹进行仿真计算，针对仿真出现的问题，对结构进行优化。在制作各个零部件时，不可能与仿真轨迹完全吻合，需要反复进行试跑-调试-记录数据-修改零件-试跑。最终找到最优化的数值，确定最优机构，掌握小车的实际行走规律。

1  结构设计

设计结构之初，首先查阅前几届比赛相关的论文，分析本届竞赛要求，初步设计出无碳小车的结构。利用SolidWorks软件进行各部件的三维设计，二维图与三维图，组装图与爆炸图，制作并组装实物小车。对小车进行运行调试，针对运行过程中出现的问题，不断修改并完善零部件，最后得到结构合理的小车实物。

无碳小车是利用砝码下降的重力势能转化为小车前进的动能，进而直接使用一级传动齿轮带动后轮前进。基本原则是结构合理，调节简单，易于拆装，便于调节，精度高。

实现S形轨迹可以有多种结构设计方案，采用主要结构有动力机构、传动机构、行走机构、转向机构，微调机构。

1.1 动力机构

动力机构采用了绳轮结构：用绳子将砝码拴住悬吊在三根细长柱中间绕过顶端的绕线轮（如图1），绳子的另一端固定在绕线轴（如图2）上（既是绕线轴又是主动轴）。故此将砝码下降的重力势能转化为动能驱动小车前进。

1.2 传动机构

传动机构要求能量损耗少、传动比精确，故优先选用齿轮机构（如图3），为使无碳小车结构简单，选择了一级传动。

1.3 行走机构

行走机构为了实现两后轮的差速，便于转弯，因此选用单轮驱动。两后轮一个作为主动轮另一个为从动轮，最大程度上优化了小车的结构（如图4）。

行走功能的实现：重物下落所产生的重力势能转化为动能（即小车驱动力）。绕绳处驱动轴旋转带动小齿轮旋转，通过齿轮啮合带动大齿轮旋转进而驱动后轮转轴旋转，主动轮转动带动小车向前运动。

1.4 转向机构

转向机构采用曲柄摇杆机构（如图5）。 驱动轴旋转使曲柄旋转，连杆沿一条直线前后推动 ，摇杆被连杆推动使其在一定范围内进行摆动，摇杆摆动使前轮在运动过程转向绕过变距离的桩。

1.5 微调机构

微调机构主要选用微分筒（如图6）和曲柄，对转向机构中的连杆进行调节，使小车能行走正确的轨迹。

微调功能的实现：微调机构是小车柔性的体现，调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距，无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调。

曲柄的加工有点复杂，为了实现小车的微调采用打孔的方式。选用角度相等的8个位置，每个位置打3个孔（即24个孔），每个孔离中心的距离都不同（如图7所示）。当桩距变化时，可以根据实际桩距的大小，通过选择曲柄上不同的孔，以改变小车周期的大小，从而绕过障碍物。

2  心得体会

经过无碳小車的设计、制作、调试、比赛，学到了很多课本上面学不到的东西，可谓是受益匪浅。从竞赛开始到小车制作完成，再到小车顺利运行，期间经历了汗水、忙碌与挑战，不仅赢得了成功，而且还收获了失败后走向成功的经验。最初小车调试效果不佳，但是在指导老师们的帮助下，学会了沉下心来寻找问题的所在，最后，找到问题所在，增大了一级齿轮传动的传动比，无数遍的试跑以后小车终于走上了“S”型路线，接下来重复着试跑-调试-记录数据-试跑的过程，渐渐的建立了自信，慢慢找到了该小车的调试技巧。果然功夫不负有心人，最后成功冲出了校赛，不过随之而来的不是喜悦，而是压力，接下来代表学校去参加湖北省的比赛才是真正的赛场。不过有了校赛的经验，知道了在赛场不仅要硬件设施过硬，心理素质的软件设施也是需要很强大的。终于迎来了紧张而刺激的比赛，不过经历了校赛和付出的努力开始对自己有了足够的信心。最后取得了湖北省一等奖的优秀成绩。付出终于迎来了回报，感谢自己的努力，感谢队友的支持，感谢老师的指导。

参考文献：

[1]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].九版.北京：高等教育出版社，2013，05.

[2]哈尔滨工业大学理论力学研究室.理论力学1[M].八版.高等教育出版社，2016.

[3]哈尔滨工业大学理论力学研究室.理论力学2[M].八版.高等教育出版社，2016.

[4]王建军，朱海龙，尹洪友.无碳小车8字转向机构设计[J].机械制造，2014，52（6）：17-19.

[5]李立成，徐漫琳，柯昌辅.S型无碳小车结构设计[J].机械研究与应用，2015，28（3）：152-154.