劉旭勤

摘 要：全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實踐競賽活動。利用重力勢能轉(zhuǎn)換設(shè)計的無碳小車，需驅(qū)動小車行走和轉(zhuǎn)向。本文以全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競爭中的“S型無碳小車”設(shè)計為例，介紹了小車的設(shè)計方案及主要部件設(shè)計計算方法，并針對理論設(shè)計方案的不足之處進行了相應(yīng)的優(yōu)化改進。優(yōu)化后的小車，能夠最大程度地滿足競賽的要求，為今后小車的設(shè)計及調(diào)試提供了指導(dǎo)意義，也為相關(guān)機構(gòu)的應(yīng)用研究提供參考價值。

關(guān)鍵詞：無碳小車設(shè)計；能量轉(zhuǎn)換；方向控制；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號： V462 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）06-156-2

1 無碳小車研究意義

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實踐競賽活動，是基于國內(nèi)各高校綜合性工程訓(xùn)練教學(xué)平臺，為深化實驗教學(xué)改革，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識、實踐能力和團隊合作精神，促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開展的一項公益性科技創(chuàng)新實踐活動。

開展大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽旨在促進各高校提高工程實踐和工程訓(xùn)練教學(xué)改革和教學(xué)水平，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計意識、綜合工程應(yīng)用能力與團隊協(xié)作精神，促進學(xué)生基礎(chǔ)知識與綜合能力的培養(yǎng)、理論與實踐的有機結(jié)合，養(yǎng)成良好的學(xué)風，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。

2 無碳小車設(shè)計的要求

競賽要求設(shè)計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統(tǒng)一使用質(zhì)量為1kg的標準砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。

在比賽中要求小車在行走過程中完成所有動作所需的能量均由此給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來源的能量。小車具有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競賽場地。小車為三輪結(jié)構(gòu)。其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外二輪為行進輪，允許二行進輪中的一個輪為從動輪。小車在1000±200～300mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個“S”型賽道第一輪障礙物間距變化值和變化方向。

競賽中小車在前行時能夠自動繞過賽道上設(shè)置的障礙物，賽道寬度為2m，障礙物為直徑20mm、高200mm的圓棒，沿賽道中線從距出發(fā)線1m處開始按間距1m擺放，擺放完成后，將偶數(shù)位置的障礙物按抽簽得到的礙物間距變化值和變化方向進行移動（正值遠離，負值移近），形成的即為競賽時的賽道。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來評定成績。

3 無碳小車設(shè)計方案

根據(jù)競賽要求分析，可以知道無碳小車的設(shè)計重點和難點是如何將重物的勢能轉(zhuǎn)換為機械能并驅(qū)動小車行走的距離最長和小車前行時如何避開道路上設(shè)置的障礙物。設(shè)計思路為：查閱相關(guān)資料，擬定將給定重物的勢能轉(zhuǎn)換為機械能的結(jié)構(gòu)和小車自動避障的機構(gòu)，確定小車一個周期行進的路線和長度，確定后輪尺寸和前后輪的傳動比，傳動機構(gòu)設(shè)計，小車車架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，小車各零件的設(shè)計（包括材料和結(jié)構(gòu)），主要零件配合部分尺寸及公差的確定、形狀、位置的確定。

由于是第一次制作，很多因素無法預(yù)知，我們考慮相對簡單的結(jié)構(gòu)方案，重物下落時直接帶動小車行走，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本也較低。繞在小車軸上線的一端通過定滑輪連接在重物上，重物下落直接通過繩子帶動小車前行。為了避免重物下落時因為小車的行走而擺動，影響小車行進的軌跡，甚至使小車傾翻，因此在小車上設(shè)計了阻止小車擺動的3根豎桿，3根豎桿由套圈固定，桿與下落重物圓周相切，形成一個圓柱形狀，使之下落穩(wěn)定。

小車傳動結(jié)構(gòu)方面，采用較簡單的直齒齒輪傳動，由于下落高度只有400±2mm，要想跑的遠，要么加大驅(qū)動輪直徑，要么增加傳動比。綜合考慮，采用一級齒輪傳動。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)采用空間四桿機構(gòu)。

通過對項目要求分析可知小車的前進路線，我們可以將它近似地看成余弦函數(shù)

y=Acosωx

其中，A為振幅，ω為頻率。函數(shù)的圖像就類似于小車前進的路線，如圖1所示。

3.1 傳動比的確定

按照理想化的思想，傳動比越大，小車能跑得越遠，但是考齒輪減速比太大，會造成大齒輪直徑過大，使小車結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，重心會產(chǎn)生偏移，從而運動過程容易翻車，因此按照傳動比的選擇原則，同時考慮到小車在行駛時要求傳動比準確和加工工藝性，將傳動比初步確定為1：4，大齒輪齒數(shù)為80，小齒輪齒數(shù)為20。設(shè)定小車軌跡中線與小車理想軌跡的最大偏移量為 300mm，根據(jù)扇形計算公式計算得出小車沿弧線行走距離約為 2450m。由上分析可以確定小車后輪的理論直徑為190。

3.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計

轉(zhuǎn)向機構(gòu)的穩(wěn)定直接影響到小車在運動過程中的穩(wěn)定性和行走路線的準確性，因此，轉(zhuǎn)向機構(gòu)的選擇是無碳小車設(shè)計的關(guān)鍵部分，這直接決定著無碳小車的使用功能。我們考慮用四桿機構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為小車轉(zhuǎn)向地來回擺動，以實現(xiàn)拐彎避過障礙物的功能。考慮到障礙物不是固定的距離，設(shè)計一個轉(zhuǎn)向盤作為短桿，轉(zhuǎn)向盤沿直徑方向開一字槽，用于調(diào)節(jié)短桿長度。連桿也必須可調(diào)，用于調(diào)節(jié)前輪左右擺角的對稱性，可將連桿做成兩段，通過螺紋連接進行調(diào)整。3.3 繞線輪的設(shè)計

由于小車運行驅(qū)動要考慮自重及車輪材料、行進賽道的摩擦系數(shù)等因素，具體要求如下：驅(qū)動力要適中，使小車既能順利啟動，又不至于因小車加速使其在拐彎時速度過快而引起傾翻。

我們要控制重物下落的速度，使重物的勢能盡可能地轉(zhuǎn)化為小車的動能，讓小車平穩(wěn)勻速的運動，達到運行更遠的目標。

由于影響小車運動的因素較多，最直接的就是賽道的摩擦系數(shù)，在不同材料的賽道上面無小車需要的驅(qū)動力是不一樣的。在賽道確定前，是不知道需要多大的驅(qū)動力才能恰到好處。因此驅(qū)動機構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動力，即調(diào)整繞線輪的大小。

重物下落是加速的，如果我們設(shè)計的繞線輪沒有錐度，小車的驅(qū)動力恒定的情況下，小車也會加速。速度不斷增加，會引起小車在轉(zhuǎn)彎處側(cè)翻，因此，考慮繞線輪做成圓錐形狀。

為了達到上面的要求，我們根據(jù)小車各部分材料，估算出小車的質(zhì)量為2.5kg，車輪和賽道摩擦系數(shù)0.08，可以估算出小車驅(qū)動輪的最小驅(qū)動直徑為38mm，取 40mm。

4 方案的優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計的方案，我們制作出了小車，并進行了實際試跑。從中我們發(fā)現(xiàn)了以下主要問題：實際跑動距離比理論距離相差甚遠；小車運行軌跡基本與理論相符，但轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性很差。

針對以上問題，我們對小車進行了優(yōu)化改進。

對問題1的改進：按照設(shè)計方案，我們把兩個后輪都做成主動輪，這樣會大大增加其與賽道的摩擦，直接導(dǎo)致能量損耗過大，跑動距離就短。優(yōu)化后將其中一個后輪做成被動輪，再次試跑效果明顯。

對問題2的改進：小車運行過程中，前輪輪叉剛性不足是跑動不穩(wěn)定的主要原因，我們初始方案使用的材料為3D打印的ABS，直徑也很小，故出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題。優(yōu)化后采用鋁材制造，再次試跑效果明顯。

優(yōu)化后小車與地面摩擦減小，我們又對驅(qū)動線輪進行修改，最后車驅(qū)動輪的最小驅(qū)動直徑為15mm。

5 總結(jié)

本文介紹了S型轉(zhuǎn)向運動無碳小車設(shè)計研究的意義，并介紹了總體設(shè)計方案和分析了主要部件的設(shè)計方法，并針對原方案的不足之處進行了相應(yīng)的優(yōu)化改進。從設(shè)計到制作，利用現(xiàn)代工程原理，很好的解決能量轉(zhuǎn)換的問題。小車經(jīng)過調(diào)試后，運行平穩(wěn)、勻速。小車的轉(zhuǎn)向運動軌跡完全符合賽道的要求，相信能取得不錯的成績。

參 考 文 獻

[1] 全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽[EB/OL].http：//www.gcxl.edu.cn/html/history/.

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