徐楊梅+孟玲霞+劉學+侯周勇

摘 要：根據全國大學生工程訓練綜合能力競賽“重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”的創(chuàng)新思維活動要求，進行了小車結構的創(chuàng)新性設計，提出了雙前輪轉向機構，很好地解決了小車在沿s形軌跡行進過程中的差速問題，無碳小車采用曲柄滑塊機構進行s形軌跡的轉向控制，行走機構采用一級齒輪傳動，多組齒輪快換進行樁距調節(jié)。設計中采用MATLAB進行計算及可行性模擬分析，采用ProE進行三維建模設計，并進行了加工組裝與調試參賽，并根據比賽實際問題進行了改進。小車結構設計新穎，在轉向、傳動機構等方面的設計創(chuàng)新性獲得專家評委的一致好評。

關鍵詞：無碳小車；結構設計；轉向設計；曲柄滑塊機構

中圖分類號：TH124 文獻標志碼：A 文章編號：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

無碳小車是以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車，如圖1所示，即將重力勢能轉換為可以自主轉向的動能。在規(guī)定的賽道上按“S”形自動繞障行走，如圖2所示，根據避障數量和小車行走距離計分。重力勢能采用質量為1kg的重塊（φ50×65mm，碳鋼制作），垂直下降0.4m行程來獲得，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許掉落。并且要求小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構具有可調節(jié)功能，以適應放有不同間距（70cm～130cm）障礙物的競賽場地。為此，必須進行小車的曲線分析，并且利用MATLAB編程進行數值計算，設計符合要求的小車曲線，設計符合要求小車機構的尺寸，計算小車的傳動比。

目前比賽大家通常采用曲柄導桿結構、曲柄搖桿機構、凸輪滑塊轉向機構、曲柄滑塊機構[1]-[4]，它們共同的特點都是單前輪轉向，雙后輪驅動，后輪采用單輪驅動或差速器解決小車轉向時的左右輪的差速問題。經過分析研究各種常用傳動方式的特點，設計出了雙前輪轉向的曲柄滑塊機構，解決了小車在沿s形軌跡行進轉向過程中的差速問題，采用曲柄滑塊機構進行s形軌跡的轉向控制，行走機構采用一級齒輪傳動，通過多組齒輪快換與微調機構進行樁距大范圍粗調及小范圍精確調節(jié)。

2 結構設計

小車由原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構、底板等六大部分組成。通過原動機構的重錘下落拉動繞繩輪旋轉，繞繩輪的一側通過齒輪傳動帶動后輪的驅動，另一側通過偏心輪驅動導軌滑塊機構對雙前輪進行轉向控制。

2.1 傳動機構設計

傳動機構的作用是把動力傳遞到轉向機構和驅動輪上。重物的重力，通過牽引繩帶動繞線輪轉動，再通過齒輪和曲柄滑塊機構分別傳遞到后驅動輪和前輪轉向機構，如圖3所示。要使小車按照設計好的路線行駛，傳動機構必須要擁有傳動比穩(wěn)定，傳動效率高，阻力小等條件。最終采用齒輪傳動方案。此方案摩擦小，效率高，傳動比穩(wěn)定，工作可靠性高，可重復拆裝，零件標準化，動力傳遞平穩(wěn)，即把動力平穩(wěn)的傳遞到轉向機構上[6]。

2.2 轉向機構設計

轉向機構是設計小車的核心。因為需要實現“S形”繞固定障礙的要求，所以在一定范圍內必須具有周期性準確的轉向，并且穩(wěn)定性要高，摩擦與誤差要盡可能的小。常用的轉向方式有：（1）凸輪機構，依靠凸輪轉動推動轉向桿使前輪實現轉向，這種方式摩擦力大，造成能量損耗大，并且凸輪曲線方程計算復雜，誤差大；（2）曲柄搖桿機構，結構復雜，需要較高的安裝精度。（3）曲柄滑塊機構，此機構幾何形狀簡單，易于加工，可承受較大的載荷，相比于凸輪機構磨損較小，耐磨性、平面度等較高，工作可靠，易于得到較高的制造精度[7]。圖3為兩個極限位置的結構簡圖，圖5為proE繪制的三維圖。因此，最終選擇曲柄滑塊機構進行轉向輪的驅動。該方案首先通過重物的釋放驅動繞繩輪旋轉，再帶動偏心輪的旋轉，繼而通過兩滑塊帶動導軌的前后往復移動，再通過前轉向齒輪帶動中間軸的往復轉動，再通過連桿實現兩前輪的同步偏轉。endprint

2.3 行進機構設計

傳統(tǒng)一般采用雙輪后驅動，此種驅動方式需要考慮后輪差速問題，結構復雜，精度要求高，隨之成本也會相應的提高。若是前輪驅動，則可能導致S型曲線轉彎時重心偏離導致小車傾斜，不能運行平穩(wěn)。

經過分析研究，創(chuàng)新性地使用了通過一級齒輪傳動驅動后輪的單輪驅動方式。通過這樣的設計，完美的解決了兩輪差速的問題，省去了加工差速器的不便，并且使得能量消耗變得更低，傳動變得更有效率。而在后輪的材料選擇方面，我們考慮了有機玻璃和鋁合金的兩種可能性，雖然使用有機玻璃能夠有效的減輕重量，但因為摩擦系數過小，容易造成打滑。因此，我們選擇了鋁合金作為后輪材料，保證行走機構的高效行走及穩(wěn)定性。

為了實現樁距從70cm～130cm可調，經過分析計算，單純通過微調機構不能滿足樁距大范圍調整的要求，在設計過程中，提出了多聯齒輪變速箱式的設計、等軸距三組齒輪快換設計、變直徑后輪設計等方案。其中多聯齒輪變速箱式，有創(chuàng)新性，能精準達到不同樁距調整的要求，缺點是結構復雜加工難度大，而整體成本上升。而變直徑后輪設計，加工安裝方便，但能量損失較大。

經過以上分析比較，最終選用了等軸距三組齒輪快換式設計，如圖6所示。這種設計通過三組齒輪變換三組傳動比，與其他微調一起實現不同樁距的調整要求，結構簡單加工成本低。而缺點是只能實現三組傳動比的變換，精度低。

2.4 原動機構設計

原動機構是將重物下落產生的重力勢能轉化為小車驅動力的機構。小車對原動機構有以下要求：有足夠的驅動力矩以克服摩擦驅動小車行走；重物需要緩慢下落以保證小車速度適中；必須有重物的導向機構保持重物的中心在豎直方向上以保證小車可以穩(wěn)定行走；為了達成以上要求，我們設計了滑輪+三腳架作為原動機構，如圖7所示。

選擇的三腳架，質量輕，結構簡單可靠，用于引導重物的下落，使其下降平穩(wěn)，減少重物晃動引起小車的搖晃，使小車速度均勻。另外因為拉重物的繩與繞繩輪在水平上存在一定的距離，我們需要用兩個滑輪對繩進行引導。

而物塊下落的重力勢能需盡量直接轉化為小車前進的動能，這樣能量損失最少，從能量效率高和結構簡單原則上考慮最終選擇了質量較輕尼龍繩提供拉力傳遞重物勢能。

2.5 微調機構

根據大賽要求繞過的障礙物在70cm到130cm范圍內需要小車可調。我們設計的微調方案是調節(jié)偏心距，如圖8所示，即調節(jié)曲柄位置來實現不同偏心距，從而調節(jié)前輪最大擺角，實現變樁距繞樁。而調節(jié)曲柄的方法有打孔定位與螺栓定位。由于打孔定位不能實現誤差的調節(jié)，不可取，所以我們選擇螺栓調曲柄位置的方案。

2.6 底板設計

底板用于支撐整個小車，是其他部件的連接基礎，也是小車的核心之一。為了實現小車輕量化的設計，我們選擇有機玻璃作為底板的材料。為了降低底板高度以降低整個小車的中心，保證行駛的穩(wěn)定，我們選擇“Z型”底板（見圖9）。

無碳小車創(chuàng)新性地使用了驅動后輪的單輪驅動方式和曲柄滑塊機構驅動的雙前輪轉向控制方式，有效避免了雙后輪驅動的差速問題和轉向機構結構過于復雜的問題。同時微調機構的設計，調節(jié)方便，精確度高，通過調節(jié)可以繞過70cm到130cm范圍間距內的障礙物。原動機構的設計，質量輕，結構簡單可靠，可使重物在不同間距的繞樁不會對整車造成較大影響。各機構之間協(xié)調無干涉，符合比賽要求。

經過三維設計建模及matlab仿真計算分析，進行了小車的加工制作及調試，整車如圖10所示。

3 結束語

無碳小車創(chuàng)新性地使用了驅動后輪的單輪驅動方式和曲柄滑塊機構驅動的雙前輪轉向控制方式，有效避免了雙后輪驅動的差速問題和轉向機構結構過于復雜的問題。經過后期的試驗和改進，小車結構簡單，行駛平穩(wěn)可靠。

參考文獻：

[1]季元進，任利惠，顧建.利用變心齒輪傳動的無碳小車的機構創(chuàng)新設計[J].機械設計，2014，03：71-74.

[2]胡增，何國旗，王政，等.基于Adams軟件的單輪驅動無碳小車車輪布局設計[J].湖南工業(yè)大學學報，2013，04：53-56.

[3]劉金肖，何秋熟，楊延清，等.無碳小車創(chuàng)新性結構設計[J].機械制造與自動化，2014，05：189-191.

[4]王鵬博，藍建，張國超，等.一種三輪無碳小車的車體結構設計[J].機械工程師，2014，07：127-128.

[5]劉潤，朱先勇，李志東.基于彈簧約束的無碳小車轉向機構的建模與仿真[J].機械設計，2013，09：24-27.

[6]胡紅英，于金普，等.無碳小車結構設計與分析[J].大連民族學院學報，2013，5：501～504

[7]陳國定、吳立言.機械設計[M].第九版.西安：西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室，2013.5.186～236

[8]王建軍，朱海龍，尹洪友.無碳小車轉向控制機構數學模型的建立[J].機電一體化，2014，02：21-23.

[9]卞玉帥，陳正強，晁興旺.無碳小車軌跡建模與參數優(yōu)化[J].科技視界，2013，33：171+173.

[10]杜志強.基于MATLAB語言的機構設計與分析[M].上海科學技術出版社，2011：118～120.endprint