鄧醒陽(yáng)+王豪+張子悅+王上

摘 要：基于第五屆北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中“S型無(wú)碳小車(chē)”的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的，以空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向要求的無(wú)碳小車(chē)。由于競(jìng)賽中障礙物間距由抽簽決定，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)必須具備微調(diào)功能以適應(yīng)不同障礙物間距。通過(guò)計(jì)算以及結(jié)合實(shí)際操作，總結(jié)出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的微調(diào)規(guī)律，并在實(shí)踐與比賽中得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：無(wú)碳小車(chē)；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；“S”型軌跡

第五屆北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“S”型無(wú)碳小車(chē)組以“越障競(jìng)賽”為主題，競(jìng)賽規(guī)定小車(chē)為三輪機(jī)構(gòu)，且其行走和轉(zhuǎn)向由1kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)。障礙物的間距值在700-1300mm的范圍中隨機(jī)選取，要求小車(chē)能繞行障礙物，小車(chē)行進(jìn)軌跡如下圖。

1 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

當(dāng)小車(chē)在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，后輪外側(cè)車(chē)輪移動(dòng)的距離大于內(nèi)側(cè)車(chē)輪，為了防止車(chē)輪有滑脫現(xiàn)象出現(xiàn)，小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡因此受到影響，客觀要求左右車(chē)輪能夠?qū)崿F(xiàn)不同轉(zhuǎn)速。因此設(shè)計(jì)時(shí)，采用單輪驅(qū)動(dòng)形式，將后兩輪之間的驅(qū)動(dòng)軸斷開(kāi)，左后輪設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)輪，右后輪設(shè)計(jì)成從動(dòng)輪，從動(dòng)輪通過(guò)軸承與主動(dòng)輪軸相連。

2 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

牽掛重物的繩子繞在線輪上，線輪固定在前軸，前軸上固定有一個(gè)齒輪，和后軸上的小齒輪嚙合，負(fù)責(zé)傳動(dòng)給后軸（后軸連接兩個(gè)后輪），前軸上還連接有曲柄，負(fù)責(zé)給轉(zhuǎn)向輪（前輪）傳動(dòng)，達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

3 小車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

我們的無(wú)碳小車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采取了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如下圖。

為保證小車(chē)運(yùn)行平整，沒(méi)有急回特性，左右轉(zhuǎn)角偏幅相等，曲柄和搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)副必須處于同一高度。連桿（長(zhǎng)螺釘）的兩端與關(guān)節(jié)軸承通過(guò)螺紋連接，調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度時(shí)，關(guān)節(jié)軸承與曲柄的連接處能隨連桿的旋轉(zhuǎn)而升降（為了保證調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度的時(shí)候，搖桿和曲柄的初始角度保持不變，達(dá)到控制變量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的），從而改變曲柄的有效長(zhǎng)度。

小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，曲柄做有規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)連桿的傳遞，使得水平面上的搖桿前后搖擺，與搖桿固定連接的方向輪隨之左右擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向。

小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

4 小車(chē)運(yùn)行調(diào)試

在理論計(jì)算時(shí)，小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中方向輪的左右偏角相等，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)情況有所不同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，單輪驅(qū)動(dòng)的無(wú)碳小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中方向輪左右偏角并不相等，而且它們的差值會(huì)隨著障礙物間距的不同而改變。如果無(wú)法充分認(rèn)知其中的變化規(guī)律，很難得到理想的“S”型軌跡。影響小車(chē)左右偏角的可能因素有很多，如車(chē)輪的材料，車(chē)輪的寬度，激光切割時(shí)車(chē)輪產(chǎn)生的小變形，地面的粗糙度等等。由于條件有限，我們不能將這些因素一一隔離分析。在后期的調(diào)試中，我們仔細(xì)觀察小車(chē)的運(yùn)行軌跡，經(jīng)過(guò)不懈地努力，我們找到了解決辦法。由于方向輪左右偏角不想等，導(dǎo)致小車(chē)往一邊偏行，到后面越偏越厲害，于是我們猜想：如果我們把偏行的方向當(dāng)做“新賽道”，是不是把前輪初始偏角調(diào)節(jié)一下，使之等于“新賽道”偏離原賽道的角度效果會(huì)好一些呢？至于后面越偏越厲害可能是因?yàn)樾≤?chē)后面偏向太嚴(yán)重導(dǎo)致小車(chē)運(yùn)動(dòng)失真。帶著猜想，我們嘗試著調(diào)節(jié)小車(chē)的初始偏角，結(jié)果真如我們所想，有了很大的改觀，雖然沒(méi)有預(yù)期的理想，但是已經(jīng)開(kāi)始接近設(shè)計(jì)目標(biāo)了。在不斷地調(diào)試之后，小車(chē)的運(yùn)行軌跡已經(jīng)達(dá)到了我們的期望。于是我們根據(jù)不同的連桿長(zhǎng)度，來(lái)一步一步地進(jìn)行調(diào)車(chē)，同時(shí)記錄好對(duì)應(yīng)的前輪初始偏角。

5 結(jié)論

通過(guò)理論分析和設(shè)計(jì)構(gòu)想，設(shè)計(jì)并制作了S形轉(zhuǎn)向的無(wú)碳小車(chē)，對(duì)無(wú)碳小車(chē)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了初始設(shè)計(jì)中存在的諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)保持設(shè)計(jì)要求的S形運(yùn)動(dòng)軌跡。關(guān)鍵技術(shù)主要在于以下4個(gè)方面：

1、為了避免能量損失和牽引線、支撐桿干涉，牽引線不能過(guò)大斜置；

2、為了保證實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)軌跡，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)一定要穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)向輪與地面的接觸面積越小越好；

3、為了保證小車(chē)的轉(zhuǎn)向要精確平穩(wěn)，須將轉(zhuǎn)向軸的軸線、前輪的軸線平行于改進(jìn)方案中的驅(qū)動(dòng)軸，并且垂直于前輪套側(cè)壁；

4、小車(chē)加工尺寸設(shè)計(jì)，要考慮加工單位能達(dá)到的加工精度，盡量在保證性能的前提下降低加工精度。

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