樊曉帥， 廖顯羲， 馬坤武， 李曉舟， 紀思國

（長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

根據(jù)第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題一，設(shè)計一種無碳小車，驅(qū)動其行駛及轉(zhuǎn)向的能量均來源于1 kg重物的垂直下落（400±2）mm的能量[1]。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。要求小車具有轉(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[2]。要求小車為三輪結(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。具體設(shè)計、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。經(jīng)現(xiàn)場公開抽簽，在200～300 mm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。競賽小車在前行時能夠自動繞過賽道上設(shè)置的障礙物，見圖1。賽道寬度為2 m，障礙物為直徑20 mm、高200 mm的圓柱棒，沿賽道中線從距出發(fā)線1 m處開始按間距1 m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。

圖1 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖

競賽是以小車過樁數(shù)的多少來綜合評定成績，因此要想取得較好的成績，就必須要保證小車的能量轉(zhuǎn)換效率、方向控制精度和調(diào)整精度，而這些也正是小車設(shè)計中的重點和難點[3]。

1 無碳小車方案設(shè)計

1.1 原理設(shè)計

機械運動簡圖在小車設(shè)計中較為重要，如圖2所示。

1）驅(qū)動原理。驅(qū)動機構(gòu)的作用是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力，重物通過滑輪組，繞在繩輪上，重物下落時，繞線輪5帶動軸同步轉(zhuǎn)動，同時軸上的大齒輪8與后輪軸上的小齒輪6嚙合，大齒輪8帶動小齒輪6實現(xiàn)后輪7的單驅(qū)動。

圖2 機械運動簡圖

2）轉(zhuǎn)向原理。繞線輪5帶動軸轉(zhuǎn)動，軸帶動調(diào)節(jié)盤9轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)盤帶動微調(diào)連桿3前后運動，通過連桿帶動前輪1周期性左右擺動，即實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖3 基于SolidWorks的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3）調(diào)距原理。微調(diào)連桿3末端在調(diào)節(jié)盤9上的位置和微調(diào)連桿本身長度的變化，從而帶動前輪1最大擺角變化，導(dǎo)致小車初始角度變化，由于后輪的狀態(tài)由繞線軸決定是不變的，故可以將小車調(diào)到不同的振幅和周期，即實現(xiàn)調(diào)距。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

小車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖對小車裝配，布局有重要意義，如圖3所示。

主要運動原理：重物下落，重力勢能轉(zhuǎn)換為主動軸上的動能，帶動齒輪等傳動機構(gòu)，使后輪所在軸轉(zhuǎn)動，小車開始運動。（由于計算得知主動軸當(dāng)做繞線軸完全能啟動小車，但考慮到后期平穩(wěn)運行，將在主動軸上切出溝槽以減小力矩）[4]。

1.2.2 傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

小車的傳動機構(gòu)主要由小齒輪、大齒輪、調(diào)節(jié)盤、微調(diào)連桿組成，如圖4所示。

傳動機構(gòu)原理:繞線軸提供動力帶動同軸的大齒輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)5:1的傳動比由小齒輪使一個后輪軸轉(zhuǎn)動，其作為驅(qū)動輪運動；而前輪由齒輪2同軸帶動一調(diào)節(jié)盤，調(diào)節(jié)盤與微調(diào)連桿由軸承相連帶動微調(diào)連桿運動，從而控制前輪的運動[5]。

1.2.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由前輪、連接桿、微調(diào)連桿、調(diào)節(jié)盤組成，如圖5所示。

轉(zhuǎn)向機構(gòu)原理:采用調(diào)節(jié)盤和微調(diào)連桿，調(diào)節(jié)盤定軸轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)盤與微調(diào)連桿用軸承連接，微調(diào)連桿與連接桿球面副連接，使連接桿在一定范圍內(nèi)擺動，連接桿控制前輪轉(zhuǎn)向，所以前輪在一定范圍內(nèi)擺動，實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向[6]。

1．小齒輪 2．大齒輪 3．調(diào)節(jié)盤 4．微調(diào)連桿

1.2.4 調(diào)距機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

小車的調(diào)距機構(gòu)主要由微調(diào)連桿、球頭關(guān)節(jié)軸承組成，如圖6所示。

微調(diào)連桿前部由一定長度的螺紋連接著球頭關(guān)節(jié)軸，調(diào)節(jié)盤半徑上有一定長度的槽，可供微調(diào)連桿自由固定，主要參數(shù)及原理說明如下。

1）調(diào)距原理。微調(diào)連桿末端在調(diào)節(jié)盤上的位置和微調(diào)連桿本身長度的變化，從而帶動前輪最大擺角變化，導(dǎo)致小車初始角度變化，由于后輪的狀態(tài)由繞線軸決定，是不變的，故可以將小車調(diào)到不同的振幅和周期，即實現(xiàn)調(diào)距(如圖7所示)[7]。

2）具體原理。改變最大轉(zhuǎn)角，曲線開始的斜率會變化，如1處斜率變小的話，由于1/4周期處是斜率為0，驅(qū)動輪在這段時間內(nèi)轉(zhuǎn)的圈數(shù)和沒改變最大轉(zhuǎn)角時一樣，故路程基本相同，所以1/4周期將會向右移即變大，故實現(xiàn)調(diào)周期，由藍色線條變成黑色線條（注意此時振幅變?。?/p>

2 建模及仿真

用Matlab計算小車軌跡，用CATIA對小車的軌跡進行模擬仿真（如圖8所示），其中長方形代表小車整體所占用的最大空間，正弦曲線是小車理論設(shè)計所行走的軌跡，而橫軸上的小圓點則是障礙物的最大偏置距離±300 mm，若障礙物偏置±300 mm時，小車依舊可以安全通過，則在障礙物偏置±200～300 mm任意距離時，小車都可以通過[8]。

經(jīng)CATIA模擬，小車邊緣離障礙物最近距離25.72mm（如圖9所示），因考慮到實際零件加工過程中精度所限，及小車實際運行中摩擦，風(fēng)速等實際條件，25 mm以上的安全距離可以確保小車安全通過障礙物[9]。

圖6 調(diào)距機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖7 基于SolidWorks的調(diào)距示意圖

圖8 基于CATIA的運動軌跡模擬圖

圖9 小車距離障礙物最近示意圖

3 小車的調(diào)試方法

在小車加工裝配完成之后，調(diào)試也是一個非常重要的步驟，調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)小車設(shè)計過程中的缺陷與不足，且可以在設(shè)計理論的基礎(chǔ)的進行改進[10]。在小車調(diào)試的初期，可以在小車后粘貼熒光筆來跟蹤軌跡[11]。經(jīng)過初期調(diào)試后，可在車底板上放一個以一定的速度滴水的小容器，實現(xiàn)軌跡的跟蹤。這種軌跡跟蹤方式，更加準確，并且容易清理[12]。在軌跡的調(diào)直過程中，通過在發(fā)車線前45 cm(以行走周期為1 m為例)處貼一張中心線與障礙物所在直線重合的16 K的紙來定發(fā)車角[13]。具體方法:在紙的左上角標出前輪位置，保持前輪位置不變，通過改變后輪位置改變發(fā)車角度，并隨時在紙上標記后車輪位置。當(dāng)小車左輪擦桿時，減小發(fā)車角，當(dāng)右輪擦桿時，增大發(fā)車角，從而走出直線[14]。

小車的行走過程是一個不斷磨合的過程。在不斷的行走練習(xí)過程中，小車的各種零件才能實現(xiàn)更好的配合[15]。

4 結(jié)論

本文給出的無碳小車設(shè)計方案，用Matlab進行軌跡計算，SolidWorks進行裝配分析，CATIA進行軌跡模擬，經(jīng)過較為嚴謹?shù)恼撟C，得出方案可行，加上基于本文設(shè)計的無碳小車，在第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中取得了較好的成績，進一步論證了本方案的可行性[16]。

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