劉蒙霖

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074）

競(jìng)賽要求無(wú)碳小車(chē)以1千克重的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力勢(shì)能為驅(qū)動(dòng)，不得使用其他形式的動(dòng)力來(lái)源；具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能并且轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可調(diào)，適用于各種場(chǎng)地；自主設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)并選材制作；小車(chē)為三輪結(jié)構(gòu)，一個(gè)輪子為轉(zhuǎn)向輪，兩個(gè)輪子為行走輪；能夠精確繞一定距離的兩個(gè)障礙物以“8”字形軌跡運(yùn)動(dòng)，不出界，不撞倒障礙物。

1 軌跡設(shè)計(jì)

本文根據(jù)競(jìng)賽要求對(duì)小車(chē)的行駛軌跡進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，特別是轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)，得到了結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)軌跡如圖1。

圖1 無(wú)碳小車(chē)軌跡圖

圖1中最粗實(shí)線是主動(dòng)輪軌跡，相當(dāng)于車(chē)身的一個(gè)參考邊界，軌跡是一大一小兩個(gè)圓?。ㄏ喈?dāng)于“8”字形）加上轉(zhuǎn)向圓弧軌跡；較粗實(shí)線是轉(zhuǎn)向輪的軌跡，為了提高轉(zhuǎn)向的靈活性，安裝在車(chē)身軸線上，所以其軌跡是兩個(gè)等大的圓弧，理論上轉(zhuǎn)向輪可安裝在兩個(gè)行走輪之間任意位置，那么其軌跡也隨之改變?yōu)橐淮笠恍〉摹?”字形；細(xì)實(shí)線為從動(dòng)輪的軌跡，其與主動(dòng)輪正好相反，兩者時(shí)刻平行，相互交替，同時(shí)作為車(chē)身的另一個(gè)參考邊界。

車(chē)身參考邊界要嚴(yán)格控制，車(chē)身尺寸要與軌跡結(jié)合設(shè)計(jì)，如圖1所示，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的平行間距決定了實(shí)際車(chē)體的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的間距，根據(jù)主、從動(dòng)輪的間距設(shè)計(jì)出車(chē)身寬度，由此得到車(chē)身邊界，根據(jù)邊界合理控制車(chē)身與障礙物間距。如果精度允許，可取小間距，否則軌跡會(huì)出現(xiàn)誤差，碰倒障礙物的概率越大。主動(dòng)輪作為最小邊界時(shí)是在軌跡的左邊，當(dāng)小車(chē)轉(zhuǎn)向，運(yùn)行到另外一側(cè)時(shí)，主動(dòng)輪交替成為最大參考邊界，從動(dòng)輪成為最小參考邊界。在設(shè)計(jì)車(chē)體結(jié)構(gòu)時(shí)要同時(shí)考慮車(chē)身兩邊的邊界與障礙物的間距，軌跡越小，小車(chē)?yán)碚撨\(yùn)行的“8”字形個(gè)數(shù)越多，同時(shí)對(duì)小車(chē)的設(shè)計(jì)、制作精度要求越高。轉(zhuǎn)向角度對(duì)軌跡大小也有影響（轉(zhuǎn)向輪與車(chē)身軸線的夾角），夾角越大軌跡越小，周期里程越短，夾角越小，則情況反之。本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)夾角為30°，理論上夾角應(yīng)在90°以內(nèi)，實(shí)際一般在45°以內(nèi)。

2 主動(dòng)輪輪徑與轉(zhuǎn)向次數(shù)的設(shè)計(jì)

當(dāng)軌跡和傳動(dòng)比后確定后，就可據(jù)此設(shè)計(jì)主動(dòng)輪尺寸、車(chē)身尺寸與轉(zhuǎn)向角度。根據(jù)圖1可知：小車(chē)運(yùn)行一圈，轉(zhuǎn)向兩次。不完全此輪設(shè)計(jì)為3齒3組，不完全齒輪運(yùn)行一周，可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向3次，每次參與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的齒數(shù)較少，是為了保證轉(zhuǎn)向迅速可靠。主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)齒輪與不完全齒輪同軸，保證了主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)1圈，不完全齒輪也同步旋轉(zhuǎn)1圈并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向3次，小車(chē)應(yīng)該運(yùn)行1．5個(gè)“8”字形，同時(shí)根據(jù)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)1圈知：主動(dòng)輪的周長(zhǎng)應(yīng)該等于1．5個(gè)“8”字的軌跡里程，從而可確定主動(dòng)輪的輪徑。設(shè)計(jì)完成后的小車(chē)結(jié)構(gòu)三視圖如圖2。

圖2 小車(chē)結(jié)構(gòu)三視圖

3 誤差分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于軌跡的調(diào)節(jié)，本文設(shè)計(jì)了一種帶有刻度條的連桿，可以通過(guò)調(diào)節(jié)連桿的螺栓的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度；同時(shí)，還設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向刻度盤(pán)，通過(guò)調(diào)節(jié)刻度盤(pán)也可控制轉(zhuǎn)向。兩者共同調(diào)節(jié)，可得不同的軌跡組合，能夠滿足一般軌跡變化需要。

此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，軌跡出現(xiàn)周期性誤差，與設(shè)計(jì)、制作精度無(wú)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可修正，是轉(zhuǎn)向時(shí)的軌跡造成的誤差。這種誤差在這種不完全齒輪機(jī)構(gòu)中不可避免，但可通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)而避免。本文設(shè)計(jì)的不完全齒輪與主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)齒輪同軸，兩者同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向時(shí)主動(dòng)輪也同樣行駛對(duì)應(yīng)里程，與時(shí)間無(wú)關(guān)，無(wú)法通過(guò)迅速轉(zhuǎn)向避免，這是由最初設(shè)計(jì)就決定的。本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的齒數(shù)較少，對(duì)應(yīng)的誤差行程也就較短，通關(guān)過(guò)調(diào)整基本可以彌補(bǔ)誤差。為了優(yōu)化這種結(jié)構(gòu)，可把主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)齒輪也設(shè)計(jì)成為不完全齒輪，與控制轉(zhuǎn)向不完全齒輪工作時(shí)間正好相反，兩者模數(shù)、齒數(shù)完全一致，配合設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)，在小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)制動(dòng)，使小車(chē)停車(chē)轉(zhuǎn)向，如此就可彌補(bǔ)設(shè)計(jì)上的缺陷，從根源解決軌跡周期誤差。