趙家瑩 蘭揚 周沛澤 南霖瀟

摘 要：“8”字繞障無碳小車作為全國大學(xué)生工程訓(xùn)練的比賽項目，受到高校在校學(xué)生及熱衷于無碳小車設(shè)計的社會人士關(guān)注。針對這種具有創(chuàng)新意義的設(shè)計成果，先對“8”字繞障無碳小車的概念加以解釋，進一步對其創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動原理以及運動軌跡加以分析。

關(guān)鍵詞：“8”字繞障;無碳小車;設(shè)計;原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.036

在我國各大高校的工程訓(xùn)練比賽項目中，出現(xiàn)了很多集設(shè)計者智慧和創(chuàng)新思維于一體的產(chǎn)品設(shè)計，雙“8”字繞障無碳小車就是其中的一種。該設(shè)計問世之后就受到了廣泛的關(guān)注。為此，本文接下來就著重從以下幾個方面加以分析其設(shè)計的合理和創(chuàng)新之處。

1 雙“8”字繞障無碳小車的概念

近年來，無碳小車主要應(yīng)用于高校大學(xué)生的競技賽中，而且隨著各大高校工程類技術(shù)的不斷發(fā)展，在對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)設(shè)計上以及運動軌跡設(shè)計上，無碳小車的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)愈發(fā)成熟，在該領(lǐng)域就出現(xiàn)了以雙“8”字繞障為主的無碳小車技術(shù)。所謂“8”字繞障無碳小車主要是指經(jīng)過設(shè)計后的小車能夠按照“8”字形的軌跡，在樁距一定的障礙物間繞行，最終比賽成績的結(jié)果評定主要依據(jù)小車?yán)@行中歷經(jīng)的幾個周期的個數(shù)為準(zhǔn)。從以往的比賽記錄來看，在特定樁距的情況下，小車很容易完成“8”字繞行軌跡的任務(wù)，但是如果樁距一旦有所改變，就很容易因為小車?yán)@行軌跡發(fā)生偏離，而導(dǎo)致繞行任務(wù)失敗的結(jié)果。傳統(tǒng)意義上的無碳小車比賽項目多以“S”型項目為主，而且經(jīng)常根據(jù)此項目與“8”字繞障無碳小車的技術(shù)作對比。本文僅以雙“8”字繞障無碳小車為例，對其在工程訓(xùn)練比賽項目中的創(chuàng)新性設(shè)計進行分析。

2 “8”字無碳小車創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

目前，無碳小車的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)設(shè)計上。無碳小車經(jīng)過科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為其在競技賽中正常運行提供了重要保障。具體在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，主要包括：車身、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)等五個重要部分。為減少設(shè)計過程中不必要的摩擦損耗，應(yīng)在設(shè)計之初，將小車的機構(gòu)進行較為合理的設(shè)計，如下圖1所示，就是最基本的小車結(jié)構(gòu)框架圖：

針對無碳小車在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新性設(shè)計，現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)組成部分進行具體分析：

2.1 車身

無碳小車的總體設(shè)計，采用三輪的結(jié)構(gòu)，在車身的設(shè)計部分，利用三角的形式作為車身底板，這樣的設(shè)計是為了達到減輕車身所承載重量的目的。鋁板作為底板材料的選擇材料，有規(guī)格上的限制：要選擇厚度為4mm的鋁板，并且在車身中央的碳棒規(guī)格上，要選擇3根高度為500mm的碳棒為選擇標(biāo)準(zhǔn)。這樣設(shè)計的目的，是為了對砝碼運動方向加以限制。

2.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

凸輪機構(gòu)作為雙“8”無碳小車核心部分的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠遵循小車運動的規(guī)律達到結(jié)構(gòu)設(shè)計上的要求。

由凸輪參數(shù)計算公式可知：ρ=L/tanθ3。

當(dāng)小車在兩端行駛的時候，以圓半徑為175mm的軌跡行駛，此時，小車在行駛中的轉(zhuǎn)角最大度數(shù)為29.74°，dh的距離即為砝碼下降的距離。對小車進行分析的過程，可以結(jié)合微元的思想加以分析。

前輪左轉(zhuǎn)，利用公式tanθ3=（b-b0）/l0;前輪右轉(zhuǎn)，利用公式tanθ3=（b0-b）/l0。因此，凸輪角度θ2與b能夠在凸輪到動件的推程位移過程中得出二者的關(guān)系。

2.3 驅(qū)動機構(gòu)

因為無碳小車在轉(zhuǎn)彎行駛的過程中，兩輪之間在速度上會出現(xiàn)差異，因此利用單輪進行驅(qū)動，就能很好地解決這一問題。啟動小車后，利用梯形繞線軸的設(shè)計，隨著繞線軸半徑大小的變化，逐步控制小車的行駛速度，最終達到勻速前進的效果。

2.4 微調(diào)機構(gòu)

小車的運行軌跡會因為多種因素的存在而發(fā)生偏差，例如在設(shè)計時樁之間距離的長短變化、加工時人為失誤造成的誤差。針對這些不可避免的客觀因素，為了能達到最終調(diào)節(jié)偏差的效果，就要在設(shè)計之初，利用微調(diào)螺母的功能，改變凸輪與擺桿二者之間的接觸的長度。

3 “8”字無碳小車的運動原理

“8”字繞障無碳小車的運動原理主要是通過以下過程完成的：圖示中利用細(xì)繩將重物僅僅纏繞在前傳動軸上，再利用傳動齒輪嚙合驅(qū)動軸和前傳動軸，進而達到能量得以傳遞、時速被改變的目的。當(dāng)重物被釋放以后，機構(gòu)在前傳動軸連續(xù)運動之后才得以正式運行。仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，主動輪是左后輪。通過軸承器將驅(qū)動軸與后輪軸進行連接，達到單側(cè)被驅(qū)動的目的，最終使得小車在運行中能夠在速度上有所差異的情況下方向得到改變。與此同時，曲柄輪經(jīng)過前傳動軸轉(zhuǎn)動過程中的帶動，在曲柄輪以及其伸縮連桿控制無碳小車行走軌跡和方向的情況下，使得無碳小車以固定周期的變化為方式展開運行，以上過程即為“8”字繞障無碳小車設(shè)計的運動原理。

4 雙“8”運動軌跡

按照大賽中的要求，目前設(shè)計出了新型的雙“8”字繞障無碳小車，本文按照MATLAB編程理論，對雙“8”字無碳小車的運行軌跡進行簡單模擬，當(dāng)小車運行中的軌跡封閉時，就達到了應(yīng)有的設(shè)計效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文著重從幾個方面介紹了這種新型的雙“8”字繞障無碳小車：“8”字繞障無碳小車的概念、其創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動原理以及對其設(shè)計運行軌跡進行簡單模擬，希望通過本文圖文并茂、公式解析、列表對比等多種方式，對目前致力于該項目研發(fā)的設(shè)計者有所幫助。

參考文獻：

[1]吳亞昆，王會良，李晨曦，余海洋，李凱樂.雙“8”字繞障無碳小車的創(chuàng)新設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（10）：115-116.