佘亮 項健 殷建

關(guān)鍵詞：S環(huán)形;無碳小車;結(jié)構(gòu)設(shè)計

無碳小車是一種具有方向控制功能的自行小車，其行走過程中完成的所有動作所需的能量均由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得，給定重力勢能由質(zhì)量為1KG的砝碼來獲得。無碳小車具有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，以適應(yīng)無碳小車不同的運行軌跡。通過給定任務(wù)分析可知，無碳小車要完成重力勢能轉(zhuǎn)換、驅(qū)動車身行走、自動避開障礙物。這里按照要實現(xiàn)功能將無碳小車分為五個模塊進行設(shè)計：車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)。車架不用承受很大載荷，精度要求不高，主要從重量、加工角度考慮，本文選擇鋁合金板制作。下面從無碳小車的原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走及微調(diào)機構(gòu)幾方面重點進行設(shè)計。

1“S環(huán)形無碳小車的原動機構(gòu)設(shè)計

“s環(huán)形”無碳小車在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，重點考慮原動機構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率，無碳小車的輪子可用不同的形狀和材料，無碳小車的原動結(jié)構(gòu)可以選擇繩輪式、彈簧儲能式以及鏈輪式等，可供發(fā)揮的空間很大，通過分析其摩擦力、重量、能量轉(zhuǎn)化形式和力矩等參數(shù)對無碳小車整體的影響，設(shè)計出既能走得遠又能走得準(zhǔn)的繩輪式原動結(jié)構(gòu)，可以使輸出力矩更適中、無碳小車運行更平穩(wěn)，可以讓無碳小車盡可能地多繞樁行走。

1.1原動軸的選定

摩擦力矩與正壓力的關(guān)系如式（1）

假使無碳小車的半徑不夠大，使得機械能傳動效率過低，只有在輪子的半徑足夠合適的情況下才能使輪子的摩擦力減小，進而使得有效功率變大，使能量損失降到最低。但由于加工精度以及難度、選材、后期裝配問題等等，具體尺寸需要綜合考慮。

1.2確定主動輪

無碳小車主要靠前輪轉(zhuǎn)向和后輪差速轉(zhuǎn)向完成轉(zhuǎn)彎，并沿著曲線前進，實現(xiàn)兩輪差速的方法有：

1.2.1雙輪同步驅(qū)動

雙輪同步驅(qū)動主要靠的是兩輪線速度不同去完成預(yù)定的軌跡，但是由于同步驅(qū)動輪子與地面打滑，同時前進過程中約束過多，使得軌跡偏移，完成預(yù)定軌跡的可能性不大。

1.2.2雙輪差速驅(qū)動

一邊輪子過盈配合，一邊輪子安裝一個軸承的方法去實現(xiàn)差速驅(qū)動，差速驅(qū)動可使無碳小車轉(zhuǎn)彎的軌跡誤差更小，但由于差速器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在無碳小車上使用需要縮小其尺寸，加工復(fù)雜，所以暫不考慮差速器這種結(jié)構(gòu)。

1.2.3單輪驅(qū)動

將一個輪子作為驅(qū)動輪的方式稱為單輪驅(qū)動，，其中一個為導(dǎo)向輪，另一個為從動輪。從動輪與導(dǎo)向輪間的差速主要是依靠地面的運動約束不同，使得運動軌跡不同。單輪驅(qū)動的效率比差速器高，缺點是運動速度不穩(wěn)定，傳動精度相對于單向軸承來說要更高。

綜上所述，單向軸承實現(xiàn)差速是一個性價比高的方案，不僅安裝方便，也使無碳小車結(jié)構(gòu)更為簡單。當(dāng)其中一個輪子拐彎半徑大的作從動輪，速度較大，處于內(nèi)徑的輪子成為主動輪，這樣交替變換。不會產(chǎn)生因為轉(zhuǎn)彎半徑過大而導(dǎo)致側(cè)翻的情況。

1.3無碳小車初始力矩

繞線軸為后輪軸，通過砝碼下落牽動繞在后輪軸上細線帶動后輪軸轉(zhuǎn)動，而無碳小車從靜止到運動需要一個較大的初始力矩使小車平穩(wěn)啟動，這就需要考慮繞線軸的半徑：太大會浪費細線長度，減少無碳小車的行走距離;太小又無法啟動無碳小車。由于繞線軸制作簡單，安裝方便，所以初始方案是直接將后輪軸作為繞線軸，具體半徑可以等試車時再確定。在無碳小車實際試跑時發(fā)現(xiàn)不需要繞線軸也可以使無碳小車行走，分析其原因：因為后輪軸原本就具有適中的半徑，可以滿足啟動要求。

2“S環(huán)形”無碳小車的傳動機構(gòu)原理與沒計

傳動機構(gòu)是把原動機構(gòu)輸出的力矩傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪式，要使無碳小車行走的距離遠、并能按設(shè)計軌跡精確運行，傳動機構(gòu)要設(shè)計合適的傳動比。

2.1傳動比

在設(shè)計時需要確定傳動比以提高行走效率。在確定傳動比時要考慮一下幾點：

1）無碳小車驅(qū)動軸與轉(zhuǎn)向輪之間需要一定距離，太近會使重錘無法安裝，也會使小車重心不穩(wěn)，所以既保證小車能穩(wěn)定行走不易倒，也要保證能夠走出較遠距離。

2）無碳小車后輪半徑要適中，太小會浪費距離，無碳小車走不遠。

3）傳動比盡量大。因為“s環(huán)”周期大，但也要考慮制造裝配難度。所以采用二級傳動，后輪軸作為原動軸，保證行進平穩(wěn)，中間齒為過度齒，既保證驅(qū)動軸與前輪拉開距離，也滿足了傳動比的要求。經(jīng)過Matlab仿真“確定傳動比為1：16，最終無碳小車的軌跡，如圖1。

2.2傳動方式

傳動機構(gòu)主要是將重物下落過程中的動能傳遞給車輪部分。為提高傳動效率，傳動步驟越少越好。比較幾種傳動方案后，高精度的齒輪嚙合傳遞動力效率較高，動力傳遞穩(wěn)定，能夠很好地滿足無碳小車運行的需要。

無碳小車整體傳動系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。無碳小車總的重力勢能由重錘下落提供，保持恒定，因此好的結(jié)構(gòu)的選用會提高小車能量利用率，而齒輪的傳動效率較高，行走的距離較遠。

無碳小車整體能量流動，如圖3所示，重錘的重力勢能經(jīng)繩繞過定滑輪傳遞到原動軸，原動軸通過齒輪二級傳動帶動從動軸運動，進而帶動凸輪轉(zhuǎn)動以達到周期性轉(zhuǎn)向目的。

3“S環(huán)形”無碳小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)與微調(diào)機構(gòu)設(shè)計

3.1“S環(huán)形”無碳小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

3.1.1轉(zhuǎn)向輪的選定

無碳小車要求是三輪結(jié)構(gòu)1個轉(zhuǎn)向輪，2個驅(qū)動輪。前輪控制轉(zhuǎn)向，兩后輪控制驅(qū)動，結(jié)構(gòu)易設(shè)計。轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用凸輪滑塊，材料是樹脂，價格便宜易生產(chǎn)，由于凸輪表面路線不平緩，在角度過大的轉(zhuǎn)角處會有較大的滑動擦副，使得效率低的同時可能會使無碳小車路線發(fā)生變化，所以在設(shè)計凸輪的時候，在考慮運動路線的同時，要盡可能的將凸輪的角度設(shè)計的平緩，能減少急回特性導(dǎo)致無碳小車在運動過程中出現(xiàn)急停或者側(cè)翻的狀況。

3.1.2轉(zhuǎn)向方式

轉(zhuǎn)向方式主要依靠前輪的轉(zhuǎn)向桿控制前輪的轉(zhuǎn)向和凸輪機構(gòu)的路徑共同控制無碳小車的轉(zhuǎn)向，通過后輪的運動帶動凸輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為前輪的左右擺動，從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。由于S環(huán)形賽道周期較大，確保精確轉(zhuǎn)向，累計誤差小，采用凸輪配合滑塊的方式是最簡單而且效率高的方法。

3.2“S環(huán)形”無碳小車的微調(diào)機構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過軌跡仿真后小車能夠走出正確的軌跡，但在組裝好后會由于制造、裝配等誤差以及驅(qū)動軸力矩的改變使軌跡發(fā)生偏移，拉伸、縮小或者歪曲。為了調(diào)整無碳小車的軌跡（幅值、周期、方向等），使無碳小車走一條最優(yōu)的軌跡，必須設(shè)計一個微調(diào)機構(gòu)。微調(diào)機構(gòu)設(shè)置在凸輪及前輪桿上，通過調(diào)節(jié)凸輪上的導(dǎo)桿到凸輪的距離及調(diào)節(jié)前輪支撐桿的高度來確定前輪轉(zhuǎn)向的時機，調(diào)試好需要記住導(dǎo)桿到凸輪的距離以及前輪支撐桿的高度。

3.2.1軌跡微調(diào)

微調(diào)機構(gòu)主要有微調(diào)螺母式和滑塊式兩種方案。通過微調(diào)螺母可以調(diào)節(jié)滑塊與轉(zhuǎn)向架的距離，間接改變前輪擺角幅度，這對無碳小車的軌跡調(diào)整起著關(guān)鍵作用。微調(diào)螺母結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，通過微小部分的改動便可以調(diào)節(jié)軌跡。結(jié)構(gòu)如圖4。

3.2.2細線長度微調(diào)

為了能夠讓無碳小車從出發(fā)點能夠快速、準(zhǔn)確地走出規(guī)定路線，就要求小車的出發(fā)點在固定位置，但由于砝碼高度要規(guī)定在400mm+2mm，而繩子又和凸輪位置之間有著聯(lián)系，于是就要保證砝碼上升到固定高度是凸輪位置也正好在出發(fā)點的位置，但在實際安裝時會出現(xiàn)誤差，所以就需要一個微調(diào)裝置間接調(diào)節(jié)繩子長短，在一個微小的范圍內(nèi)使繩子長度縮短，這樣就能夠有效地解決砝碼上升高度與出發(fā)位置不匹配的問題。

4“S環(huán)形”無碳小車的整體優(yōu)化設(shè)計

在進行無碳小車整體結(jié)構(gòu)的Solid works運動學(xué)仿真分析后，發(fā)現(xiàn)小車運動機構(gòu)部分沒有出現(xiàn)干涉和死點情況，說明無碳小車的設(shè)計理論上是合理的，但經(jīng)過零散的模塊化設(shè)計之后，無碳小車的整體性能沒有達到最理想的要求，所以還需要對先前的不合理的部分以及仍可以改進的地方進行優(yōu)化，對以下幾個結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

4.1零件表面優(yōu)化

零件經(jīng)過切割、鉆、銑、車等加工工藝后會在其表面留下毛刺，并且由于加工精度零件表面的優(yōu)化不夠的問題會使其表面較為粗糙，而小車的后輪、軸、孔等對精度要求較高的零件就需要手工打磨。用砂紙對其打磨，摩擦副處涂抹較好的潤滑脂;后輪噴塑處理，增加其與地面的摩擦力。

4.2細線種類的優(yōu)化

細線的選用可從材料（包含粗糙性，延展性，抗拉強度）、粗細度兩方面考慮。

1）細線會隨著砝碼下落與定滑輪之間產(chǎn)生不可避免的摩擦，所以應(yīng)該選用粗糙度小的材料，為了減小其摩擦也可在繩表面涂上油脂;要求很低的延展性，因為高延展性會使后輪軸受力不穩(wěn)定，進而導(dǎo)致行走不穩(wěn)定;抗拉強度要好。

2）細線太粗會使繞在后輪軸上的線堆積在一起，使繞線半徑變化太快，導(dǎo)致行走不穩(wěn)定，太細又難以啟動無碳小車。所以最終選用尼龍繩。

4.3后輪優(yōu)化

設(shè)計了鏤空結(jié)構(gòu)，既保證了剛度，使其能夠承受整體的重量，又減輕了自身重量，提高能量利用率。

4.4繞線方式的優(yōu)化

設(shè)計了雙層結(jié)構(gòu)，小輪作為砝碼繞線輪，大輪作為后輪軸繞線輪，這要使無碳小車更容易啟動，行走的距離更遠。

經(jīng)過以上優(yōu)化，減小了無碳小車的能量損失，加長了無碳小車的行程，零件尺寸的精細化也使無碳小車更加美觀，添加的結(jié)構(gòu)也使無碳小車更加適應(yīng)比賽規(guī)則。最終無碳小車整體三維設(shè)計圖，如圖5所示。

5總結(jié)

“S環(huán)形”無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用系在無碳小車上重錘下落得到的重力勢能作為唯一動力來源，并將其轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動小車按照給定的“S環(huán)形”軌跡進行運動，前行時能通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動作，自動避開賽道上的障礙物。本文的“S環(huán)形”無碳小車的根據(jù)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計理念對小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝和安裝調(diào)試等方面進行詳細討論、設(shè)計，運動學(xué)仿真分析后，對無碳小車結(jié)構(gòu)零件表面、細線種類、后輪、繞線方式進一步優(yōu)化。進而減小了小車的能量損失，加長了無碳小車的行程，零件尺寸的精細化程度更高。