崔堯勒 李 豪 陸智超 宋靜奇 張國續(xù)

（河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽471003）

1 概述

無碳小車定義為一輛可以將重力勢能轉變?yōu)閯幽軓亩寗悠淝靶胁⑶易鲋芷谛赞D向（雙8 字型）的小車，要求小車為三輪結構，物塊為碳鋼材料，其尺寸￠50mm×65mm，重力G 為9.8N（g=9.8N/kg），小車運動過程中，物塊可垂直下降的距離為（400±2）mm。傳動、轉向及微調機構是無碳小車的基本機構。小車在勻速行進過程中摩擦力矩與小車重力成正比，所以盡量減小小車的摩擦力矩可以促使小車行駛的更遠；小車前后輪行駛時所承受到的滾動摩擦阻力定義為，（其中F 代表滾動摩擦力，N 代表小車對地面的正壓力，δ 代表滾動摩擦因數，R 代表小車后兩個輪半徑）。所以為了減少小車行進時的阻力，輪子盡量大一些，從而能夠高效地利用能源。本文用現(xiàn)代matlab 和Solidworks 仿真軟件對小車軌跡進行仿真，減小實驗試錯率，為實物制作打下基礎。

2 小車機械結構的設計

2.1 小車整體結構

無碳小車的Solidworks 裝配圖和整體結構圖如圖1、2。

圖1 SW 裝配圖

2.2 小車傳動機構

物塊的重力勢能提供小車的動力，小車的傳動機構由繞線軸將動力傳遞給小車兩個驅動輪和前輪（轉向機構）。通過仿真使小車的傳動機構能量傳遞效率高、傳動平穩(wěn)可以使其行進更遠并且按雙8 字型軌跡運動。采用能量利用率較高的齒輪傳動，小車運動過程中，物塊的重力勢能將能量傳遞給繞線輪及繞線軸，帶動線軸旋轉時，能量通過齒輪機構傳遞到驅動輪和前輪(轉向機構)。齒輪機構為兩級傳動，為了提高傳動比，將大小齒輪分別安裝在繞線軸、后輪軸上，使物塊的重力勢能得到充分的利用，減少了能量的損失，提高了能量利用率[1]，從而可以使小車跑的更遠。示意圖如圖3。

圖2 無碳小車底盤結構

圖3 無碳小車的傳動機構

2.3 小車轉向機構和微調機構

無碳小車設計中的關鍵之處是小車的轉向機構，設計時需減少摩擦，從而減小不必要的能量損耗，并控制轉彎速度。空間RSSR 機構能量利用率高，所以本設計采用此機構，由繞線軸的旋轉運動帶動曲柄經連桿推動轉向輪循環(huán)左右轉動從而實現(xiàn)小車成雙8 字型軌跡運動[1]。

在小車的微調機構中，通過采用正反絲連桿調整機構，螺紋連接該機構，可以自動調整連桿的長度，從而可以調整小車轉向的位移。小車還特別采用了一種萬向節(jié)彈簧絲杠自動調節(jié)機構，該絲桿調節(jié)機構改變萬向節(jié)球頭與轉向軸之間的位置和距離是通過螺紋的自動旋轉，繼而調節(jié)轉向桿的長度，從而達到微調的目的[1]，示意圖如圖4 所示。

圖4 無碳小車轉向和微調機構

3 小車軌跡仿真

3.1 MATLAB 軌跡仿真

3.1.1 驅動系統(tǒng)的建模。假設無碳小車在行進過程速度保持恒定，并且與地面只做純滾動，地面平整。無碳小車在行進過程中存在著障礙物，其平均樁距應該為350 毫米，轉彎半徑大約為175 毫米。小車運動時，繞線軸在牽引線的作用下做轉動運動，齒輪傳動使繞線軸的運動傳遞給后輪軸，傳動比為i12，當物塊下落h 距離時，則主動輪A（兩個大輪）移動的距離為（R 為主動輪半徑）。繞線軸帶動小車轉向機構上的曲柄L1，小車行進時曲柄L1 轉過的角度為：

3.1.2 轉向系統(tǒng)的建模。REER 機構構成了小車轉向系統(tǒng)，通過建立起空間直角坐標系，建立小車的數學模型求解曲柄L1 的輸入角β 和搖桿L3 的輸出角之間的關系模型，如圖5 所示。

圖5 轉向系統(tǒng)空間RSSR 機構示意圖

則原式可寫為D cos θ + E sin θ+ F =0

求解上式得

3.1.3 小車行走軌跡仿真

在matlab 仿真軟件中編寫程序，賦初始值給各參數，不斷微改動參數得到的無碳小車前輪、A 輪和B 輪的運行軌跡如圖6 所示。

曲線平穩(wěn)、連續(xù)，其運行結果較良好。

圖6 matlab 仿真軌跡

表1 無碳小車賦值參數

3.2 Solidworks 軌跡仿真

利用SolidWorks 軟件對無碳車進行三維建模，并通過SolidWorks Motion 對無碳小車的雙8 字型運行軌跡進行了虛擬仿真。在SW 工具箱模型中設置各個運動機構的結構參數和工作環(huán)境參數，使之與實際環(huán)境更相似，可以使結果更為合理真實，結果如如圖7 所示。通過比較分析仿真結果，確定了小車的設計結構。通過與實際運行結果相比，基于SolidWorks 的無碳小車行進軌跡研究的虛擬仿真方案和實際要求相符。

圖7 Solidworks 仿真軌跡

4 結論

本文主要對無碳小車的原理和結構進行了說明，針對其中的一些無碳小車的轉向控制系統(tǒng)建立了一個初步的數學模擬，通過matlab 和Solidworks 仿真更好地調節(jié)小車各部分參數，減小試驗時的試錯率，為實物的制作做好基礎。經過實際應用試驗，可以使無碳小車按照預先設定好的行駛路線進行運動，從而驗證了一種無碳小車的轉向控制系統(tǒng)的數學模擬機構的正確性。