無碳小車設計研究

林劍鋒　林偉青

摘 要：針對全國大學生工程訓練綜合能力競賽題目，要求設計一輛S型或者8字型無碳小車，競賽命題是以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行裝置。文章主要分別介紹了無碳小車S型與8字型的異同點，使人們對無碳小車有更深入的了解。

關鍵詞：無碳小車；8字型與S型區別；結構設計

1 8字型無碳小車

1.1 設計簡圖

8字型無碳小車以重力作為驅動力，具有自動轉向功能。小車的綜合性能以越障能力作為評優標準。設計的結構簡圖如圖1所示

1.2 小車整體設計

8字型無碳小車結構是由原動機構、傳動機構、轉向機構和調節機構組成的。其中原動機構的動力是由重物下落時的重力勢能轉化而來；傳動機構可以采用齒輪傳動；轉向機構是由曲柄搖桿結合不完全齒輪構成；調節機構則通過調節螺絲來完成。

1.3 加工制作

車底板因為不需要承受很大的壓力，精度要求不是非常高，考慮到質量輕，并且加工方便以及成本低等因素，決定用鋁合金薄板加工制作成三角形式底板。可以利用&=4mm鋁合金板的邊角廢料，節約且易加工。

1.4 轉向機構

轉向機構是本小車的關鍵部分，尤其8字型小車要求十分嚴格。能實現轉向控制的機構通常有：曲柄連桿+搖桿，曲柄搖桿，凸輪機構+搖桿和差速轉彎等幾種方式。通過實際對比分析可得出，凸輪機構雖然結構簡單，緊湊，但輪廓軌跡加工和計算難度較大。而曲柄連桿+搖桿，其工作原理簡單明了，加工和零件設計均易實現。該結構可將旋轉運動轉化為滿足實際要求的往復直線運動，進而使得搖桿帶動轉向輪做周期性左右轉動來實現拐彎避障功能。為了減少因緊固連接而造成的摩擦損耗，可以在連桿兩段使用萬向節。萬向節轉向靈活，機構緊湊可購買。既提高了轉向精度又降低了成本，此轉向機構具有結構易加工，成本低，調節穩定等優點。

1.5 動力轉換機構

動力轉換機構的功能是將重塊的重力勢能轉化為主動輪的驅動力，從而把重力勢能轉換為小車前進的動能。其中簡單易行的方案是：利用細線和定滑落機構，細線兩段分別繞在卷筒上和栓在重錘上，而卷筒則固定在驅動輪軸上，使得重錘的重力可以轉換為驅動輪上的扭矩，從而帶動主動輪產生動力。其中卷筒的直徑對車速及小車的穩定性起到至關重要的作用，適合的卷筒直徑是保證小車勻速平穩地造成全程的前提。驅動軸帶動安裝在其兩端的兩個后輪旋轉，從而驅動小車前進。如果兩個后輪同時驅動的話，則當小車轉彎的時候便會因差速問題導致小車的不穩定，容易引起側翻。即采用與S型無碳小車相同的方法：單輪驅動。

1.6 傳動機構的設計

8字型無碳小車驅動機構主要由繞線盤、重物、齒輪、定滑輪和鋼絲繩等構成。根據機械原理相關方面知識可知，齒輪傳動比較繁瑣，原因是傳動比設計是否恰當影響到小車轉向機構的設計。通過實踐與理論相結合的方式得出了以下可行方案：

二級齒輪傳動方案，該方案利用重物下落帶動階梯軸上固定的主動齒輪，再帶動安裝在后輪軸上的齒輪，最后再帶動第二級從動齒輪，將從動齒輪得到的能量轉化為后輪驅動力。如圖2所示。

1.7 驅動機構的設計

根據機械原理知識可知，齒輪的傳遞效率大約為98%，可以較好的提高能量利用率。為了讓重物下落時的重力勢能轉化為小車前進的動能能量損失最少，我們可以選擇以齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動。但是由于剛開始啟動時，需要的力矩大，而在小車進入行使狀態后，運動逐漸趨于平穩，此時需要的力矩較小，所以可以在滾筒軸上安裝一個錐形滾筒。

2 S型無碳小車

2.1 設計簡圖

S型無碳小車的設計簡圖如圖3所示。其運行軌跡為S型，要求小車具有自動轉向功能，運行軌跡如圖4所示。

2.2 運動軌跡分析

根據比賽規則，S型無碳小車必須越過不同間距的障礙物。通過分析對比可得出以下兩種方案達到上述效果：

方案一：采用變傳動比傳動。其驅動和轉向都設計為變傳動比。優點是能夠在不改變幅值的條件下改變小車的轉向周期，在相同的周期內所走的路程較多，繞過障礙物的數目較多。缺點是變傳動比結構比較復雜，加工難度大。改進的方案是采用分檔變速和無極變速機構。

方案二：采用定傳動比傳動。其中驅動機構和傳動機構都采用定傳動比，僅僅通過改變轉向的最大轉角即可達到繞過不同間距障礙物的目的。其優點是機構比較簡單，傳動效率高。缺點是能夠繞過障礙物的數目較少。

2.3 轉向機構

S型無碳小車的軌跡為S型，應設計前輪導向。轉向機構是設計該小車的關鍵部分，決定著小車的行走軌跡。其同樣需要滿足結構簡單、加工難度低、減少摩擦損耗等條件，同時還必須具備特殊的運動性能：能夠將主動軸的回轉運動轉化為搖桿的周期性擺動，從而帶動轉向車輪相對車身左右轉向而實現S型運動軌跡。通過查閱資料可知能實現該功能的機構有：曲柄搖桿、曲柄連桿+搖桿、凸輪機構+搖桿以及差速轉向。從機械相關資料可知，曲柄連桿機構簡單且加工成本低，故應采用曲柄連桿機構作為小車的轉向機構。如圖5、6所示。

2.4 行走機構的設計

由于無碳小車是沿著S型軌跡曲線前進，那么后輪必定會產生差速問題。如果無碳小車采用的是雙輪驅動機構，當小車在轉彎時就會導致車身的不穩定，甚至側翻，更加難以保證行走軌跡的精確性。為了解決差速問題，建議采用結構簡便且耗能小的方法，即采用單輪驅動。意思是將從動輪軸上的一個后車輪作為驅動輪，其與從動軸建立旋轉約束，以便于傳遞扭矩。而另一個后車輪則通過軸承套在軸上，不建立與從動軸的旋轉約束，在前進過程中配合主動輪的轉向能夠自動調節速度，從而保證無碳小車在前進的過程中車身的穩定性，提高了運行軌跡的精確性。

2.5 微調機構

S型無碳小車的微調機構即對連桿長度和曲柄長度的調整。因為微調機構能夠體現小車的柔性。其中連桿長度決定著轉向輪左右轉角的大小。而曲柄長度決定的是小車行駛的周期即樁距，曲柄的長度越長，繞裝周期就越短，適應障礙物的間距就越短。連桿長度與曲柄長度調整是否適當直接影響到比賽時間，又由于軌跡路線對兩者長度較敏感，故應精確調試。通過查閱資料可得出，采用類似絲杠的機構，用帶螺紋的曲柄和連桿，將螺紋鎖死。在調整長度時，應擰松螺母，調整長度，此做法也精確地調整其長度。

3 結束語

文章針對全國大學生工程訓練大賽中的無碳小車進行了分析，分為8字型和S型進行闡述。其共同特點就是兩者都是利用單輪驅動的結構，以便于解決差速問題。其中8字型小車轉向機構可由多種方式組成，最好的方法是曲柄連桿加搖桿，而S型小車則采用連桿機構作為轉向機構來實現小車自動轉向的。驅動機構兩者采用齒輪機構為宜。大量實驗證明，結構簡單，加工難度低，加工成本小，實用性好，效率高才是我們所要達到的目的。

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