應用轉向梯形的雙前輪無碳小車創新設計及優化

摘 要：為了提高大學生科技創新及工程實踐能力，參加大學生工程訓練綜合能力競賽，設計了一種利用重物下降勢能通過曲柄滑塊機構驅動小車轉向并沿S形自動繞樁的無碳小車。提出了采用轉向梯形的雙前輪轉向機構，巧妙地避免了小車繞樁時的差速問題，參考汽車轉向梯形，最大程度上減小了由于前輪轉向半徑不同所產生的側滑現象。文章對轉向結構的設計及計算進行了分析推導，并采用MATLAB進行計算及仿真分析優化，利用有限的勢能，使小車盡可能準確繞過最多樁數，行駛距離最遠。

關鍵詞：無碳小車；轉向梯形；尺寸鏈計算；曲柄滑塊機構

1 概述

為了提高大學生科技創新與實踐動手能力，由北京市教育部財政部資助的一項綜合性工程訓練能力競賽，鼓勵學生以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車為載體進行結構創新設計，小車需要沿s形繞過不同間距（70cm～130cm）的樁桿，以行走最遠距離和最多繞樁數為目標。經過三屆國賽和四屆北京市比賽，出現了多種多樣的設計，主要有曲柄滑塊機構、曲柄搖桿機構、凸輪滑塊轉向機構、空間連桿機構[1]-[5]，小車都是以一個前輪進行轉向，兩個后輪行走的三輪結構。這樣的結構都存在一個問題，即小車轉向過程中左右后輪轉速不同，需要采用差速器或采用單輪驅動另一個輪子自由轉動。采樣差速器結構復雜，成本高，單輪驅動則容易側滑。針對小車設計要求及行進特點，本文提出了三種雙前輪轉向單后輪行走的曲柄滑塊機構小車，巧妙地解決了小車轉向時的差速問題，并設計了兩種連桿機構形成轉向梯形，減小了小車側滑。

2 傳動鏈設計

小車的動力來自重物下降過程中勢能轉化為動能，重物通過繩子向繞繩軸施加拉力帶動其旋轉，采用齒輪傳動帶動后輪行走，同時驅動前輪轉向。小車的轉向機構設計方案多種多樣，采用最多的是連桿機構，其結構簡單，效率高，但連桿尺寸需要經過精確計算，微小偏差都會帶來小車軌跡偏斜及運動的不靈活。項目采用了曲柄滑塊機構驅動前輪轉向，運動精度較高，尺寸鏈計算簡單，提出了三種方案，平行連桿機構、六桿機構轉向梯形及四桿機構轉向梯形。參考汽車轉向過程中的轉向梯形原理即各個車輪的軸線相交于一點便可實現轉向時車輪只發生純滾動而不會打滑，設計了兩種采用轉向梯形理論的前輪轉向方案[6][7]。（1）平行連桿機構如圖1所示，繞繩軸通過十字導軌滑塊機構前后移動，驅動中間軸旋轉，通過連桿機構同時帶動左右輪轉動實現往復轉向[8][9]。該方案經試驗后發現要保證左右輪轉向的同步性需要連桿機構的加工精度非常高，且容易側滑。（2）六桿機構轉向梯形。如圖2所示，十字導軌的前后移動帶動右前輪轉動，右前輪通過連桿機構帶動左前輪同步轉向。該機構加工簡單，效率高，但要實現同步精確轉向，計算較復雜。（3）四桿機構轉向梯形 如圖3所示，通過曲柄滑塊機構帶動十字導軌前后移動，導軌上安裝有連桿，驅動右前輪轉向，左前輪與右前輪采用四桿機構構成轉向梯形，帶動左邊前輪同步轉向。該方案計算、加工簡單，效率高，傳動精確，同步性好，可以有效避免小車轉向過程中的側滑。經過以上分析，項目采用了方案三中的四桿機構轉向梯形設計。

為了使結構緊湊，運動平穩，為方案三中的右前輪驅動采用了齒輪齒條轉向驅動機構[10]，如圖4所示，與導軌連接的連桿換為齒條，通過與齒輪嚙合驅動前輪進行轉向，并且設計了中心距微調機構，調節齒條位置以保證前輪左右擺動時保持對稱。整車示意圖如圖5所示。

圖4 齒輪齒條轉向驅動機構

3 小車結構尺寸計算

小車結構尺寸示意圖如6所示。

當重物下降dh驅動軸即繞繩軸轉過的角度為dθ1，則有：

y0=A，A為幅值，兩個相鄰的x值為樁距p。在此A為定值，p為可調的值（0.5～1.0）m

尺寸鏈計算公式推導[11]：

5 結束語

項目對無碳小車在轉向差速及側滑問題上進行了深入思考，對其轉向機構進行了創新設計，提出了平行連桿機構、六桿轉向梯形及四桿轉向梯形機構，對其進行了分析，并對采用四桿轉向梯形的整車尺寸鏈進行了分析，應用matlab進行了仿真分析優化，得到了關鍵結構尺寸，實現了樁距0.7m～1.3m可調的重物驅動自動轉向小車，可以實現31根樁的精確繞樁。

參考文獻

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作者簡介：孟玲霞（1980-），女，漢族，山西永濟人，碩士研究生，實驗師，主要研究方向為機械設計制造及其自動化。