“8字形”無碳小車結構設計

陳冬冬 梅杰 王沛棟 智惠

摘 要：針對2017年第五屆全國大學生工程訓練綜合能力的命題“無碳小車繞8字組”的要求，對小車進行創新性設計，主要是轉向機構設計。通過Adams軟件強大的輔助功能進行參數化建模和仿真，對無碳小車運動軌跡計算仿真模擬，進而優化設計參數。利用Matlab軟件對模擬數據進行分析，得出最佳結構設計。比賽實踐表明，小車結構設計合理，運行軌跡滿足“8字形”軌跡的要求，運行平穩，能量損失少，設計方案正確，在競賽中取得了不錯的成績。

關鍵詞：無碳小車；8字形；行走軌跡；計算仿真

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）07-0141-02

Abstract：In view of the proposition of the Fifth National College Students' engineering training comprehensive ability in 2017， the title of this contest is a car without carbon emission run around “8 character” .And this contest complete innovation design of the car， mainly steering mechanism design. Through the parametric modeling and Simulation of the powerful auxiliary function of Adams software， the trajectory simulation of the no carbon car is simulated， and the design parameters are optimized. At the same time， Matlab software is used to analyze the simulation data and obtain the best structure design. Competition practice shows that the design of the car structure is reasonable， the running track meets the requirements of the "8 character" trajectory， the operation is smooth， the energy loss is less， the design scheme is correct， and good results have been achieved in the competition.

Key Words：carbon free car； 8 character； walking track； calculation simulation

本設計源于全國工程能力設計競賽無碳小車的設計，該競賽要求設計一種根據能量轉換原理完成繞固定樁距的八字形小車。

1設計方案的創新性分析

根據比賽要求，無碳小車必須能夠完成8字形的周期性繞圈，并且保證軌跡有較高的重合度，同時小車運動軌跡曲率要保證是均勻連續沒有突變的變化，這樣小車才能平穩運行不發生傾覆的現象。為使小車精確地走“8”行曲線，轉向機構與后輪之間需存在精確的傳動比關系。

小車設計的關鍵部分就是對于轉向機構的設計，它將直接決定小車的整車性能和所繞8字形的圈數。為實現“8”字軌跡，轉向機構必須是周期性受驅動力。

能夠實現此特定功能的機構有：曲柄連桿+搖桿、齒輪齒條、正弦機構（曲柄移動導桿機構）、RSSR空間四桿機構等。曲柄搖桿機構結構較為簡單但一個滑動副，能量損失大，效率低，存在急回特性使之難以實現精穩的往復運動；齒輪齒條在往復直線運動時因為存在加工誤差會使軌跡誤差累加，軌跡會紊亂；RSSR空間四桿機構有2個球副，搖桿與前輪的角度難以精準的控制。

綜合以上，我們選用正弦機構（曲柄移動導桿機構）與直線軸承結合控制運動的方案作為無碳小車的轉動機構的設計。

2 Adams參數化模型的建立

2.1正弦機構擺角規律

正弦機構的機構簡圖如圖1，其曲柄長度可以在一定范圍內進行調節，也可改變無碳小車的前輪擺角。

前輪擺角與后輪轉角的關系如下：推桿水平移動距離為D=R×sinα，其中α為曲柄轉角，R為曲柄長度；前輪擺角正切為tanθ=D/L，其中L 為推桿距前輪軸心的距離；前輪擺角大小與后輪轉角間的關系為：

tanθ=Rsinα/L （1）

2.2對稱性分析

將式（1）改寫，得到正弦機構曲柄轉角和前輪擺角間有以下結論：正弦機構正反方向的轉角變化完全對稱，可使無碳小車前輪左右擺角相同。

2.3可調節性分析

式（1）中的R 為任意值，故改變R 的大小都不會改變前輪擺角，因此可以通過調節曲柄的長度來調整前輪擺角的大小，而且調整后的擺角規律和原來一樣。但是實際調試中，由于加工精度和安裝誤差的存在，即使前輪擺角規律對稱，小車也很難走出重合度較好的軌跡。經常會出現現象是小車軌跡向一側彎曲。此時，可以通過調整推桿的長度來調節前輪左右擺動的擺角的大小。正弦機構為轉向機構時，搖桿在最向前和最向后的兩極限位置如圖 2 所示。

當使推桿長度增長△L 時，推桿末端相對前輪軸軸線向前移動的最大位移為 R+△L，此時的前輪擺角為

θ=arctan（（R+△L）sin/L）； （2）

推桿末端相對前輪軸軸線向后移動的最大位移為 R-L，此時前輪擺角為

θ=arctan（（R-△L）sin/L）。 （3）

據此可知無碳小車前輪向左擺動的最大擺角大于向右擺動的最大擺角（以圖 2 右側為前進方向）。因此，當小車軌跡向右發生偏移時，可以適當調長推桿的長度，從而增大小車向左轉向擺角的大小，以保持小車軌跡的重合度；同理，當小車軌跡向左發生偏移時，可以適當縮短推桿長度，以提高小車軌跡的重合度。

3運動分析

3.1小車運動軌跡

根據比賽要求，參賽小車需要按照“8”形狀的曲線行走并自動避過預先放置好的固定距離的障礙物。建立數學建模并利用分析軟件對其進行仿真、模擬、分析得到理論的運動軌跡，通過調整轉向機構參數來減小甚至消除運動軌跡誤差，以精確運動軌跡。有兩種“8”形軌跡提供我們選擇：（1）采用正三輪的小車結構，完成對稱型的“8”字形軌跡；（2）偏三輪的小車結構，完成非對型稱“8”字形軌跡。

通過Adams參數化建模、仿真對用單輪驅動的無碳小車前輪位置對軌跡的影響進行了試驗；并利用Matlab對試驗數據進行了建模分析。所得結論與查詢資料結果一致：前輪放在驅動輪一側能夠得到更好的無碳小車的運行軌跡，且將前輪與驅動輪共面更有利于保證無碳小車機架質心軌跡的直線度。最終我們決定采用轉向輪與驅動輪共面的偏三輪式的單輪驅動的小車。

3.2轉向輪擺角

轉向輪的擺角確定是采用經驗法與實驗法確定的。先參考車輛設計中一般三輪車的轉向角，初步確定理論轉角的范圍，理論轉角值控制在一定的范圍之內，保證在后期的調試過程中方便的總結與更改。

4 小車結構的確定

4.1 原動機構

小車的原動機構主要功能是將重錘下降的重力勢能轉化為小車前進的動能。

考慮采用可調驅動力矩的方法那就是采用變徑繞線軸。繞線軸的直徑會影響驅動力矩的大小和所繞線的圈數。繞線軸越細，繞線圈數越多，小車走出的“8”字軌跡越多，繞線軸傳遞扭矩越小，驅動力矩越小；反之同理。通過直徑控制小車運行車速，使之平穩運行。

重錘和繞線軸間采用漁線連接，重錘下落拉動漁線，經過滑輪變向，帶動變徑繞線軸轉動。滑輪采用雙連輪方式，雙連輪成放大比，則傳遞到繞線軸上的力減小，小車驅動力減小，繞線軸上纏繞漁線圈數增多，小車走出的“8”字軌跡增多；反之小車驅動力增大，走出的“8”字軌跡減少。

4.2 傳動機構

小車傳動機構通過一定的傳動比把繞線軸上的力矩傳遞到驅動軸上，使小車運行，同時繞線軸將旋轉運動傳遞給轉向機構，實現轉向。

齒輪傳動中，瞬時傳動比是恒定的，可以使小車行駛路程最大。故選用齒輪作為傳動機構。

小車“8”字軌跡的大小，由齒輪的傳動比決定。由試驗結果，選擇齒數比為26∶134，可以將小車的軌跡控制完成300mm-500mm任意樁距。相同中心距的齒輪，相近的傳動比，模數大，齒數少；模數小，齒數多。選用承受載荷小的小模數齒輪，可以有效地減小齒輪嚙合間隙，減弱嚙合碰撞，減小能量損耗。

4.3 行走機構

行走機構就是小車驅動輪和轉向輪，因為小車路徑為“8”字形，如果采用雙輪驅動，轉彎時就會產生差速差，必須添加差速器，這樣增加了小車的復雜性，而且會增加能量損耗，故采偏三輪的小車結構，即采用單輪前驅轉向輪后置，并配以輔助輪穩定車身。

5 小車的裝配調試

各機構按照其選定的裝配基準分別進行安裝，確定各部分裝配正確，由轉向輪輪架―支撐輪輪架―軸承座―傳動機構―正弦機構―重錘支架的順序進行各部分的總裝。小車調試采用控制變量法，即通過保持一個或多個量不變，調整另一個或多個量改變，來探究這些量之間的關系。

6 總結

本文介紹了基于2017年第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽中繞8字無碳小車命題的整個設計制造調試過程，通過前期對設計方案的創新性分析，參數化模型建立以及運動分析，對小車的結構進行最后的確定加工，最終進行小車的裝配調試。小車結構設計合理，運行軌跡滿足“8字形”軌跡的要求，運行平穩，能量損失少，設計方案正確合理，可供后續比賽設計借鑒推廣。

參考文獻

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