一種“8”字形無碳小車的結構創新設計

張洪銘+李建波+李佺

摘 要：針對第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，設計一種能在標準乒乓球臺上饒L型障礙物走8字形軌跡運行的小車，要求L形的短邊在300±50mm之間，長邊在400-500mm之間。應大賽要求，小車的結構設計不僅滿足軌跡的穩定性，同時整體應該便于拆卸，因此設計了一種結構簡單且軌跡穩定的小車，經大賽實踐，該小車結構合理，便于拆卸，取得了不錯的成績。

關鍵字：8字；無碳小車；結構設計；便于拆卸

設計一種小車，驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統一使用質量為1Kg的標準砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。

“8”字形軌跡無碳小車競賽場地在半張標準乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上，有3個障礙成“L”形放置， “L”形的長邊在球臺的中線上，經現場公開抽簽，在400～500mm范圍內產生“L”形的長邊值，在300±50mm范圍內產生“L”形的短邊值。

小車需繞中線上的兩個障礙物按“8”字型軌跡運行，障礙物直徑20mm、長200mm的3個圓棒，圓棒中心分別放置在“L”形的3個端點上，以小車完成8字繞行圈數的多少來評定成績。經過第一輪的現場比賽，將進行小車的拆裝流程，在一個小時內進行小車的所有的可拆卸零件，并進行重新裝配和軌跡調試。最后進行第二輪的現場比賽。

1 總體思路

根據能量守恒定律，標準砝碼下落的重力勢能轉化為小車前進動能的過程中，由于傳動效率的原因，存在著能量的損失。要使小車跑的更遠，就必須盡量減小能量的損失，盡可能使重力勢能更多的轉化為小車前進的動能。同時為了小車在障礙物之間能更好的行走，因此盡量將小車做到輕小化。

2 定滑輪設計

定滑輪的作用一般是轉換力的方向，此小車在設計中，在定滑輪上有3個滑槽，除了改變力的方向還可以到達一級變速的效果，3個滑槽的配合使用有三種降速比，每種降速比配合使用兩個滑槽，每個滑槽連接一根繩，如圖1所示，用最左邊的滑槽1和最右邊的滑槽3將產生最大的傳動比，有利于小車行走更多的8字，最左邊的滑槽1一端固定于滑槽里，一端纏繞于繞線軸上，繞線軸如圖3所示，繞線軸和大齒輪固定在一根軸上，構成傳動體系。滑槽3一端固定于滑槽里，一端連接重錘。滑槽2和3配合使用適用于摩擦系數較大的地面，減少傳動比將增大轉矩，便于小車前進。三個滑槽的直徑從左到右分別為65mm、50mm、25mm。

3 驅動設計

重錘繞定滑輪垂直落下轉化能量使繞線軸轉動，繞線軸通過齒輪傳動帶動后輪軸轉動，從而驅動小車前進。期間為使能量消耗最低，選擇傳動效率較高的齒輪傳動，同時為了使小車走出更多的“8”字軌跡，在滿足小車正常行走的前提下，盡量增大傳動比。最后考慮到小車體積的問題，最終選擇一級齒輪傳動，加上定滑輪的減速效果，很好的增大了整體的傳動比，同時滿足了小車的輕小化，齒輪參數為大齒輪108齒，小齒輪為18齒。傳動比為齒輪傳動比乘以定滑輪的傳動比：n=（108/18）*（65/25）=15.6

4 轉向設計

目前的轉向設計中，基本采用凸輪滑槽機構或者空間連桿機構，對于凸輪滑槽機構，考慮到加工精度的問題，所以不首先選用。在齒輪的帶動下，通過空間四連桿機構實現小車走預定軌跡，通過調節搖桿和連桿的桿長，來滿足規定的轉向要求，很好的使用標準件做到方便性以及經濟性。轉向原理如圖2所示：

5 啟動盤設計

在小車啟動的一瞬間，由于摩擦力的作用，小車很難起步，因此在小車起步的瞬間加大繞線軸的半徑，使其小車獲得更大的力矩，如圖3所示：大的啟動盤過渡到小的繞線輪上為溝槽過渡，使其線在大的啟動盤上纏繞半圈便過渡到小的繞線軸上，以免啟動后速度過快造成翻車，溝槽使其在大的啟動盤與小的繞線軸之間能平穩過渡，使其小車平穩前進。

6 底板設計

應大賽要求，在第一次現場軌跡完成后要進行拆裝工作，因此底座不僅要盡量降低重心，而且不適合采用底板加軸承座的形式。直接用數控銑削的方式將底座加工成一體的形式，此種設計不僅能將軸承直接嵌入底板提高軸的同軸度，減小裝配誤差，提高整體穩定性，同時需要考慮小車的拆裝工作，采用一體化設計，減少零件的裝配個數，能極大的減少拆裝時間，以便留有更多的時間進行小車軌跡的調試，為第二輪比賽留有足夠的調試時間。

7 微調裝置設計

為了在小車軌跡調試過程中盡可能精確的調節連桿長度，將連桿的微調機構設計為螺紋差的方式，連桿的前端采用4mm的右旋螺紋，后面采用3mm的右旋螺紋，兩端旋合球鉸使其配合，在調節螺紋時，連桿的伸長量或縮短量為4mm螺紋螺距與3mm螺紋螺距之差，使其調節精度足夠的大，便于穩定軌跡的調試。

8 結束語

齒輪與變級定滑輪的配合使用很好的達到了小車降速的目的，同時很好的避免了多級齒輪傳動帶來的底座占用空間大的問題；底座的一體化設計減少了裝配零件的個數，大大提高了裝配精度，同時便于拆卸；利用螺紋差的原理連接的微調裝置極大的提高了調節精度，很好的為小車的穩定軌跡提供保障。

參考文獻

[1]曹斌，張海波，朱華炳.基于槽輪機構的8字軌跡無碳小車設計[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2014.

[2]王斌，王衍，李潤蓮，趙小龍，崔景峰，楊富林.“無碳小車”的創新性設計[J].山西大同大學學報（自然科學版），2012.

[3]劉金肖，何秋熟，楊延清，張遠明.無碳小車創新性結構設計[J].機械制造與自動化，2014.