字無碳小車的結構設計

任帥　高遠　邵夢瑩

摘 要：根據大賽要求，設計了利用重力勢能并能按要求自動轉向的8字形繞障無碳小車。小車轉向機構基于對心曲柄滑塊原理，并利用對心曲柄滑塊運動特性，實現小車周期性運動。通過MATLAB仿真建模，代入小車相關參數，以此對小車行走軌跡模擬分析，優化設計，修正參數。最終實際比賽結果驗證了該機構設計是合理的，且加工簡單，易于調節，適宜比賽。

關鍵詞：無碳小車 “8”字繞障 曲柄滑塊機構

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：B 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0110-02

全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求設計一臺三輪小車，利用4 kJ重力勢能作為驅動，在半張乒乓球桌上繞一定距離的兩個障礙物以“8”字軌跡進行繞行，最終按照繞行周期的有效個數進行成績的評定。由于“8”字繞行無碳小車為新競賽項目，相比“S”型項目相關參考文獻較少，故該文從實際出發，對“8”字小車進行設計分析，為相關競賽研究提供參考及借鑒。

1 運動原理

如圖2小車總裝圖所示，重物通過細繩纏繞在前傳動軸。前傳動軸與驅動軸通過齒輪嚙合傳動，改變轉速，同時傳遞能量。釋放重物后，前轉動軸開始轉動，機構即開始運行。左后輪為主動輪，后輪軸與驅動軸通過聯軸器連接，實現單側驅動，以此實現差速便于轉向。同時前傳動軸轉動帶動曲柄輪，小車行走方向受曲柄輪及其伸縮連桿控制而呈周期性變化，最終實現“8”字軌跡。

2 轉向系統

小車轉向系統主要由曲柄輪，前連接桿，伸縮連桿三部分構成。（運動原理見圖3）設曲柄位置1為小車初始狀態時曲柄所處位置，當小車前曲柄輪由位置1經由位置2逐漸運動到位置3時，前輪偏轉角度逐漸增大至最大，小車行走曲線曲率由0逐漸增加至最大。即曲柄輪每1/4圓周對應小車行走軌跡“8”字的1/4路徑，曲柄輪轉一周，小車完成一個“8”字，對應實現周期性運動。

此外伸縮桿與曲柄圓盤構成微調裝置。由于全國大學生工程訓練綜合能力大賽要求對小車進行拆裝，故實際競賽中需進行裝配調節。通過改變曲柄長度并適當調節伸縮桿的長度，并保證伸縮桿位置可使當曲柄在初始位置1時小車前輪不發生偏轉。即可完成小車微調，修正裝配誤差帶來的影響，適宜比賽。

3 運動軌跡分析

設定小車轉彎過程中所涉及變量，并對其建模分析。小車大輪直徑，前傳動軸轉角為，后輪軸轉角，小車轉彎的曲率半徑為，前輪偏轉角度，前后輪軸線間距，小車移動距離為，小車行走偏轉角度，傳動比。

4 結語

（1）最終的實際軌跡結果與擬合效果接近，證實了該結構的可行性高效性。（2）在實際裝配中，微調結構能夠在短時間內快速調整，修正運行軌跡，滿足要求。（3）利用MATLAB程序代入小車設計參數，可以更直觀的近似計算出運行軌跡，為實際調整節省了大量時間精力，也同樣利于小車的優化設計。

參考文獻

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