S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動無碳小車設(shè)計及調(diào)試

鄧醒陽+王豪+張子悅+王上

摘 要：基于第五屆北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中“S型無碳小車”的相關(guān)設(shè)計要求，設(shè)計了以重力勢能驅(qū)動的，以空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向要求的無碳小車。由于競賽中障礙物間距由抽簽決定，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)必須具備微調(diào)功能以適應(yīng)不同障礙物間距。通過計算以及結(jié)合實(shí)際操作，總結(jié)出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的微調(diào)規(guī)律，并在實(shí)踐與比賽中得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：無碳小車；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；“S”型軌跡

第五屆北京市大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽“S”型無碳小車組以“越障競賽”為主題，競賽規(guī)定小車為三輪機(jī)構(gòu)，且其行走和轉(zhuǎn)向由1kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力勢能驅(qū)動。障礙物的間距值在700-1300mm的范圍中隨機(jī)選取，要求小車能繞行障礙物，小車行進(jìn)軌跡如下圖。

1 驅(qū)動設(shè)計

當(dāng)小車在轉(zhuǎn)彎行駛時，后輪外側(cè)車輪移動的距離大于內(nèi)側(cè)車輪，為了防止車輪有滑脫現(xiàn)象出現(xiàn)，小車運(yùn)動軌跡因此受到影響，客觀要求左右車輪能夠?qū)崿F(xiàn)不同轉(zhuǎn)速。因此設(shè)計時，采用單輪驅(qū)動形式，將后兩輪之間的驅(qū)動軸斷開，左后輪設(shè)計成驅(qū)動輪，右后輪設(shè)計成從動輪，從動輪通過軸承與主動輪軸相連。

2 傳動設(shè)計

牽掛重物的繩子繞在線輪上，線輪固定在前軸，前軸上固定有一個齒輪，和后軸上的小齒輪嚙合，負(fù)責(zé)傳動給后軸（后軸連接兩個后輪），前軸上還連接有曲柄，負(fù)責(zé)給轉(zhuǎn)向輪（前輪）傳動，達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

3 小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計

我們的無碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采取了結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如下圖。

為保證小車運(yùn)行平整，沒有急回特性，左右轉(zhuǎn)角偏幅相等，曲柄和搖桿的轉(zhuǎn)動副必須處于同一高度。連桿（長螺釘）的兩端與關(guān)節(jié)軸承通過螺紋連接，調(diào)節(jié)連桿長度時，關(guān)節(jié)軸承與曲柄的連接處能隨連桿的旋轉(zhuǎn)而升降（為了保證調(diào)節(jié)連桿長度的時候，搖桿和曲柄的初始角度保持不變，達(dá)到控制變量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的），從而改變曲柄的有效長度。

小車運(yùn)行過程中，在傳動機(jī)構(gòu)的帶動下，曲柄做有規(guī)律的圓周運(yùn)動，同時通過連桿的傳遞，使得水平面上的搖桿前后搖擺，與搖桿固定連接的方向輪隨之左右擺動，從而實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。

小車結(jié)構(gòu)簡圖如下：

4 小車運(yùn)行調(diào)試

在理論計算時，小車在行進(jìn)過程中方向輪的左右偏角相等，但在實(shí)際運(yùn)行時情況有所不同。通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，單輪驅(qū)動的無碳小車在運(yùn)行過程中方向輪左右偏角并不相等，而且它們的差值會隨著障礙物間距的不同而改變。如果無法充分認(rèn)知其中的變化規(guī)律，很難得到理想的“S”型軌跡。影響小車左右偏角的可能因素有很多，如車輪的材料，車輪的寬度，激光切割時車輪產(chǎn)生的小變形，地面的粗糙度等等。由于條件有限，我們不能將這些因素一一隔離分析。在后期的調(diào)試中，我們仔細(xì)觀察小車的運(yùn)行軌跡，經(jīng)過不懈地努力，我們找到了解決辦法。由于方向輪左右偏角不想等，導(dǎo)致小車往一邊偏行，到后面越偏越厲害，于是我們猜想：如果我們把偏行的方向當(dāng)做“新賽道”，是不是把前輪初始偏角調(diào)節(jié)一下，使之等于“新賽道”偏離原賽道的角度效果會好一些呢？至于后面越偏越厲害可能是因?yàn)樾≤嚭竺嫫蛱珖?yán)重導(dǎo)致小車運(yùn)動失真。帶著猜想，我們嘗試著調(diào)節(jié)小車的初始偏角，結(jié)果真如我們所想，有了很大的改觀，雖然沒有預(yù)期的理想，但是已經(jīng)開始接近設(shè)計目標(biāo)了。在不斷地調(diào)試之后，小車的運(yùn)行軌跡已經(jīng)達(dá)到了我們的期望。于是我們根據(jù)不同的連桿長度，來一步一步地進(jìn)行調(diào)車，同時記錄好對應(yīng)的前輪初始偏角。

5 結(jié)論

通過理論分析和設(shè)計構(gòu)想，設(shè)計并制作了S形轉(zhuǎn)向的無碳小車，對無碳小車的改進(jìn)設(shè)計，解決了初始設(shè)計中存在的諸多問題，實(shí)現(xiàn)了小車轉(zhuǎn)向時保持設(shè)計要求的S形運(yùn)動軌跡。關(guān)鍵技術(shù)主要在于以下4個方面：

1、為了避免能量損失和牽引線、支撐桿干涉，牽引線不能過大斜置；

2、為了保證實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動軌跡，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時一定要穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)向輪與地面的接觸面積越小越好；

3、為了保證小車的轉(zhuǎn)向要精確平穩(wěn)，須將轉(zhuǎn)向軸的軸線、前輪的軸線平行于改進(jìn)方案中的驅(qū)動軸，并且垂直于前輪套側(cè)壁；

4、小車加工尺寸設(shè)計，要考慮加工單位能達(dá)到的加工精度，盡量在保證性能的前提下降低加工精度。

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