“S”型無碳小車的設計

徐軍委 安春橋 何璇 謝鑫

摘 要：第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求自主設計并制造一種并具有方向控制功能的自行小車，并能實現避障功能。本文針對這一要求，設計了一種以曲柄雙滑槽機構作為轉向機構實現轉向功能的無碳小車。本文主要從能量轉換、傳動結構、轉向結構三部分對該小車進行介紹，并給出了無碳小車傳動比、尺寸等參數。

關鍵詞：無碳小車;結構設計;曲柄雙滑槽機構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.018

0 引言

根據第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的要求，參賽選手要自主設計一種具有方向控制功能的自行小車，要求其行走過程中完成所有動作所需的能量均由給定重力勢能轉換而得，不可以使用任何其他來源的能量。本文則根據大賽要求設計一種帶有曲柄雙滑槽機構的S型無碳小車，相比帶有曲柄搖桿機構的小車，參數計算更加簡單。

1 小車結構設計

如圖1所示，小車結構為三輪結構，前輪為轉向輪，為減少行進阻力，后輪采用一輪驅動，一輪隨動的形式。設計的小車要能夠在圖2所示指定賽道上按照類似路線繞障行駛，障礙物的間距為。

1.1 能量轉換部分

為了使重錘的重力勢能能有效地轉化為小車的動能，采用定滑輪結構。使用細繩，使細繩一端固定在重錘上，另一端纏繞在繞線軸上，重錘下落帶動繞線軸轉動，再通過傳動機構驅動后輪轉動，實現小車前進。由于小車行駛前的靜摩擦大于行駛中的動摩擦，需要給予小車一個較大的啟動轉矩，而穩定行駛過程則需要較小的轉矩，故啟動時細線所繞直徑取20mm，穩定行駛時細線所繞直徑取8mm，繞線軸三維模型圖如下圖3所示：

1.2 傳動部分

小車通過一級齒輪傳動驅動后輪軸轉動，實現小車前行。齒輪傳動比需選擇合適，傳動比過大則小車難啟動，過小將導致小車行進速度過快，不穩定且傳動效率低。經初步計算，選取傳動比為，齒輪模數為，大齒輪齒數，小齒輪齒數。

設定小車的運行軌跡方程為，根據光滑曲線定積分公式：

式中，得到一個周期內小車行駛距離為，一個周期內后輪轉動圈數為圈，故后輪直徑，取后輪直徑為。偏差部分利用后面轉向機構的調節齒輪來彌補。

1.3 轉向部分

為減少計算量，轉向部分利用曲柄雙滑槽機構控制轉向。轉向部分包括調節齒輪、偏心槽、豎滑槽、導向軸、關節軸承、直線軸承、固定夾塊和轉向軸等。偏心槽的旋轉運動帶動豎滑槽和導向軸的平移，它們的平移運動又通過關節軸承帶動轉向軸的偏轉從而實現轉向。圖4即為轉向機構的三維模型示意圖。

其中調節齒輪的作用是保證小車行進一個周期的同時前輪剛好左右擺動一個周期。根據所取后輪直徑，小車行進一個周期長度時，后輪軸上的小齒輪轉動5圈，繞線軸上的大齒輪和下調節齒輪轉動0.9圈。又上調節齒輪需轉動1圈，故上、下調節齒輪的傳動比為1：1.11，利用UG建立三維裝配模型，最終確定上、下調節齒輪的模數，齒數分別為，。

該機構通過調節偏心槽中連桿的偏心量來改變小車行駛幅度，導向軸兩端分別為左旋螺栓和右旋關節軸承，通過調節導向軸部分來保證小車行進路線的軸線為直線。該機構的優點就是便于拆裝和調試，可調性好，裝配精度高。

1.4 其余結構參數

用UG對小車進行建模和虛擬裝配，確定小車底板尺寸為，底板距地面距離為，前輪直徑。

2 小車結構優化

為減輕小車重量以降低行進阻力，無碳小車所用齒輪、底板和軸承座均采用較輕的鋁合金材料加工，并將小車后輪、底板多處鏤空以減輕重量。另外為降低小車重心，在地板上開齒輪槽，調整結構可降低大齒輪和上、下調節齒輪距地面的高度，使小車行進更平穩。圖5為小車整體結構示意圖。

3 結語

本文設計的無碳小車符合大賽要求，完全依靠重塊的重力勢能驅動，結構緊湊，整體質量較輕，重心低，行駛平穩。選用曲柄雙滑槽機構作為小車的轉向機構，結構參數設計較簡單，能有效保證小車按規定路線行走。不足之處為尺寸設計存在一定偏差，對后面的裝配調試有一定影響。

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作者簡介：徐軍委（1997-），男，河南商丘人，本科，研究方向：機械結構設計與創新。