S形轉向運動無碳小車改進研究

李烽 賴迎春 魏正陽

摘?要：近幾年來無碳小車在我國各個地區甚至是全國的大型比賽當中都有涉及到。在本次研究中針對S形無碳小車初始設計的問題提出相應的改進對策，旨在幫助優化其性能，可以發揮更大的作用。

關鍵詞：S形轉向運動;無碳小車;初始設計;改進

無碳小車在機械設計比賽當中是比較常見的，其設計需要滿足相關的條件[1]。如三輪結構，具有方向控制功能，轉向控制功能等，實現結構的快速更換以及功能的快速調節。關于S形轉向運動無碳小車在設計中存在的問題需要提出相應的優化對策給予改進。

1?初始設計方法分析

1.1?驅動結構的設計分析

小車在遇到障礙物時需要完成轉向。當汽車轉彎行駛過程中后軸外側移動的距離必然比內側輪移動距離更大，為了避免出現車輪脫滑的問題，車輪要實現輪速的不同。無碳小車采用單輪驅動的方法，斷開兩輪驅動軸，左后輪將其設計成驅動結構，右后輪設計成從動輪的模式，把軸承直接嵌入到主動輪的軸內孔當中，在轉動時確保這兩輪之間不會互相干涉。

驅動軸設計是無碳小車動力裝置的保障，在小車啟動的過程中，靜摩擦力比動摩擦力更大，小車需要更大力矩，力矩M公式可以表示為：M=Gr1=mgr1，在這個公式當中，質量為m，重力加速度用g表示，驅動軸的半徑用r1來表示。把驅動軸和輪設計成為一體，后輪也可以得到一個專門的轉動力矩M，公式為：M=F0r2，小車后輪半徑采用r2表示，后輪等效力采用F0來表示。在小車啟動當中，右后輪以及前轉向輪所受到的總靜摩擦力可以采用Ff1來進行表示。下圖為設計的無碳小車驅動力情況：

無碳小車驅動力情況分析圖

1.2?轉向結構設計分析

小車導向輪設計為是前輪，前輪自動轉向功能的實現是借助于連桿機構[2]。在設計中的齒輪副結構是下邊為大齒輪，上邊為小齒輪。連接桿的長度調節可以通過螺紋副來實現，使調節的精度得到大大提升，也讓轉向機構變得更加方便和簡單。轉向軸承可以直接在市場上購買，屬于標準件。

1.3?載物架的設計分析

車身需要全部承受重物從載物架支撐桿400mm左右的高度降落帶來的沖力。只需要考慮支撐桿的相關位置。小車支撐桿具體表現為一前一后兩種螺紋桿，和小車的載物架底板以及車身構成比較完整的螺紋副。

1.4?車身結構的設計分析

研究中提到的小車，其車身就是來承受力和力矩。所以，為了可以實現這一目標，可以把車身設計成粗軸的方式，然后再打孔。

2?優化設計方法分析

在按照最初的方案設計以及制作完成小車之后，在小車具體的使用當中卻出現了一些問題。針對在S型無碳小車運行中出現的問題，基于原本設計方案提出相應的優化改進對策。

2.1?針對前輪運行不穩優化方法

在分析初始設計當中的轉向部分內容是，發現是因為太過于重視讓前輪自由轉向度提升沒有關注到轉向軸孔和轉向軸之間在孔隙方面的配合情況，使得前輪出現了運行不穩定的情況。針對這種問題，提出了以下優化方案;因為前輪所使用到的轉向軸屬于標準件，軸承的內徑尺寸不適合進行改變，相反比較容易加工的是小車的車身，所以在基于原方案的設計基礎上，在車身當中采用過盈配合的方式直接將一個軸承嵌入其中，幫助解決孔隙之前存在的配合不到位問題。

2.2?碳鋼重塊下降的速度過于快帶來問題

根據上文的分析內容可以發現，在本次研究中所設計的無碳小車，所此阿勇的齒輪減速方案是一級方案，齒輪速度的比例為1∶3.8，也就代表著大齒輪和小齒輪之間轉動的速度比例也是這個數據。但在實際運作的過程中和重塊相互連接以及牽引的線是和小齒輪軸所連接在一起的，使得碳鋼重塊以比較快速的方式下降。針對這一方面存在問題提出的改進對策與方案是：為了讓這個問題得到解決，需要把連接碳鋼重塊的牽引線轉移到大齒輪周上，同時還可以將大齒輪軸繞線的位置進行處置，讓其變成錐形樣子，這樣的措施都可以幫助重塊下降的速度得到進一步的緩解。

2.3?載物架的支撐軸和牽引線之間出現相互干涉問題

在初始的設計方案當中，在控制重物速度的過程中，采用了斜拉的方式，但是效果并不是十分明顯。而且還會出現載物架支撐軸與牽引線彼此之間相互干渉問題。與此同時，把重物支撐桿設計成等邊三角形的方式，再把它圍成一個空間，為Φ50mm，針對牽引線提出相關的空間。

針對這一問題提出的解決方式為，選擇大齒輪作為其中的驅動軸，在大齒輪軸的右端纏繞上牽引線。在這種情況下再了解驅動軸和后輪之間的半徑比例，公式如下：

r1r2=m1mη2（v2rg）2+f2

2.4?優化改進后的驗證結果

在對S型無碳小車的設計進行優化改進之后，需要再次開展相應的試驗，把小車放置在標準跑道上，可以借助于標準重物來給小車提供相關的動力。經過多次的試驗結果顯示，小車的運動軌跡與規定的運動軌跡相比吻合程度比較高。

綜上，結合理論方面的分析以及相關的設計構想，設計和制作專門的S型無碳小車。但是在初始設計中發現了一定的問題，又結合這些問題來提出優化改進方案，在優化之后讓小車可以達到最初設計的目標，按照S形的運動軌跡運作。

參考文獻：

[1]李浩.S形轉向運動無碳小車的改進設計[J].明日風尚，2017：11.

[2]鄧醒陽，王豪，張子悅，等.S型轉向運動無碳小車設計及調試[J].卷宗，2017（27）.