基于“S”型重力小車的設計與調試

焦林峰 程章磊 劉丹

摘 ? 要：根據第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題要求，設計一種通過重力勢能轉化為動能的無碳小車，輔以轉向機構、可調機構使小車實現“S”型軌跡且不等樁距的繞樁功能。為使小車的運行最佳化，在理論設計的基礎上，采用控制變量的方式，經過實際測驗，解決小車軌跡問題，并在其中找到調試方法以及小車的軌跡規律。根據實驗得出小車最佳調試數據，使小車軌跡達到最佳。

關鍵詞：結構設計 ?軌跡調試 ?控制變量 ?數據測驗

中圖分類號：TH12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0079-04

Abstract： According to the the 6th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition， a carbon-free car transformed into kinetic energy by gravity potential energy is designed， supplemented by a steering mechanism and an adjustable mechanism to make the car realize the "S"-type trajectory and the pile-pile function of the pile distance. In order to optimize the operation of the car， on the basis of the theoretical design， the control variables are used to solve the trolley trajectory problem through actual tests， and the debugging method and the trajectory law of the trolley are found in it. According to the experiment， the best debugging data of the car is obtained， so that the trolley track is optimized.

Key Words：Physical design; Track debugging; Control variable; Data testing

1 ?設計及調試背景

根據第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽關于S形軌跡的命題要求，自主設計并完成制作了以重力勢能驅動的具有方向控制功能的小車。競賽要求小車在指定賽道上實現避障行駛，且障礙物的距離在一定范圍內隨機調整，以小車成功繞繞障數量和前行的距離來評定成績。因此在制作小車各部件前，需要對小車進行合理的理論設計，借助MATLAB對其軌跡進行仿真計算，針對仿真出現的問題，對結構進行優化。在制作出小車實物后，需對小車進行運行調試，對結構進行進一步的改善。

2 ?結構設計

實現S形軌跡無碳小車有多種結構設計方案，基本原則是結構合理，調節簡單，易于拆裝，便于調節，精度高。在設計時，首先查閱了相關資料及之前比賽的小車發表的相關論文，進行各部件的三維設計。在制作并組裝實物小車后，對小車進行運行調試，針對運行過程中出現的問題，不斷修改并完善小車零件，最后得到結構合理的小車實物。無碳小車的主要結構有原動機構、傳動機構、轉向機構，微調機構。

2.1 原動機構

原動機構是將砝碼的重力勢能通過繩子傳遞轉化為小車的動能。如圖1 所示，這一部分采用了階梯型的雙聯輪結構，降低了能量傳遞過程中的能耗損失，繞線繩一端連接雙聯輪，一端連接繞線軸，在重物下降的過程中，帶動繞線軸的轉動，實現了能量轉換。繞線軸的直徑大小能直接對驅動力矩的大小、小車的前行速度產生影響，由此在繞線軸上加工有錐型槽，如圖2所示。

2.2 傳動機構

由于小車的驅動力較小，因此傳動部分采用了兩級齒輪傳動。如圖3所示，傳動機構的傳動路線分為兩條，路線一，砝碼1下落將動力通過雙聯輪12傳遞給繞線軸2，繞線軸2通過齒輪5傳遞給齒輪4，齒輪4與后輪6同軸，實現后輪轉動驅使小車前進;線路二，繞線軸2通過齒輪7傳遞給齒輪8帶動曲柄做回轉運動，曲柄帶動連桿9驅使搖桿10帶動前輪11實現轉彎。

2.3 轉向機構

轉向機構是小車得以實現轉向功能的關鍵部分，也是對小車實現周期性運動的保證。如圖4所示，小車采用了空間曲柄連桿機構實現前輪轉向，即通過曲柄旋轉，帶動連桿推動搖桿前后運動，從而使前輪實現左右周期性的轉動。曲柄旋轉一周，小車完成一個S形周期。

通過調整連桿和搖桿長度以及連桿和曲柄的連接孔位，使無碳小車一個周期的直線行駛距離近似達到2m。

2.4 可調機構

如圖5所示，微分筒通過螺釘與連桿相連，實現桿長的微調，連桿長度控制小車的整體運行方向，根據小車的實際運行情況進行微調。如圖5所示，曲柄加工有四個距中心不同距離的孔，調整孔距可控制小車的行駛周期，樁距越大，所需周期越短，峰值越大。

3 ?小車軌跡調試

3.1 發車位置對軌跡的影響

小車發車時，使小車的前輪處于最大拐角處，改變小車距離賽道中線的距離小車軌跡為近似于余弦函數：

y=Acos（ωt+Ф）

軌跡呈現圍繞x軸及相當于x軸上下周期式震蕩，如圖7所示。

3.1.1 發車方式的確定

將小車垂直于發車線，通過發車板使小車保持與發車線垂直，前輪處于最大的擺角處，改變小車距離賽道中線距離，從而改變小車軌跡。

3.1.2 發車方案

將小車放置于賽道中線右側時，小車前輪應置于左拐最大角度a看，如圖9所示。理論上增加或減少小車與賽道中線距離，小車軌跡形狀不會改變，但小車軌跡整體會向賽道左或右側移動，如圖10所示。

3.1.3 實測階段

通過改變小車中心距離中心線的距離，測得以下數據，每改變5mm的距離，數據記錄如表1所示。

3.1.4 實驗結果

由多次實驗表明以及實際繞樁情況顯示，當小車發車距離為455mm時，小車的軌跡所能繞過的樁數最多。

3.2 曲柄孔距改變小車軌跡變化

3.2.1 實驗方法

對應不同樁距，發車距離確定后，改變小車轉向機構中的曲柄相關連接孔的孔距，這就相當于改變曲柄的長度，從而改變小車的軌跡，如圖11所示，曲柄長度越長，行駛周期和峰值越大，反之越小。

3.2.2 實驗結果

實驗數據如表2所示。根據實際的繞樁情況，當樁距為正極限或者負極限時，選擇24.5mm的孔距;當樁距為中間樁距時，選擇24mm的孔距。

3.3 搖桿長度改變小車軌跡變化

在不改變其他數據的情況下，搖桿長度的變化所反映到軌跡上是使其周期發生改變。小車軌跡為一個類似三角函數的曲線，改變搖桿長度會使軌跡的周期變長或縮短，也就近似于改變y=Acos（ωt+Ф）中的ω值。

3.3.1 實驗方法

設計過程中通過增加或減少位于搖桿和桿端軸承連接處的墊片數量，用以改變搖桿長度，進而調整小車軌跡的周期長度。為驗證搖桿調整機構的有效性，通過增加墊片數量，測量小車軌跡的周期長度以及峰值數據。

3.3.2 實驗結果

所測數據如表3所示，隨著墊片數量的增加，小車軌跡周期也隨之增加，增加了撞樁的風險。而減少墊片會使軌跡峰值增加，進而增加了行駛距離同時減少了繞樁數量，如圖12所示。結果表明，當墊片數為1時，小車繞樁數最多。

3.4 連桿長度改變小車軌跡變化

在不改變其他數據的情況下，連桿長度的變化所反映到車軌跡上的變化是使小車軌跡整體發生旋轉。改變連桿的長度會使軌跡的整體方向在原有基礎上向左偏或是向右偏。

3.4.1 實驗方法

在設計時，通過在連桿處增加微調機構來改變連桿總長度，進而調節減小軌跡的整體偏移現象。為驗證微調機構的有效性，通過改變微分筒數值，測量小車繞樁數以及記錄軌跡是否發生整體偏移現象。所測數據如表4所示。

3.4.2 實驗結果

由多次實驗數據顯示，減少連桿長度，小車發生整體左偏現象，并且隨著讀數的減小，小車左偏現象越發嚴重。增加連桿長度，小車軌跡整體右偏，如圖13所示。當微分筒長度為2.91mm時，小車繞樁情況最佳，滿足設計需求。

4 ?結語

綜合以上分析，通過控制變量法改變曲柄孔距、搖桿長度以及連桿長度，經過實際測驗，分析了小車軌跡產生改變的原因，解決了在行進過程中小車軌跡難以調整這一復雜問題。按筆者設計的無碳小車，獲得了全國大學生工程訓練綜合能力競賽湖北賽區第二名，全國決賽一等獎的好成績。

參考文獻

[1] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.

[2] 劉鴻文.材料力學1[M].6版.北京：高等教育出版社，2017.

[3] 劉鴻文.材料力學2[M].6版：高等教育出版社，2017.

[4] 哈爾濱工業大學理論力學研究室.理論力學1[M].8版.北京：高等教育出版社，2016.

[5] 哈爾濱工業大學理論力學研究室.理論力學2[M].8版.北京：高等教育出版社，2016.

[6] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，1997.

[7] 王建軍，朱海龍，尹洪友.無碳小車8字轉向機構設計[J].機械制造，2014，52（6）：17-19.

[8] 張杰，譚晨佼，朱建鑫，等.基于工程訓練的無碳小車“變距行走”的創新優化設計[J].機械，2016（2）：26-28.

[9] 李立成，徐漫琳，柯昌輔.S型無碳小車結構設計[J].機械研究與應用，2015，28（3）：152-154.