基于重力勢能驅動S環形小車設計與制作

姜國振 ， 宋敬敬 ， 劉鈺杰 ， 杜 坡 ， 毛 力

（1.沈陽工業大學工程實訓中心，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽市汽車工程學校，遼寧 沈陽 110122）

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是一項為了提升大學生工程創新意識、實踐能力和團隊合作精神，深化實驗教育教學改革，促進創新人才培養而開展的一項公益性科技創新競賽。根據競賽要求，需要設計制作出一種能夠在有限能量的條件下沿著由直線段和圓弧段組合而成的一封閉環形賽道軌跡行走的小車，并能夠繞過前方的障礙物。S環形賽道示意圖，如圖1所示。小車行走過程中必須在指定競賽場地上與地面接觸運行，且完成所有動作所用能量均由重力勢能轉換而得，不允許使用任何其他形式的能量。

圖1 S環形賽道示意圖

1 重力勢能驅動車各機構設計

重力勢能驅動S環形小車的結構設計主要包括原動機構、傳動機構、轉向機構、微調機構等部分。在設計過程中各個機構的布局要合理，防止機構之間干涉，在設計初期要有整體觀念，確保機構組裝時的相對位置準確。同時，要提出多個方案用于篩選，進行比較與選優，學會規劃與決策。零件加工時要確保尺寸配合的精度，便于后期組裝和調試。在初始階段小車的調試結果會與理想狀態有較大偏差，需要確定精準的轉向機構與微調機構相配合[1-3]。

1.1 原動機構

原動機構是一種將重錘的重力勢能轉化動能的機構，考慮到實用性，原動機構采用塔輪式纏線輪，能夠逐步改變傳遞力矩，克服摩擦力，適應不同的場地[4]。與此同時，小車在實際運動過程中還應滿足下列要求：

1）小車在運動過程中速度不能太快，啟動過快會使小車發生側滑，嚴重時會在拐彎處側翻，影響正常的行進。發車時小車相對于地板由靜摩擦變為滑動摩擦，初始力矩應該較大，以便于小車的啟動，因此，逐步減小驅動力矩能有效控制小車速度。

2）小車在前進的過程中，根據能量守恒定理，要確保重錘的重力勢能盡可能多地轉化成小車的動能，采用二級齒輪傳動方式，提高能量的利用率，較其他傳動方式而言，此傳動效率最高且傳遞運動較為精準。

3）在小車行駛后期，由于重心降低，小車行駛更加平穩，需要控制速度。通過塔輪式纏線輪在小車行駛最后階段的纏線直徑保持不變來控制速度。

根據小車在實際運動過程中的要求，本設計的原動機構簡圖如圖2所示。工作原理是將重錘1系在柔性線繩上，提升重錘到指定高度，柔性線繩繞在繞線輪2上，再向下系在車體下部的主動輪上，足夠長的柔性線繩纏繞著主動輪，使柔性線繩繃緊。然后重錘在重力作用下自行下落，系在重錘上的柔性線繩通過重錘及飛輪改變拉力的方向，柔性線繩的另一端系在塔輪式纏線輪3上，塔輪式纏線輪與主動輪同軸安裝，帶動主動輪轉動，與之同軸的齒輪也一起轉動，繼而實現車體整體移動。

圖2 原動機構簡圖

1.2 傳動機構

傳動機構將原動機構轉化的驅動力傳遞給轉向輪和驅動輪，控制勢能小車的行走和轉向。傳動機構的精度和傳遞效率將直接影響勢能小車的運動軌跡和小車運動距離，所以設計的傳動機構應具有機構簡單、傳動穩定、效率高、質量輕等特點。本研究設計的無碳小車采用二級齒輪傳動機構，相比于其他傳動方式而言，具有工作可靠、瞬時傳動比為常量、傳動效率高、結構緊湊、傳動效率最高且傳遞運動準確等優點。傳動機構運動簡圖如圖3所示，根據無碳小車運行軌跡速度要求傳動比設計如下。

圖3 傳動機構運動簡圖

齒輪一級傳動比：

齒輪二級傳動比：

取后主動輪直徑D=180 mm，則當主動輪旋轉一周時，小車前進的路程：

小車最大理論行走長度：

各級轉矩及摩擦力矩分析：

總的啟動力矩：

式中，N——主動輪總轉數，M1——上繞線軸轉矩，d1——上繞線軸直徑，d2——上繞線輪直徑，Mf——后輪摩擦力矩。

根據上述公式，求得M1=0.784 N·m，Mf=0.118 N·m，M0=0.39 N·m。

1.3 轉向機構

轉向機構是無碳小車設計過程中核心的關鍵部件，特別是轉向機構中凸輪形狀的設計，它直接決定小車的行走軌跡。轉向機構需要盡可能減少摩擦消耗的能量，應具有能使小車按照預先設計的軌跡行走特性[5-7]。

根據無碳小車行走軌跡要求，由于小車按照嚴格的軌跡運行，需要確定的位移、速度、加速度等。本設計采取凸輪加推桿轉向機構設計，將槽形凸輪的旋轉運動轉化為滑塊的周期性水平直線運動，再利用滑塊上的擺桿帶動轉向輪擺動，從而帶動轉向輪左右擺動，使小車自動避開障礙物走S環形路線。根據車體前輪轉向規律，確定凸輪基圓的尺寸、偏心距等。按照小車運行時的速度及平穩性合理設計加速度與減速度，避免運行過程中出現剛性沖擊。小車的行走軌跡呈現正弦周期性變化，為保證小車在行走的過程中避開障礙物，實現常規S形軌跡，將前輪擺桿與小車曲柄滑塊機構通過線性導軌連接，小車前行時曲柄勻速轉動，曲柄上的連桿推動，將動力傳遞至擺桿，從而實現小車左右轉向。

設計槽型凸輪時，根據小車的運行軌跡，自主躲避障礙樁。將小車運行路徑細分為無數個點的構成，細分為N個點，每相鄰兩個點的連線，對應凸輪上相應的凸輪形狀。當經過點N1到點N2兩點連線路徑時，設驅動輪速度為v，小車走過路程為s，小車完成整圈時路程為S總。根據車體傳動機構可知：

φ為小車前輪轉動角度，B為槽型凸輪到前輪的水平距離，u為微調滑塊前后位移。以下為凸輪相對應轉過角度：

設小車前輪半徑為R1，后主動輪半徑為R2，后從動輪半徑為R3。各小車輪半徑與偏轉角度關系如下：

式中，L為驅動軸之間的縱向距。

通過SolidWorks中motion功能進行運動仿真，用MATLAB進行對比驗證分析，仿真軌跡圖如圖4所示，凸輪外輪廓三維圖、實物圖如圖5、圖6所示。

圖4 小車凸輪仿真軌跡圖

圖5 小車凸輪三維零件圖

圖6 小車凸輪實物圖

1.4 微調機構

無碳小車運行軌跡對于零件的加工和裝配誤差很敏感，因此需要增加微調機構，對機構產生的誤差進行修正。根據螺釘旋轉一周為一個導程結構的特點，本設計主要采用微調螺釘實現各部件相對位置的微調。微調機構在水平、豎直方向上均有設計。此外，微調機構還可以調整轉向模板的角度，以此使無碳小車的實際運行軌跡和理論設計軌跡更加吻合，來修調與補償小車運行時的偏差，使重力勢能小車適應變樁距的要求，微調機構設計如圖7所示，實物如圖8所示。

圖7 微調機構設計圖

圖8 微調機構實物圖

設計規程中，考慮實用性、創新性、可實施性、制造成本等因素，經過參數化設計、優化設計、實驗仿真最終制作小車的成品，整車三維設計圖及實物圖如圖9、圖10所示。

圖9 車體三維設計圖

圖10 小車實物圖

2 結構創新

1）由于能量一定，所以對小車的質量要求比較高。在保證功能的條件下盡量減少小車重量。小車支撐桿使用碳纖維管制作，強度與功能性較好。重錘下落時高度較大，為防止重錘出現擺動情況，用支撐桿固定，保證穩定性[8]。

2）小車在材料選擇上，支撐桿、后支撐座、前支撐座、前叉、塔輪式纏線輪及部分齒輪使用3D光敏樹脂打印，成型精度高，成型速度快，節省了大量人力與物力。

3）由于小車啟動時需要足夠大的啟動力矩，克服與地面之間的摩擦力正常啟動，塔輪式纏線輪設計成變徑輪，目的是根據不同的啟動情況，及時調節繞線啟動位置。

4）根據小車運行軌跡兩邊對稱，采用槽型凸輪，利用凸輪的形鎖合，凸輪轉動的同時，推動曲柄滑塊機構。線性模組安裝在固定支架上，推桿可以在滑塊上自由移動，而且滑塊位置在一定范圍內可調。推桿推動轉向機構，由于要適應變樁距及加工、裝配等因素，轉向機構中設計橫向與縱向可調微螺桿。

3 總結

基于重力勢能驅動的S環形小車，在設計過程中各個機構的布局要合理，防止機構之間干涉，在設計初期要有整體觀念，確保在機構組裝時的相對位置準確；同時，要提出多個方案用于篩選，進行比較與選優，學會規劃與決策。兩級齒輪傳動，保證運行中的穩定性與準確性。轉向機構保證車體按照預定軌跡運行，微調機構具備可調節功能，可適應不同樁距，彌補相應零部件加工與裝配誤差[9-10]。零件加工時一定要確保尺寸配合的精度，如果零件的尺寸偏差過大，會對與之配合的零件造成影響，因此對加工中的各個步驟過程都要嚴格要求，保證產品的合格率，要有嚴謹的態度，認真對待制造過程中的每一步。組裝和調試時，初始階段小車的調試結果會與理想狀態有較大偏差，要調整到預定軌跡需要花費較多時間，要有持之以恒的精神。