“8”字型无碳小车的结构设计与实现

张金玲　肖坤　边普阳　赵宏宇　曹伟龙

摘 要： 为提高在校本科生动手能力、工程实践能力，培养学生创新意识及团队协作精神，我校特举办大学生工程训练综合能力竞赛，该赛事的主题是“无碳小车”，针对竞赛项目，在充分领悟命题要求的基础上，着重方案选择和结构设计两方面阐述了“8”字型无碳小车的设计与实现，通过小车的设计、制作、安装与调试，强化了学生的工程训练效果，发挥了学生的潜力，综合体现大学生机械创新设计能力、制造工艺能力、实际动手能力、工程管理能力和团队合作能力。

关键词： 无碳小车； 方案设计； 结构设计； 创新意识

中图分类号： TH 122 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）03-0069-04

0 引 言

全国大学生工程训练综合能力竞赛，是2009年由教育部高等教育司举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，是国家“本科教学质量与教学改革工程”资助赛事之一，也是教育部主办的最具影响力的竞赛之一。该赛事的竞赛主题是无碳小车越障竞赛，竞赛命题是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行装置，我校为提高在校本科生动手能力、工程实践能力，培养学生创新意识及团队协作精神，也积极加入无碳小车竞赛中来，根据国赛命题要求，结合本校工程训练中心及学生自身情况，举办了哈尔滨理工大学第一届无碳小车综合能力竞赛，竞赛命题要求参赛者设计一种小车，利用给定势能而不能使用其他能源，根据能量转换原理来驱动和控制小车行走，小车应具有转向和微调机构，三轮着地。竞赛项目分为“S”型赛道场地常规赛和“8”字型赛道场地常规赛两种，在这里着重介绍“8”字型无碳小车的结构设计与实现。

1 小车设计流程

小车的设计是提高小车性能的关键。通过对命题的分析，根据自己所选参赛项目从而确定小车的结构，同时还应综合考虑小车材料的选择、加工方法的确定以及制造成本等多方面因素，力求做到简单实用，既规范又具创新。在参数设计方面，我们借鉴了参数化设计 、优化设计 、系统设计等现代设计发明理论方法；采用了MATLAB、PROE等软件辅助设计，图1为小车的设计流程。

2 方案设计

由于我们参加的是“8”字型常规赛，根据小车所要完成的功能，以及绕过障碍的间距，从而确定车体的大小、零部件的选择。为了设计方便我们进行了模块化设计，根据小车各部分所实现的功能具体划分为：车底板、能量转换机构、转向机构、传动机构、驱动机构、微调机构六个部分，为了达到清晰明了的效果，将每一模块的多种可行方案均一一例举出来，便于设计者分析、比较、权衡利弊，从而确定最佳可行方案。设计时始终应坚持的原则：车重心要低；结构尽量简单；传动件数少；质量小；振动小；操作、调整方便灵活[1]。图2为方案设计框图。通过对设计方案的对比、分析，最终确定小车每一模块的具体实施方案。

3 加工制作

3.1 车底板

车底板因不需承受很大的力，精度要求不是很高，考虑到加工方便、质量轻、成本低等因素，决定用δ=4mm铝合金薄板加工制作三角形式底板。可以利用铝合金板的边角废料，节约且易加工，如图3所示。

3.2 能量转换机构

能量转换机构是将重块的重力势能转化为小车的驱动力，即势能转换动能。为实现这一功能在此结构中应具有让重块保持一定高度的支架以及重块带动车体的连接部件滑轮、绕线轮等，考虑到立柱在满足一定强度的基础上，尽可能的轻，我选用铝合金材料，起初用单根立柱来固定重块，但发现小车在行驶过程中，重块晃动过大，极易造成翻车现象，后来采用三根立柱但要注意控制好三根立柱的间距，因为立柱之间间距过大，重块同样会剧烈晃动，通过多次的改进最终立柱采用的是三根角铝，既轻便又稳固达到预期效果。至于滑轮是选动滑轮还是定滑轮，应根据车体的重量来确定，如果车体较轻选用动滑轮比较好，在重块下降同样高度的情况下，动滑轮使小车前进的更远，如果车体较重，小车不易起动，那最好采用定滑轮，定滑轮不仅稳定且易改变力的方向，由于车体及车轮均采用铝合金板而不是材质较轻的雅格利板、碳板，故选用了定滑轮。图4为能量转换机构。

图4中，针对小车在行走过程中由于惯性会出现越来越快，从而造成小车失控跑偏或翻车现象，绕线轮采用锥形结构，可以通过改变绕线的位置来实现输出不同驱动力，避免行走结束时对小车过大的冲击。

3.3 转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，尤其“8”字型小车对转向要求更加严格。能实现转向控制的机构通常有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等几种方式。通过实际对比分析，可知凸轮机构虽然结构简单、紧凑，但轮廓轨迹计算、加工等难度较大，曲柄连杆+摇杆结构，工作原理简单易懂，零件设计、加工均易实现，故我们小车采用该种转向机构，曲柄与连杆的结合能够将旋转运动转化为满足要求的直线往复运动，从而推动摇杆带动转向轮做周期性左右转动来实现拐弯避障功能，为减少紧固连接造成的摩擦耗能，或因部件之间间隙过大产生的控制误差，在连杆两端使用了万向节，万向节具有转向灵活，结构紧凑是标准件可购买，既提高控制转向精度又降低了小车成本，此转向机构具有简单易加工、成本低，调节稳定等优点。转向机构如图5所示。

图5中，采用计算机建模与仿真技术，借助于Pro/E软件建立一种运动机构的参数化实体模型，通过对简化模型的灵敏度分析确定满足无碳小车运动要求的基本结构参数，并基于这些参数进行具体的机构设计，通过运动学仿真与数学分析计算的交互设计[2]。

3.4 传动机构

传动机构的优劣直接决定了小车的性能，能量是否充分利用，转向是否精确皆取决于此。传动机构通常采用以下几种传动方式：①直接由动力轴驱动轮子和转向机构而不需要其他传动装置，这样结构虽简单能量损失小，但小车行驶距离太短；②皮带传动，虽传动平稳易调节，但容易出现打滑丢转现象。③齿轮传动，是目前应用最广的传动方式之一，它具有结构紧凑、可靠性好、效率高、传动稳定等特点，因此传动机构选择了一级齿轮传动，在齿轮材质的选择上，考虑到金属齿轮质量太重且价格较高不宜采用，塑料齿轮材质轻、价格便宜、规格齐全是我们优先选择的对象，对于小车所需齿轮强度要求不高的情况，也可用3D打印件，成本会更加低廉，小车传动机构如图6所示。

3.5 驱动机构

小车具有三轮结构，即两个后车轮加一个转向轮，小车的驱动是通过重块下降的势能通过绕线轮转化为动能后，驱动小车后轮和转向轮，从而实现小车行走。对于后轮可以采用双轮同步驱动，单轮驱动，双轮差速驱动等几种方式。当采用双轮同步驱动时，由于小车是沿着“8”字曲线前进的，左右两侧轮子所走过的距离不同、速度不同，必定造成有一轮子与地面打滑，那么小车行驶的轨迹就不确定了无法实现小车的绕障功能。当采用单轮驱动时，即一侧轮子装有轴承作为从动轮；另一侧轮子固定锁紧作为驱动轮，当小车行走时通过转向控制机构，驱动轮与转向轮行车轨迹一致，从动轮与驱动轮间的差速则需依靠与地面的运动约束来确定，虽然单向轴承能够解决小车曲线行走造成的差速问题，但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确。通过建立无碳小车的Admas模型，并多次修改前轮位置，得到机架质心的运动轨迹，结果表明，前轮与驱动轮共面更有利于无碳小车机架质心轨迹的直线度[3]。最好的驱动方式应该是双轮差速驱动，装有差速器的小车既能满足运动轨迹要求，又能使摩擦损耗降至最小，但市场上很难买到我们所需规格的差速器，我们的小车装有自制的简易差速器，即将两车轮之间的轴断开，中间装有带滚珠的轴承，再车两个固定件，将断开的轴通过固定件与中间滚珠轴承相连接，即可实现一侧轮子向前时，而另一侧轮子向后，在小车曲线前进时实现差速效果。

3.6 微调机构

微调机构属于小车的控制部分，通过微调机构的调节可以修正小车行走轨迹。我们确定了小车转向机构采用曲柄、连杆+摇杆方案，连杆两端各装有一个万向节，通过螺纹连接使连杆长度可调，实现对小车运行轨迹的控制。连杆与曲柄安装位置可调，连杆与摇杆通过螺栓相连，通过螺栓在摇杆上滑动实现小车摆角大小。由于万向节的使用实现了连杆与曲柄、摇杆无间隙连接，但由于各部件加工误差和装配误差，在实际调试过程中，还需反复调整，总结出自己的发车规律。微调机构如图7所示。

3.7 小车实体模型

通过设计方案的对比分析与结构上的优化，这里成功研制出结构简单适用的“8”字型无碳小车，图8为基于Pro/E的“8”字型无碳小车整体外观模型。

4 结束语

在无碳小车的设计、建模、运动仿真、制作及调试等环节中，经过反复探索，不断前进，最终小车的实际效果基本达到了预期目标。在这个过程中不仅提高了学生的专业技能，更重要的是锻炼了学生的动手能力，懂得了团队合作的重要性。并且体会到工程设计中不能只注重理论而忽视实践，理论与实践之间往往存在一定的差距。要将所学的专业理论知识融入到实践中，在零件的制作过程中，车、钳、铣等加工方法用到的最为普遍，同时也涉及到工序编排等问题，有时因结构需要、材料限制等客观因素，还采用3D打印技术来完成工件加工，通过亲身体验机械设计及制造过程，培养了学生创新意识、提高了工程实践能力。

参考文献：

[1] 戴海燕，蔡锴文，吴鈅烺，邹伟辉. 基于工程训练的无碳小车的设计[J]. 汽车零部件，2014（11）：26-27.

[2] 徐岩. 基于工程训练大赛作品无碳小车进行实物仿真的研究[J]. 现代企业教育，2011（21）：5.

[3] 胡增，何国旗，王政，等. 基于Admas软件的单轮驱动无碳小车车轮布局设计[J]. 湖南工业大学学报，2013，27（4）：53-56.

（责任编辑：徐兴华）