无碳小车设计研究

林剑锋　林伟青

摘 要：针对全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，要求设计一辆S型或者8字型无碳小车，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。文章主要分别介绍了无碳小车S型与8字型的异同点，使人们对无碳小车有更深入的了解。

关键词：无碳小车；8字型与S型区别；结构设计

1 8字型无碳小车

1.1 设计简图

8字型无碳小车以重力作为驱动力，具有自动转向功能。小车的综合性能以越障能力作为评优标准。设计的结构简图如图1所示

1.2 小车整体设计

8字型无碳小车结构是由原动机构、传动机构、转向机构和调节机构组成的。其中原动机构的动力是由重物下落时的重力势能转化而来；传动机构可以采用齿轮传动；转向机构是由曲柄摇杆结合不完全齿轮构成；调节机构则通过调节螺丝来完成。

1.3 加工制作

车底板因为不需要承受很大的压力，精度要求不是非常高，考虑到质量轻，并且加工方便以及成本低等因素，决定用铝合金薄板加工制作成三角形式底板。可以利用&=4mm铝合金板的边角废料，节约且易加工。

1.4 转向机构

转向机构是本小车的关键部分，尤其8字型小车要求十分严格。能实现转向控制的机构通常有：曲柄连杆+摇杆，曲柄摇杆，凸轮机构+摇杆和差速转弯等几种方式。通过实际对比分析可得出，凸轮机构虽然结构简单，紧凑，但轮廓轨迹加工和计算难度较大。而曲柄连杆+摇杆，其工作原理简单明了，加工和零件设计均易实现。该结构可将旋转运动转化为满足实际要求的往复直线运动，进而使得摇杆带动转向轮做周期性左右转动来实现拐弯避障功能。为了减少因紧固连接而造成的摩擦损耗，可以在连杆两段使用万向节。万向节转向灵活，机构紧凑可购买。既提高了转向精度又降低了成本，此转向机构具有结构易加工，成本低，调节稳定等优点。

1.5 动力转换机构

动力转换机构的功能是将重块的重力势能转化为主动轮的驱动力，从而把重力势能转换为小车前进的动能。其中简单易行的方案是：利用细线和定滑落机构，细线两段分别绕在卷筒上和栓在重锤上，而卷筒则固定在驱动轮轴上，使得重锤的重力可以转换为驱动轮上的扭矩，从而带动主动轮产生动力。其中卷筒的直径对车速及小车的稳定性起到至关重要的作用，适合的卷筒直径是保证小车匀速平稳地造成全程的前提。驱动轴带动安装在其两端的两个后轮旋转，从而驱动小车前进。如果两个后轮同时驱动的话，则当小车转弯的时候便会因差速问题导致小车的不稳定，容易引起侧翻。即采用与S型无碳小车相同的方法：单轮驱动。

1.6 传动机构的设计

8字型无碳小车驱动机构主要由绕线盘、重物、齿轮、定滑轮和钢丝绳等构成。根据机械原理相关方面知识可知，齿轮传动比较繁琐，原因是传动比设计是否恰当影响到小车转向机构的设计。通过实践与理论相结合的方式得出了以下可行方案：

二级齿轮传动方案，该方案利用重物下落带动阶梯轴上固定的主动齿轮，再带动安装在后轮轴上的齿轮，最后再带动第二级从动齿轮，将从动齿轮得到的能量转化为后轮驱动力。如图2所示。

1.7 驱动机构的设计

根据机械原理知识可知，齿轮的传递效率大约为98%，可以较好的提高能量利用率。为了让重物下落时的重力势能转化为小车前进的动能能量损失最少，我们可以选择以齿轮副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动。但是由于刚开始启动时，需要的力矩大，而在小车进入行使状态后，运动逐渐趋于平稳，此时需要的力矩较小，所以可以在滚筒轴上安装一个锥形滚筒。

2 S型无碳小车

2.1 设计简图

S型无碳小车的设计简图如图3所示。其运行轨迹为S型，要求小车具有自动转向功能，运行轨迹如图4所示。

2.2 运动轨迹分析

根据比赛规则，S型无碳小车必须越过不同间距的障碍物。通过分析对比可得出以下两种方案达到上述效果：

方案一：采用变传动比传动。其驱动和转向都设计为变传动比。优点是能够在不改变幅值的条件下改变小车的转向周期，在相同的周期内所走的路程较多，绕过障碍物的数目较多。缺点是变传动比结构比较复杂，加工难度大。改进的方案是采用分档变速和无极变速机构。

方案二：采用定传动比传动。其中驱动机构和传动机构都采用定传动比，仅仅通过改变转向的最大转角即可达到绕过不同间距障碍物的目的。其优点是机构比较简单，传动效率高。缺点是能够绕过障碍物的数目较少。

2.3 转向机构

S型无碳小车的轨迹为S型，应设计前轮导向。转向机构是设计该小车的关键部分，决定着小车的行走轨迹。其同样需要满足结构简单、加工难度低、减少摩擦损耗等条件，同时还必须具备特殊的运动性能：能够将主动轴的回转运动转化为摇杆的周期性摆动，从而带动转向车轮相对车身左右转向而实现S型运动轨迹。通过查阅资料可知能实现该功能的机构有：曲柄摇杆、曲柄连杆+摇杆、凸轮机构+摇杆以及差速转向。从机械相关资料可知，曲柄连杆机构简单且加工成本低，故应采用曲柄连杆机构作为小车的转向机构。如图5、6所示。

2.4 行走机构的设计

由于无碳小车是沿着S型轨迹曲线前进，那么后轮必定会产生差速问题。如果无碳小车采用的是双轮驱动机构，当小车在转弯时就会导致车身的不稳定，甚至侧翻，更加难以保证行走轨迹的精确性。为了解决差速问题，建议采用结构简便且耗能小的方法，即采用单轮驱动。意思是将从动轮轴上的一个后车轮作为驱动轮，其与从动轴建立旋转约束，以便于传递扭矩。而另一个后车轮则通过轴承套在轴上，不建立与从动轴的旋转约束，在前进过程中配合主动轮的转向能够自动调节速度，从而保证无碳小车在前进的过程中车身的稳定性，提高了运行轨迹的精确性。

2.5 微调机构

S型无碳小车的微调机构即对连杆长度和曲柄长度的调整。因为微调机构能够体现小车的柔性。其中连杆长度决定着转向轮左右转角的大小。而曲柄长度决定的是小车行驶的周期即桩距，曲柄的长度越长，绕装周期就越短，适应障碍物的间距就越短。连杆长度与曲柄长度调整是否适当直接影响到比赛时间，又由于轨迹路线对两者长度较敏感，故应精确调试。通过查阅资料可得出，采用类似丝杠的机构，用带螺纹的曲柄和连杆，将螺纹锁死。在调整长度时，应拧松螺母，调整长度，此做法也精确地调整其长度。

3 结束语

文章针对全国大学生工程训练大赛中的无碳小车进行了分析，分为8字型和S型进行阐述。其共同特点就是两者都是利用单轮驱动的结构，以便于解决差速问题。其中8字型小车转向机构可由多种方式组成，最好的方法是曲柄连杆加摇杆，而S型小车则采用连杆机构作为转向机构来实现小车自动转向的。驱动机构两者采用齿轮机构为宜。大量实验证明，结构简单，加工难度低，加工成本小，实用性好，效率高才是我们所要达到的目的。

参考文献

[1]方能杰，柳斌，王亨，等.8字循迹无碳小车创新设计[J].浙江农林大学，2013，8：76-77.

[2]张金玲，肖坤，边普阳，等.8字型无碳小车的结构设计与实现[J].宁波职业技术学院学报，2015，6.

[3]张玉航，黄力，王凯.8字绕障无碳小车转向系统的设计[J].科技创新导报，2014，7：28-29.

[4]李立成，徐漫琳，柯昌辅.S型无碳小车结构设计[D].重庆大学，2015，3：152-154.

[5]皇大伟，景新，孟程琳，等.基于凸轮控制的S型无碳小车设计[J].机械设计与制造工程，2015，7： 43-47.

[6]李云涛，刘晓飞，侯伟青，等.S字型无碳小车的分析[J].中国机械.