S型转向运动无碳小车设计及调试

邓醒阳+王豪+张子悦+王上

摘 要：基于第五届北京市大学生工程训练综合能力竞赛中“S型无碳小车”的相关设计要求，设计了以重力势能驱动的，以空间曲柄摇杆机构来实现转向要求的无碳小车。由于竞赛中障碍物间距由抽签决定，转向机构必须具备微调功能以适应不同障碍物间距。通过计算以及结合实际操作，总结出转向机构的微调规律，并在实践与比赛中得到验证。

关键词：无碳小车；转向机构；“S”型轨迹

第五届北京市大学生工程训练综合能力竞赛“S”型无碳小车组以“越障竞赛”为主题，竞赛规定小车为三轮机构，且其行走和转向由1kg标准砝码的重力势能驱动。障碍物的间距值在700-1300mm的范围中随机选取，要求小车能绕行障碍物，小车行进轨迹如下图。

1 驱动设计

当小车在转弯行驶时，后轮外侧车轮移动的距离大于内侧车轮，為了防止车轮有滑脱现象出现，小车运动轨迹因此受到影响，客观要求左右车轮能够实现不同转速。因此设计时，采用单轮驱动形式，将后两轮之间的驱动轴断开，左后轮设计成驱动轮，右后轮设计成从动轮，从动轮通过轴承与主动轮轴相连。

2 传动设计

牵挂重物的绳子绕在线轮上，线轮固定在前轴，前轴上固定有一个齿轮，和后轴上的小齿轮啮合，负责传动给后轴（后轴连接两个后轮），前轴上还连接有曲柄，负责给转向轮（前轮）传动，达到转向的目的。

3 小车转向机构的设计

我们的无碳小车转向机构采取了结构简单，工作可靠的曲柄摇杆机构，如下图。

为保证小车运行平整，没有急回特性，左右转角偏幅相等，曲柄和摇杆的转动副必须处于同一高度。连杆（长螺钉）的两端与关节轴承通过螺纹连接，调节连杆长度时，关节轴承与曲柄的连接处能随连杆的旋转而升降（为了保证调节连杆长度的时候，摇杆和曲柄的初始角度保持不变，达到控制变量进行调节的目的），从而改变曲柄的有效长度。

小车运行过程中，在传动机构的带动下，曲柄做有规律的圆周运动，同时通过连杆的传递，使得水平面上的摇杆前后摇摆，与摇杆固定连接的方向轮随之左右摆动，从而实现小车的转向。

小车结构简图如下：

4 小车运行调试

在理论计算时，小车在行进过程中方向轮的左右偏角相等，但在实际运行时情况有所不同。通过实验，我们发现，单轮驱动的无碳小车在运行过程中方向轮左右偏角并不相等，而且它们的差值会随着障碍物间距的不同而改变。如果无法充分认知其中的变化规律，很难得到理想的“S”型轨迹。影响小车左右偏角的可能因素有很多，如车轮的材料，车轮的宽度，激光切割时车轮产生的小变形，地面的粗糙度等等。由于条件有限，我们不能将这些因素一一隔离分析。在后期的调试中，我们仔细观察小车的运行轨迹，经过不懈地努力，我们找到了解决办法。由于方向轮左右偏角不想等，导致小车往一边偏行，到后面越偏越厉害，于是我们猜想：如果我们把偏行的方向当做“新赛道”，是不是把前轮初始偏角调节一下，使之等于“新赛道”偏离原赛道的角度效果会好一些呢？至于后面越偏越厉害可能是因为小车后面偏向太严重导致小车运动失真。带着猜想，我们尝试着调节小车的初始偏角，结果真如我们所想，有了很大的改观，虽然没有预期的理想，但是已经开始接近设计目标了。在不断地调试之后，小车的运行轨迹已经达到了我们的期望。于是我们根据不同的连杆长度，来一步一步地进行调车，同时记录好对应的前轮初始偏角。

5 结论

通过理论分析和设计构想，设计并制作了S形转向的无碳小车，对无碳小车的改进设计，解决了初始设计中存在的诸多问题，实现了小车转向时保持设计要求的S形运动轨迹。关键技术主要在于以下4个方面：

1、为了避免能量损失和牵引线、支撑杆干涉，牵引线不能过大斜置；

2、为了保证实现标准运动轨迹，转向轮转向时一定要稳定，且转向轮与地面的接触面积越小越好；

3、为了保证小车的转向要精确平稳，须将转向轴的轴线、前轮的轴线平行于改进方案中的驱动轴，并且垂直于前轮套侧壁；

4、小车加工尺寸设计，要考虑加工单位能达到的加工精度，尽量在保证性能的前提下降低加工精度。

参考文献

[1]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M]. 北京：高等教育出版社，2006：125-145.

[2]邱宣怀，郭可谦.机械设计.4版本[M]. 北京：高等教育出版社，1997.

[3]孙恒，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006：90-125：174-220.endprint