双“8”字形无炭小车纯机械设计

摘 要：针对第六届全国大学生工程训练竞赛中双“8”字形无炭小车比赛要求，设计一种通过重力驱动的纯机械无炭小车机构，使其具有周期性的穿越所要求障碍功能。本文利用solidworks软件设计出无炭小车的各个机构模型，并利用Admas软件进行运动仿真，通过调节各结构参数，使其满足比赛要求并制作实践。实践结果表明：所设计的无炭小车形势稳定，并能按照所要求轨迹可靠运行。

关键词：无炭小车；轨迹；运动仿真；结构设计

本文针对第六届工程训练大赛的要求，设计并制作了一种无炭小车机械结构，小车将重力势能转化了动能并驱动小车按照双“8”形轨迹稳定前行。[1]如图1所示为小车设计整体图，小车为三轮结构。其中一轮为转向轮，另外两轮为行进轮，允许两行进轮中的一个轮为从动轮小车，小车应具有相应的转向机构，使其能够绕中线上的三个障碍桩（3个障碍桩沿中线放置，障碍桩为直径20mm、长200mm的3个圆棒，两端的桩至中心桩的距离为350±50 mm）按双“8”字型轨迹循环运行。

小车所要完成上述功能将小车化为四个部分进行模块设计即驱动系统、转向系统、行走与微调系统。[2]

1 驱动系统与传动系统

本文设计无炭小车越过障碍物所走轨迹圈数多少作为设计成功与否的标志，因此怎样提高能量利用率是一个至关重要的设计难题。

由于固定的传动比关系，重物下降的速度和前轮及其转向机构的角速度与小车前进的速度成正比，[3]而小车前进的越快，重物的下降速度也会越快，重物的动能越大，前轮及其转向机构的角速度也会越大，动能增大，由于小车下落到小車底盘上面，重力势能全部转化为小车底板的弹性势能能量完全损失。据此，设计出如图2所示的驱动系统。

本次设计采用细线绕过滑轮与重物相连并绕于绕线轮上，重物下落时驱动绕线轮旋转带动此轮系统转动从而为小车提供动力，其中支撑架用于限制重物摆动，由于驱动采用绕线驱动，启动时摩擦力大，因此设计绕线轴的半径较大。启动后绕线轴半径不变，扭力和阻力平衡，小车匀速前进。结束时半径再次变小，拉力不足，小车减速运动，重物也减速下降。

2 转向系统

转向机构直接决定小车功能的实现，是设计的关键环节。需要满足结构简单、可微调、摩擦小等基本条件，[4]同时还要实现转向运动，将传动机构的动力转化为来回的摆动，使转向轮带动小车实现双“8”字运动。

考虑到制造的方便、精确，接触面易于润滑的优点，本次设计采用槽轮机构和曲柄摇杆作为转向系统，摇杆两端装上关节轴承以进一步减小摩擦，增加运动范围，据此设计出如图3所示的转向机构。

由图3所示，8字无碳小车的转向频率低、传递力小、惯性较小，故采用槽轮机构与曲柄摇杆机构相连以实现对曲柄的间歇驱动，从而驱动前轮走出合理的双“8”字轨迹。

3 行走机构和微调机构

3.1 行走系统

因为小车是沿着双“8”字轨迹前行，两后轮必定会速度差。故采用单轮驱动，前轮导向轮，另一个后轮为从动轮，其设计如图5所示。从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的摩擦约束力调节。

3.2 微调系统

微调系统用于控制与修正小车行走轨迹。本次设计通过两次微调过程，即与驱动齿轮相连的连杆与曲柄安装位置可调控制曲柄长度达到微调，同时可调节螺杆长度，实现对小车运行轨迹的控制。通过螺栓在摇杆上移动实现前轮摆动角度的微调。由于关节轴承的存在实现了连杆与曲柄、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5所示。

4 Admas运动仿真与现场结果对比

通过以上分析设计出了结构简单适用的双“8”字型无碳小车，并利admas软件对其进行动力学仿真，通过控制不同的参数（包括车轮直径，传动比等），可得到如图7仿真结果。

由图6仿真结果可知，车轮直径和传动比影响双“8”字轨迹的大小，且直径越大，传动比越小其轨迹曲度越小，且取极限值时即最小双“8”字时，左右端点距离为825mm，上下端点距离为215mm。

5 总结

本文通过对双“8”字无炭小车进行理论分析，并对其各组成系统进行设计，并利用admas软件进行动力学仿真，得出影响小车行走轨迹曲度的参数和因素。

通过对小车进行现场调试分析，使其走出稳定的双“8”字轨迹，通过现场测量其左右端点距离为819mm，上下端点距离为224mm，与Adams分析结果相符合。由此可知，通过对无炭小车建模与Admas仿真，可在小车尚未制作前提供理论设计和指导，以准确的模拟出相关的运动轨迹。

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）：2627.

[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）：5356.

[4]王斌，王衍，李润莲.无碳小车的创新性设计[J].山西大同大学学报：自然科学版，2012（2）：5962.

作者简介：武时会，重庆人文科技学院讲师，从事机械设计与分析。