无碳小车双“8”字形轨迹结构设计

敖 东，唐 欣，孙亚平，章 环，黄式贤，蓝 健

（大连大学机械工程学院，辽宁 大连116622）

0 引言

随着社会各项方面的快速发展，能源的有限性成为人类不可忽视的问题。节约能源已经成为每个国家及社会在各个方面发展的大的趋势，也不可避免的成为众多科技工作者的工作追求[1]。在这个大背景下，第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的无碳小车的避让行驶竞赛在能源节约的方向上，采用重力势能作为驱动的能量来源来命题[2]。该竞赛由国家教育部举办的全国性大学生科技创新实践竞赛，具有很大的影响力。无碳小车竞赛要求，需设计一种可在一定范围内沿双“8”字形绕过随机固定桩距的无碳小车。无碳指小车完成行驶（驱动其行走及转向）的能量和在此过程中所做的无用功均由质量为1 kg的砝码（Φ50×65 mm，碳钢）下降（400±2）mm的高度所获得的重力势能提供。要求小车为三轮结构（前转向轮，两个后行进轮）。在完成行驶及转向时，砝码要一直由小车承重不可掉落。小车的设计机构中必须具有可调节的转向机构来准确躲避不同间距障碍物[3]。小车示意见图1。

图1 无碳小车示意图

如图2所示，双“8”字型的无碳小车的比赛场地为半张标准乒乓球台（桌面材质为高密度压缩板）。乒乓球台上沿桌面中轴线放置三根障碍桩（直径20 mm，高200 mm），两端的障碍桩桩距中心桩为（350±50）mm。

图2 双“8”字形赛道平面示意图

双“8”字形赛道要求小车运行时，每个障碍桩在“8”字形的一个封闭圈内。所谓双“8”字形轨迹是指运动中要出现3个封闭圈轨迹，并交替出现四次变向（轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧）。比赛中，小车需连续行驶，直至停止。出现小车没有绕过障碍桩、碰倒障碍桩、把障碍桩推出定位圆区域、砝码脱离小车、小车中途停止或小车掉下桌面等情况均视为本次比赛结束。比赛成绩以完成双“8”字形封闭圈的数量评定。

1 结构设计

该小车的重要几个部分分为重力势能转化机构、传动机构、转向机构和底座组成，整辆车的机构设计如图3所示。

图3 无碳小车整体结构三视图

1.1 重力势能转化机构

小车的重力势能转化机构的简图如图4所示，重锤通过具有一定弹性的细线1绕在绕线轮的小轮上，然后细线2一段绕在绕线轮的大轮上面，另一端绕在大齿轮轴上，重锤下落带动绕线轮，绕线轮带动下面的大齿轮转动，通过两级齿轮传动，将动力传递给小齿轮轴，从而将重锤下降过程中的重力势能转化为小车行驶中的动能。

图4 无碳小车重力势能转化机构

1.2 传动机构

小车驱动原理如图5所示，动力传动机构采用齿轮传动。其中大齿轮6、中齿轮5、小齿轮4均通过顶丝分别与绕线轴1、中齿轮轴2、后轮轴3固定。重锤下降的过程中通过重力势能转化机构传递到绕线轴上，然后通过两级传动直齿轮传动到后轮轴上，后轮轴带动后轮转动，驱动小车前进。通过齿轮的传动比增加绕线轴对应后轮轴的转动圈数。齿轮传动图如图6所示，齿轮传动具有效率高、传动比稳定、寿命长、工作可靠性高等特点，可满足前轮的精准转向要求[4]。本设计中小车经过计算大齿轮、中齿轮、小齿轮传动比为6∶3∶1，模数为0.5，三者之间的中心距为45 mm和20 mm，压力角20°，齿厚5 mm。

图5 小车驱动原理图

图6 齿轮传动图

1.3 转向机构

为绕过中线上的三个障碍桩，结合三个障碍桩的放置间距（两端的桩至中心桩的距离为350±50 mm），即如图7所示。本设计中小车采用以盘形凸轮为载体的凸轮转向机构作为小车完成避障绕桩实现双八轨迹的转向机构，即如图8所示。采用凸轮机构的优点是：只要正确的设计和制造出凸轮的轮廓线，就可以把复杂的运动规律化；凸轮的回转运动准确可靠，而且设计简单；凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠，另外在实际调试阶段，可以快捷地修改凸轮的推程、回程、压力角等参数，非常使用可靠。

图7 小车理论轨迹图

图8 转向机构三维图

1.4 微调机构

本设计的小车中有两处微调机构作为平时调车和现场调试的创新之举。其一（如图9所示）：与盘形凸轮时刻接触的推杆的距离，螺纹杆与推杆用强力胶黏在一起，螺纹杆上面套有弹簧，通过旋合螺母来轻微调节推杆的摆动幅度；其二（如图10所示）：前轮整个机构可以沿着小车底板的滑倒左右平动，通过两个螺栓与底板固定。这两个微调机构相互协调，第二个微调机构主要调节小车绕中心桩时离中心桩的距离，也可宏观地调节整个小车的路径，所以先确定整个前轮装置的位置之后在调节第一个微调机构，通过旋合螺母改变前轮的摆角幅度，可以调节小车绕两边两个移动桩时与左右两个桩之间的距离，即小车整个轨迹的长度，另外实现小车双八轨迹最终完全重合也是此微调机构实现。

图9 微调机构局部三维图

由于在现场比赛中有拆装车环节，为了尽量使拆装之后的小车最大程度的回复拆车之前的精度，所以在比赛中两个为微调机构会事先固定一个，减少一个变量，提高小车的精度。具体设计如下：在前轮固定座上预留一个3 mm的螺纹孔，在平时不断地调试中寻找最佳的位置，待位置找到后顺着小孔在小车底板上也钻一个小孔，然后用螺栓或者顶丝限位。在比赛拆装小车时就可以简单迅速的找到原来的最佳位置，大大缩短调试时间。

图10 微调机构2的限位机构图

2 理论计算

2.1 小车轨迹计算（图11即为小车理论路径图）

图11 小车理论路径图

将小车行驶的轨迹近似看成三个圆形轨迹，则有：

小车行驶的左右圆弧路程：

左右圆弧的参数方程为

根据左右圆弧的对称性S2=4S1

小车行驶的中间圆弧路程：

中间圆弧的参数方程为

根据中间圆弧的对称性S4=4S3

一个完整轨迹的总路程：

S=2×S2+S4=3 141.6 mm

2.2 小车理论行驶路程

重锤下降400 mm后绕线轮旋转圈数：n1=

大齿轮与小齿轮齿数比：k2=6

后轮周长C=90×π≈282.7 mm

重锤下降400 mm，小车理论行驶路程：S总=n1×k1×k2×C=84 131.52 mm

小车理论行驶避障圈数

由于凸轮与推杆之间的滑动摩擦、车轮与桌面的滚动摩擦、每个零件间的细微误差导致实际比赛中小车行驶避障圈数为22圈，在预期考虑范围内，属于正常。

3 实验过程

小车设计组装完成后，在1∶1比例的赛道上模拟，即半张标准乒乓球台（桌面材质为高密度压缩板）。乒乓球台上沿桌面中轴线放置三根障碍桩（直径20 mm，高200 mm），两端的障碍桩桩距中心桩为（350±50）mm。严格按照比赛要求，将重锤高度调到（400±2）mm，绕着三根障碍柱做双“8”轨迹，直至小车自动停止或驶出规定区域或撞倒障碍柱。经过多次试验，小车行驶避障圈数22圈。

4 应用前景

可以运用到中学实践教学中，提高当代学生的科技创造创新能力，无碳小车竞赛能很好锻炼学生的动手实践创新能力，让现在更多的学生了解机械制造并创新的能力，提高学生们对机械制造创新的兴趣。无碳小车成本经济、绿色环保、简捷便利，给我们寻找更为绿色环保的能源提供思路，在能源转化途径和能源转化效率方面有很大的促进作用。它将在逐渐取代传统能源方面有很深远的意义。

5 总结

本文介绍了基于2018年第六届全国大学生工程训练综合能力的命题“8”字形赛道常规赛的要求，对小车运行轨迹的设定（传动、转向、微调）和能量转化（重力势能转化为动能）进行研究和分析后，做出创新性的设计，并完成精密组装和调试，以求达到最佳的运动效果。小车的结构设计合理，运行的实际轨迹满足双“8”字形轨迹的要求，行驶匀速、缓慢、平稳，无用功较少，设计方案合理，可供后续比赛设计借鉴推广。