S型无碳小车的设计与优化

李淑萍 柴小云 李晨

摘 要：根据全国大学生工程训练综合能力竞赛命题文件指导，通过文献查询与自发探索设计制作出了能实现预定功能的小车。依靠计算与软件辅助，验证与改进了小车各结构的设计。最终经过调试，使小车平稳运行。

关键词：无碳小车;结构设计;连杆机构;微调机构

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0081-02

0 引言

伴随着人类对自然环境无止境的开采，随踵而来的环境恶化问题也日益加重。经济发展是无止境的，但人类赖以生存的生态系统却是无法再生的。全球气候变化、能源消耗和生态破坏等现象现在都是全人类无法规避的问题。近年来，低碳生活的理念应运而生，开始在全球大规模地传播，以期望引起大家对环境的重视，改善我们的生态系统。无碳小车就是这一波潮流中的号召者之一。它所要实现的就是在除了自身重力外不依靠其他任何能量就能自主完成绕障行走的功能。

1 设计思路

根据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题要求，S型无碳小车只能采用由重力势能转化而来的动能进行驱动，其中，重力势能由1kg砝码提供，从400±2mm的高度下落。行走过程中还要由转向控制机构操控小车进行自动避障运动，障碍物之间的距离由现场抽签来决定。由上述要求可分析出小车所需要完成的运动轨迹为正弦曲线。为实现以上功能，可将小车整体结构分为原动机构、传动机构、行走机构、转向机构、微调机构、车身六大部分。

2 各部分设计

2.1 原动机构的设计及优化

此部分是将重力势能转化为动能，为无碳小车提供前进的动力的机构。小车在初期启动时有静摩擦力因素，为使小车顺利启动，原动机构一开始提供的启动力矩要大于小车的静摩擦力力矩。即小车初期运行时所需的启动力矩：

而在小车行进过程中，由于惯性的作用使得小车前行所需力矩减小，为了避免能量的浪费以及由于速度过快而可能引起的翻车等问题，绕线轮设计为了塔轮结构，在小车启动初期时将线绕在大端，行进过程中绕至小端。以此来保证小车前期能顺利启动，以及后期平稳低速地运行。

考虑到要减轻小车整体质量，绕线轮可采用3D打印，同时为了保证绕线轴能带动齿轮啮合，可在绕线轮底部打印三个沿圆周均匀分布的小桩，齿轮上加工出与之配合的三个小孔，使绕线轴与齿轮紧密相连。为了防止摩擦打滑，可在绕线轴轴身上打印出螺旋线路，用于卡住绳子。

2.2 传动机构及行走机构的设计及优化

砝码下落带动绕线轴所在的驱动轴转动，通过齿轮啮合传递给后轮轴，从而带动后轮前进。在能量传递为了提高传动效率，所以采用一级齿轮传动，传动比为1：4，即绕线轴转动1圈，后轮行走4圈。小车的行驶路线为：Y=Acos（πx），一周期内行驶的路程为：

小车前行机构分有三个车轮，一个前轮，两个后轮。在转弯时，相同时间内由于内圈和外圈行驶路程不同，会使两个轮子产生不同的差速，为了避免拖拽情况发生，应该将一个设计成主动轮，另一个为从动轮。

在固定后轮时，由于螺纹本身存在有倾斜度，会使车轮相对车身有个倾斜角，所以安装过程中要尽量避免螺纹连接。在轴与轮子的连接处，为了避免应力集中，可采用法兰盘。

2.3 转向机构的设计及优化

为了保证小车能可靠连续地实现转向功能，可采用对心曲柄摇杆机构。图1为对心曲柄摇杆机构示意图。

2.4 微调机构的设计及优化

为了弥补加工及装配过程中所产生的加工误差，所以要安装有微调机构对转向机构进行数据上的调整。本研究为了精确控制数据调整数值，特在连杆上安装了微分头，以此来精密控制连杆的调整数值。同时在曲柄盘上铣出了u型槽，可对曲柄数值进行自由调控，如图2所示。

3 调试

小车在设计装配后，由于各部分存在的误差，在累加后会使小车实际运行轨迹与理论运行轨迹有较大的出入，所以要对小车进行调试，使它最终跑出理论计算轨迹。

3.1 小车出发定位

先用激光笔配合亚克力板找到车身初始位置，因出发时我们选用在轨迹幅值处發车，所以此时曲柄盘指针指向刚好平行于车底板。在对发车位置有了精确定位后，再进行之后的多次调试。

3.2 小车左右偏移

当小车进行左偏时，需加长连杆;右偏时，减短连杆长度。连杆长度对小车运行轨迹的影响极为敏感，所以调节连杆长度时一定要耐心。

3.3 小车幅值不够

小车行驶周期不够时，可以调整曲柄长，它控制着周期的长短。曲柄长度调长，小车行驶周期变短。

4 结语

无碳小车行驶轨迹最大的影响因素就是加工精度，即使是两辆设计完全相同的小车最后行驶的轨迹也可能千差万别。所以一定要注重微调机构的设计，确保它能精确弥补加工误差所带来的影响。

对于小车机构，整体设计注重平稳和减轻质量，所以小车底盘高度设计不宜偏高，小车整体质量分布要均匀，不然易出现翻车现象。尽量选用不易变形易加工且轻量的材料，并对零件进行一定镂空以减轻质量。

虽然小车整体设计大致类似，但细节上仍有很大的优化空间，所以还是要注重细节方面的设计。本文对绕线轴、微调机构、后轮固定等方面都做了一定程度的优化。最终调试出了理论计算路径，如图3所示。

参考文献

[1] 卞玉帅，陈正强，晁兴旺.无碳小车轨迹建模与参数优化[J].科技视界，2013（33）：171+173.

[2] 王政，何国旗，胡增.基于ADAMS软件的无碳小车转向机构设计[J].湖南工业大学学报，2013，27（05）：28-32.