S形转向运动无碳小车改进研究

李烽 赖迎春 魏正阳

摘 要：近几年来无碳小车在我国各个地区甚至是全国的大型比赛当中都有涉及到。在本次研究中针对S形无碳小车初始设计的问题提出相应的改进对策，旨在帮助优化其性能，可以发挥更大的作用。

关键词：S形转向运动;无碳小车;初始设计;改进

无碳小车在机械设计比赛当中是比较常见的，其设计需要满足相关的条件[1]。如三轮结构，具有方向控制功能，转向控制功能等，实现结构的快速更换以及功能的快速调节。关于S形转向运动无碳小车在设计中存在的问题需要提出相应的优化对策给予改进。

1 初始设计方法分析

1.1 驱动结构的设计分析

小车在遇到障碍物时需要完成转向。当汽车转弯行驶过程中后轴外侧移动的距离必然比内侧轮移动距离更大，为了避免出现车轮脱滑的问题，车轮要实现轮速的不同。无碳小车采用单轮驱动的方法，断开两轮驱动轴，左后轮将其设计成驱动结构，右后轮设计成从动轮的模式，把轴承直接嵌入到主动轮的轴内孔当中，在转动时确保这两轮之间不会互相干涉。

驱动轴设计是无碳小车动力装置的保障，在小车启动的过程中，静摩擦力比动摩擦力更大，小车需要更大力矩，力矩M公式可以表示为：M=Gr1=mgr1，在这个公式当中，质量为m，重力加速度用g表示，驱动轴的半径用r1来表示。把驱动轴和轮设计成为一体，后轮也可以得到一个专门的转动力矩M，公式为：M=F0r2，小车后轮半径采用r2表示，后轮等效力采用F0來表示。在小车启动当中，右后轮以及前转向轮所受到的总静摩擦力可以采用Ff1来进行表示。下图为设计的无碳小车驱动力情况：

无碳小车驱动力情况分析图

1.2 转向结构设计分析

小车导向轮设计为是前轮，前轮自动转向功能的实现是借助于连杆机构[2]。在设计中的齿轮副结构是下边为大齿轮，上边为小齿轮。连接杆的长度调节可以通过螺纹副来实现，使调节的精度得到大大提升，也让转向机构变得更加方便和简单。转向轴承可以直接在市场上购买，属于标准件。

1.3 载物架的设计分析

车身需要全部承受重物从载物架支撑杆400mm左右的高度降落带来的冲力。只需要考虑支撑杆的相关位置。小车支撑杆具体表现为一前一后两种螺纹杆，和小车的载物架底板以及车身构成比较完整的螺纹副。

1.4 车身结构的设计分析

研究中提到的小车，其车身就是来承受力和力矩。所以，为了可以实现这一目标，可以把车身设计成粗轴的方式，然后再打孔。

2 优化设计方法分析

在按照最初的方案设计以及制作完成小车之后，在小车具体的使用当中却出现了一些问题。针对在S型无碳小车运行中出现的问题，基于原本设计方案提出相应的优化改进对策。

2.1 针对前轮运行不稳优化方法

在分析初始设计当中的转向部分内容是，发现是因为太过于重视让前轮自由转向度提升没有关注到转向轴孔和转向轴之间在孔隙方面的配合情况，使得前轮出现了运行不稳定的情况。针对这种问题，提出了以下优化方案;因为前轮所使用到的转向轴属于标准件，轴承的内径尺寸不适合进行改变，相反比较容易加工的是小车的车身，所以在基于原方案的设计基础上，在车身当中采用过盈配合的方式直接将一个轴承嵌入其中，帮助解决孔隙之前存在的配合不到位问题。

2.2 碳钢重块下降的速度过于快带来问题

根据上文的分析内容可以发现，在本次研究中所设计的无碳小车，所此阿勇的齿轮减速方案是一级方案，齿轮速度的比例为1∶3.8，也就代表着大齿轮和小齿轮之间转动的速度比例也是这个数据。但在实际运作的过程中和重块相互连接以及牵引的线是和小齿轮轴所连接在一起的，使得碳钢重块以比较快速的方式下降。针对这一方面存在问题提出的改进对策与方案是：为了让这个问题得到解决，需要把连接碳钢重块的牵引线转移到大齿轮周上，同时还可以将大齿轮轴绕线的位置进行处置，让其变成锥形样子，这样的措施都可以帮助重块下降的速度得到进一步的缓解。

2.3 载物架的支撑轴和牵引线之间出现相互干涉问题

在初始的设计方案当中，在控制重物速度的过程中，采用了斜拉的方式，但是效果并不是十分明显。而且还会出现载物架支撑轴与牵引线彼此之间相互干渉问题。与此同时，把重物支撑杆设计成等边三角形的方式，再把它围成一个空间，为Φ50mm，针对牵引线提出相关的空间。

针对这一问题提出的解决方式为，选择大齿轮作为其中的驱动轴，在大齿轮轴的右端缠绕上牵引线。在这种情况下再了解驱动轴和后轮之间的半径比例，公式如下：

r1r2=m1mη2（v2rg）2+f2

2.4 优化改进后的验证结果

在对S型无碳小车的设计进行优化改进之后，需要再次开展相应的试验，把小车放置在标准跑道上，可以借助于标准重物来给小车提供相关的动力。经过多次的试验结果显示，小车的运动轨迹与规定的运动轨迹相比吻合程度比较高。

综上，结合理论方面的分析以及相关的设计构想，设计和制作专门的S型无碳小车。但是在初始设计中发现了一定的问题，又结合这些问题来提出优化改进方案，在优化之后让小车可以达到最初设计的目标，按照S形的运动轨迹运作。

参考文献：

[1]李浩.S形转向运动无碳小车的改进设计[J].明日风尚，2017：11.

[2]邓醒阳，王豪，张子悦，等.S型转向运动无碳小车设计及调试[J].卷宗，2017（27）.