“8字形”无碳小车结构设计

陈冬冬 梅杰 王沛栋 智惠

摘 要：针对2017年第五届全国大学生工程训练综合能力的命题“无碳小车绕8字组”的要求，对小车进行创新性设计，主要是转向机构设计。通过Adams软件强大的辅助功能进行参数化建模和仿真，对无碳小车运动轨迹计算仿真模拟，进而优化设计参数。利用Matlab软件对模拟数据进行分析，得出最佳结构设计。比赛实践表明，小车结构设计合理，运行轨迹满足“8字形”轨迹的要求，运行平稳，能量损失少，设计方案正确，在竞赛中取得了不错的成绩。

关键词：无碳小车；8字形；行走轨迹；计算仿真

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2017）07-0141-02

Abstract：In view of the proposition of the Fifth National College Students' engineering training comprehensive ability in 2017， the title of this contest is a car without carbon emission run around “8 character” .And this contest complete innovation design of the car， mainly steering mechanism design. Through the parametric modeling and Simulation of the powerful auxiliary function of Adams software， the trajectory simulation of the no carbon car is simulated， and the design parameters are optimized. At the same time， Matlab software is used to analyze the simulation data and obtain the best structure design. Competition practice shows that the design of the car structure is reasonable， the running track meets the requirements of the "8 character" trajectory， the operation is smooth， the energy loss is less， the design scheme is correct， and good results have been achieved in the competition.

Key Words：carbon free car； 8 character； walking track； calculation simulation

本设计源于全国工程能力设计竞赛无碳小车的设计，该竞赛要求设计一种根据能量转换原理完成绕固定桩距的八字形小车。

1设计方案的创新性分析

根据比赛要求，无碳小车必须能够完成8字形的周期性绕圈，并且保证轨迹有较高的重合度，同时小车运动轨迹曲率要保证是均匀连续没有突变的变化，这样小车才能平稳运行不发生倾覆的现象。为使小车精确地走“8”行曲线，转向机构与后轮之间需存在精确的传动比关系。

小车设计的关键部分就是对于转向机构的设计，它将直接决定小车的整车性能和所绕8字形的圈数。为实现“8”字轨迹，转向机构必须是周期性受驱动力。

能够实现此特定功能的机构有：曲柄连杆+摇杆、齿轮齿条、正弦机构（曲柄移动导杆机构）、RSSR空间四杆机构等。曲柄摇杆机构结构较为简单但一个滑动副，能量损失大，效率低，存在急回特性使之难以实现精稳的往复运动；齿轮齿条在往复直线运动时因为存在加工误差会使轨迹误差累加，轨迹会紊乱；RSSR空间四杆机构有2个球副，摇杆与前轮的角度难以精准的控制。

综合以上，我们选用正弦机构（曲柄移动导杆机构）与直线轴承结合控制运动的方案作为无碳小车的转动机构的设计。

2 Adams参数化模型的建立

2.1正弦机构摆角规律

正弦机构的机构简图如图1，其曲柄长度可以在一定范围内进行调节，也可改变无碳小车的前轮摆角。

前轮摆角与后轮转角的关系如下：推杆水平移动距离为D=R×sinα，其中α为曲柄转角，R为曲柄长度；前轮摆角正切为tanθ=D/L，其中L 为推杆距前轮轴心的距离；前轮摆角大小与后轮转角间的关系为：

tanθ=Rsinα/L （1）

2.2对称性分析

将式（1）改写，得到正弦机构曲柄转角和前轮摆角间有以下结论：正弦机构正反方向的转角变化完全对称，可使无碳小车前轮左右摆角相同。

2.3可调节性分析

式（1）中的R 为任意值，故改变R 的大小都不会改变前轮摆角，因此可以通过调节曲柄的长度来调整前轮摆角的大小，而且调整后的摆角规律和原来一样。但是实际调试中，由于加工精度和安装误差的存在，即使前轮摆角规律对称，小车也很难走出重合度较好的轨迹。经常会出现现象是小车轨迹向一侧弯曲。此時，可以通过调整推杆的长度来调节前轮左右摆动的摆角的大小。正弦机构为转向机构时，摇杆在最向前和最向后的两极限位置如图 2 所示。

当使推杆长度增长△L 时，推杆末端相对前轮轴轴线向前移动的最大位移为 R+△L，此时的前轮摆角为

θ=arctan（（R+△L）sin/L）； （2）

推杆末端相对前轮轴轴线向后移动的最大位移为 R-L，此时前轮摆角为

θ=arctan（（R-△L）sin/L）。 （3）

据此可知无碳小车前轮向左摆动的最大摆角大于向右摆动的最大摆角（以图 2 右侧为前进方向）。因此，当小车轨迹向右发生偏移时，可以适当调长推杆的长度，从而增大小车向左转向摆角的大小，以保持小车轨迹的重合度；同理，当小车轨迹向左发生偏移时，可以适当缩短推杆长度，以提高小车轨迹的重合度。

3运动分析

3.1小车运动轨迹

根据比赛要求，参赛小车需要按照“8”形状的曲线行走并自动避过预先放置好的固定距离的障碍物。建立数学建模并利用分析软件对其进行仿真、模拟、分析得到理论的运动轨迹，通过调整转向机构参数来减小甚至消除运动轨迹误差，以精确运动轨迹。有两种“8”形轨迹提供我们选择：（1）采用正三轮的小车结构，完成对称型的“8”字形轨迹；（2）偏三轮的小车结构，完成非对型称“8”字形轨迹。

通过Adams参数化建模、仿真对用单轮驱动的无碳小车前轮位置对轨迹的影响进行了试验；并利用Matlab对试验数据进行了建模分析。所得结论与查询资料结果一致：前轮放在驱动轮一侧能够得到更好的无碳小车的运行轨迹，且将前轮与驱动轮共面更有利于保证无碳小车机架质心轨迹的直线度。最终我们决定采用转向轮与驱动轮共面的偏三轮式的单轮驱动的小车。

3.2转向轮摆角

转向轮的摆角确定是采用经验法与实验法确定的。先参考车辆设计中一般三轮车的转向角，初步确定理论转角的范围，理论转角值控制在一定的范围之内，保证在后期的调试过程中方便的总结与更改。

4 小车结构的确定

4.1 原动机构

小车的原动机构主要功能是将重锤下降的重力势能转化为小车前进的动能。

考虑采用可调驱动力矩的方法那就是采用变径绕线轴。绕线轴的直径会影响驱动力矩的大小和所绕线的圈数。绕线轴越细，绕线圈数越多，小车走出的“8”字轨迹越多，绕线轴传递扭矩越小，驱动力矩越小；反之同理。通过直径控制小车运行车速，使之平稳运行。

重锤和绕线轴间采用渔线连接，重锤下落拉动渔线，经过滑轮变向，带动变径绕线轴转动。滑轮采用双连轮方式，双连轮成放大比，则传递到绕线轴上的力减小，小车驱动力减小，绕线轴上缠绕渔线圈数增多，小车走出的“8”字轨迹增多；反之小车驱动力增大，走出的“8”字轨迹减少。

4.2 传动机构

小车传动机构通过一定的传动比把绕线轴上的力矩传递到驱动轴上，使小车运行，同时绕线轴将旋转运动传递给转向机构，实现转向。

齿轮传动中，瞬时传动比是恒定的，可以使小车行驶路程最大。故选用齿轮作为传动机构。

小车“8”字轨迹的大小，由齿轮的传动比决定。由试验结果，选择齿数比为26∶134，可以将小车的轨迹控制完成300mm-500mm任意桩距。相同中心距的齿轮，相近的传动比，模数大，齿数少；模数小，齿数多。选用承受载荷小的小模数齿轮，可以有效地减小齿轮啮合间隙，减弱啮合碰撞，减小能量损耗。

4.3 行走机构

行走机构就是小车驱动轮和转向轮，因为小车路径为“8”字形，如果采用双轮驱动，转弯时就会产生差速差，必须添加差速器，这样增加了小车的复杂性，而且会增加能量损耗，故采偏三轮的小车结构，即采用单轮前驱转向轮后置，并配以辅助轮稳定车身。

5 小车的装配调试

各机构按照其选定的装配基准分别进行安装，确定各部分装配正确，由转向輪轮架―支撑轮轮架―轴承座―传动机构―正弦机构―重锤支架的顺序进行各部分的总装。小车调试采用控制变量法，即通过保持一个或多个量不变，调整另一个或多个量改变，来探究这些量之间的关系。

6 总结

本文介绍了基于2017年第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛中绕8字无碳小车命题的整个设计制造调试过程，通过前期对设计方案的创新性分析，参数化模型建立以及运动分析，对小车的结构进行最后的确定加工，最终进行小车的装配调试。小车结构设计合理，运行轨迹满足“8字形”轨迹的要求，运行平稳，能量损失少，设计方案正确合理，可供后续比赛设计借鉴推广。

参考文献

[1]全国大学生工程训练综合能力大赛竞赛规则.2017.

[2]李刚等. S形转向运动无碳小车的改进设计研究[J].汽车实用技术.2014.

[3]胡増等.基于Adams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. 201300.

[4]郑文纬. 机械原理（第7版）[M]. 北京：高等出版社，2009.