字无碳小车的结构设计

任帅　高远　邵梦莹

摘 要：根据大赛要求，设计了利用重力势能并能按要求自动转向的8字形绕障无碳小车。小车转向机构基于对心曲柄滑块原理，并利用对心曲柄滑块运动特性，实现小车周期性运动。通过MATLAB仿真建模，代入小车相关参数，以此对小车行走轨迹模拟分析，优化设计，修正参数。最终实际比赛结果验证了该机构设计是合理的，且加工简单，易于调节，适宜比赛。

关键词：无碳小车 “8”字绕障 曲柄滑块机构

中图分类号：TH112 文献标识码：B 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0110-02

全国大学生工程训练综合能力竞赛要求设计一台三轮小车，利用4 kJ重力势能作为驱动，在半张乒乓球桌上绕一定距离的两个障碍物以“8”字轨迹进行绕行，最终按照绕行周期的有效个数进行成绩的评定。由于“8”字绕行无碳小车为新竞赛项目，相比“S”型项目相关参考文献较少，故该文从实际出发，对“8”字小车進行设计分析，为相关竞赛研究提供参考及借鉴。

1 运动原理

如图2小车总装图所示，重物通过细绳缠绕在前传动轴。前传动轴与驱动轴通过齿轮啮合传动，改变转速，同时传递能量。释放重物后，前转动轴开始转动，机构即开始运行。左后轮为主动轮，后轮轴与驱动轴通过联轴器连接，实现单侧驱动，以此实现差速便于转向。同时前传动轴转动带动曲柄轮，小车行走方向受曲柄轮及其伸缩连杆控制而呈周期性变化，最终实现“8”字轨迹。

2 转向系统

小车转向系统主要由曲柄轮，前连接杆，伸缩连杆三部分构成。（运动原理见图3）设曲柄位置1为小车初始状态时曲柄所处位置，当小车前曲柄轮由位置1经由位置2逐渐运动到位置3时，前轮偏转角度逐渐增大至最大，小车行走曲线曲率由0逐渐增加至最大。即曲柄轮每1/4圆周对应小车行走轨迹“8”字的1/4路径，曲柄轮转一周，小车完成一个“8”字，对应实现周期性运动。

此外伸缩杆与曲柄圆盘构成微调装置。由于全国大学生工程训练综合能力大赛要求对小车进行拆装，故实际竞赛中需进行装配调节。通过改变曲柄长度并适当调节伸缩杆的长度，并保证伸缩杆位置可使当曲柄在初始位置1时小车前轮不发生偏转。即可完成小车微调，修正装配误差带来的影响，适宜比赛。

3 运动轨迹分析

设定小车转弯过程中所涉及变量，并对其建模分析。小车大轮直径，前传动轴转角为，后轮轴转角，小车转弯的曲率半径为，前轮偏转角度，前后轮轴线间距，小车移动距离为，小车行走偏转角度，传动比。

4 结语

（1）最终的实际轨迹结果与拟合效果接近，证实了该结构的可行性高效性。（2）在实际装配中，微调结构能够在短时间内快速调整，修正运行轨迹，满足要求。（3）利用MATLAB程序代入小车设计参数，可以更直观的近似计算出运行轨迹，为实际调整节省了大量时间精力，也同样利于小车的优化设计。

参考文献

[1] 张玉航，黄力，王凯.8字绕障无碳小车转向系统的设计[J].科技创新导报，2014，（13）：88-89.

[2] 吴新良，刘建春，郑朝阳.重力驱动的避障小车设计与制造[J].机械设计，2014，31（10）：25-28.

[3] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.endprint