S型越障无碳小车设计

康小云

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

S型越障无碳小车设计

康小云

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

在设计阶段初期，根据第四届“全国大学生工程训练综合能力竞赛”比赛规则，确定了无碳小车的设计要求，在此基础上对小车的结构进行了设计，包括原动机构、传动机构、转向机构和微调机构的设计，最后运用SolidWorks三维建模软件建立了小车的三维模型，并加工出了实体模型，为无碳小车的优化设计奠定了基础。

无碳小车；三维模型；实体模型

第四届“全国大学生工程训练综合能力竞赛”比赛命题的主题为“无碳小车越障竞赛”，要求设计的小车可以利用提供的能量实现转化并可以使小车按照一定的轨迹行驶，此过程中要小车可以自动避开设置在跑道上的障碍物。本届比赛与往届比赛不同之处在于本次比赛增加了调距比赛环节，同时减少了给定的重力势能，这就要求在以往的基础上能够更进一步优化小车，以达到用更少的能量行驶更远的要求。

1 小车设计要求

根据比赛规则，用给定的重力势能转化为小车的前进动能，这就要求参赛作品根据实际设计能量转化装置。要求小车实现以下的功能：①给定的重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），比赛采用统一的重锤，质量M=1kg，规格为Φ50×65mm普通碳钢，能量由此重物铅垂下落400±2mm获得，落下后由小车承载并一起运动；②要求小车在行走的过程中能够自动避开跑道上预先设置好的一定距离的障碍物；③要求实现调距跑在比赛时通过现场抽签方式确定决赛障碍物的距离，通过现场规定时间的调试，使小车适应该障碍物距离的跑道；④要求小车采用三轮结构，具体造型及布置形式等由参赛组自行设计，过程中除重力势能以外不得有其他任何形式的能量为小车提供动力。

2 小车结构设计

（1）原动机构设计。原动机构的作用主要是将重锤下降的重力势能转化为无碳越障小车前进的动能，在这一过程中，能量传递的效率取决于原动机构的设计结构和精度。设计的原动机构应满足以下要求：①确保小车的驱动力大小恰当，车速平稳，使小车在转向时不会因重锤惯性或摆动而失稳，甚至倾翻；②地面影响轮子的摩擦系数，在不同的场地，小车需要的动力不一样，故应考虑如何克服过大的摩擦力；③机构要轻便可靠，低碳环保。运动过程分析如下：重锤下落——细线通过定滑轮带动绕线轮转动——绕线轮带动大齿轮转动——大齿轮与小齿轮啮合，带动小齿轮轴转动——齿轮轴带动后轮转动。大齿轮转动带动曲柄转动——曲柄推动连杆运动——连杆推动摇杆运动——摇杆与前插相连，前插与前轮相连，从而实现s型轨迹运动。

（2）传动机构设计。传动类型为：直齿轮传动，齿轮为硬齿面的渐开线齿轮，开始传动。保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短传动链，减少传动件的个数，缩短传动误差，尽量减少能量的转换次数，有效提高能量的利用率。传动机构采用的是减速传动，前轴大齿轮与后轴小齿轮啮合，实现1：5的传动比。为了小车的周期性转向，必须将绕线轴的动力按精确的传动比输出到后轴和转向机构上，使前进与转向严格协调。齿轮传动结构紧凑、工作可靠、传动比稳定，齿轮的传动效率最高可达98%，因此可以很好地提高能量利用率，且齿轮传动采用一级传动比，这样能量损失小，便于安装调试。

（3）转向机构设计。转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。转向机构也同样需要尽可能地减少摩擦耗能，同时还需要有特殊的运动特性，能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现拐弯避障的功能。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆等。曲柄连杆+摇杆运动副单位面积受的压力较小，便于润滑，磨损较小，制造方便，且已获得较高的精度，两构件之间的接触是通过本身的几何封闭来保持的，不需要像凸轮机构一样用弹簧力封闭来保持接触。因此选择曲柄连杆+摇杆作为小车转向机构的方案。

（4）微调机构设计。微调机构属于无碳越障小车的控制核心部分，因为曲柄连杆机构对加工制作和装配的误差很敏感，所以必须加上微调机构来对误差进行适量修正。采用微调机构另一方面的原因就是为了调整小车的行走轨迹、幅值、周期和方向等，使无碳越障小车的行走的轨迹更加理想。微调机构的调节方式为：调整曲柄、连杆、摇杆的长度，连杆采用螺旋千分尺来进行微调使精度达到更高。

图1 小车三维模型图

3 结语

在设计阶段初期，根据第四届“全国大学生工程训练综合能力竞赛”比赛规则，确定了小车的设计要求包括动力的来源是铅锤块的重力势能，小车要绕过一定距离的障碍物，必须采用三轮结构。通过三维软件的辅助设计，经过反复的修改，基本确定小车运动轨迹方程，最终确定小车的各结构参数。运用SolidWorks三维建模软件建立了小车的三维模型如图1所示，并加工出了实体模型。

康小云（1991-），男，山西吕梁人，硕士研究生，主要研究方向：机械设计及其理论。