一种多级调节无碳小车的结构设计

宋志鹏+张蝶+沈阳

摘 要：针对全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，设计一辆通过重力驱动的纯机械结构并具有周期性越障功能的无碳小车。本文提出了一种可按照S形轨迹行进的无碳小车结构，其特征在于包含多级调速设计，柔性化程度高，经简单调节即可完成多种距离的越障任务。利用SolidWorks软件对小车进行结构设计、裝配模拟。实践证明，此种结构的无碳小车能够按照预定的轨迹精确、稳定、可靠地行进。

关键词：无碳小车；结构设计；S形轨迹

0 引言

全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科创实践竞赛活动，旨在提升大学生工程创新意识、实践能力和团队协作精神。为适应全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求，笔者利用SolidWorks软件设计了一种无碳小车，其特点在于有多级调试设计，柔性强，经简单的调试即可完成不同种距离的避障任务。本文将其结构及功能、加工、结构优化做简要介绍，供读者参考。

1 结构方案

1.1 传动系统结构设计

传动系统的俯视图如图一所示。重锤吊线缠绕在绕线盘1上并环绕经过小车顶部的定滑轮。当重锤下落时，通过吊线的牵引作用，将自身的重力势能转化为小车的动能。绕线盘1从左至右直径逐渐增大，为使小车容易启动，采用从左至右的方向缠绕，以增大启动转矩的力臂。下面介绍本方案的分级调节结构。

一级调节采用了一组双联滑移齿轮2，不仅提供了两种传动比，而且可以采用滑移齿轮的方式，实现两种传动比的快速切换，稳定可靠。

二级调节采用多梯度的带传动机构3，通过使传动带搭载至不同梯度的传动轮上，来实现各个传动比的切换。

1.2 转向机构结构设计

转向机构等轴侧视图如图二所示。转盘4与二级传动的大传动轮固定于相同转轴上同步转动，并将其传递来的转动通过一组销钉、滑槽转化为T形杆5的直线运动。所述T形杆5可在固定于小车底板的组合滑槽6上平稳滑动。T行杆5的末端固定有多孔板7，多孔板7与H形板8固接。H形板8末端通过一组销钉、滑槽将传递来的直线运动转化为滑轨9、前轴10相对于小车前轴10轴线的定轴转动，从而驱动前轮的转向。下面介绍本方案的分级调节结构。

三级调节主要通过转盘4上开设的不等间距的3排定位孔，以及一条无定位孔的滑槽来实现。通过3排定位孔，可以定量地改变销钉与转盘4回转中心轴的距离，从而改变T行杆5前后直线运动的范围，进而控制前轴10的转角范围。同理，通过无定位孔的滑槽可以实现前轴10转角范围的无级调节。

四级调节通过借助多孔板7上开设的等间距定位孔来实现。通过改变螺钉在定位孔中的位置，定量改变H形板8驱动滑轨9及前轴10的转动力臂，从而控制前轴10的转角范围。

为使三级调节、四级调节中的销钉、滑槽间相对运动顺利进行，销钉外均套设有法兰轴承。

1.3 整体结构设计

整体结构等轴侧视图如图三所示。本方案采用了多级调节的结构，极大程度地提高了无碳小车的柔性特征。四级调节机构如前所述，在此不再赘述。

整体采用了轻量化设计，结构安排合理、紧凑。如对后轮、底盘等零件进行了适当的镂空以减轻车身重量，减少启动力，以适配更大的传动比，使小车的行程最大化。同时小车前轮采用了两个同轴轮导向，以增大前轮对地面的抓持力度，防止前轮打滑。后轮在保证强度、刚度的前提下，应尽量减少其厚度，把转向时地面摩擦力的影响尽可能降低。再者，在小车后车轴、前转向轴、滑槽等零部件相对运动频繁的部位，加装轴承；在齿轮啮合部位适量加润滑油等措施以减小摩擦对能量的损耗。

2 结构优化方案

实践证明，采用带传动会导致瞬时传动比变化。带传动是依靠传动带与传动轮之间的摩擦力来传动运动和动力的，然而带传动有紧边和松边之分，两者之间存在一个与摩擦力的大小相等的拉力差。传动带属于弹性体，在此拉力差的作用下必然会导致弹性形变，引发带与带轮之间的相对微量滑移，即弹性滑动。由于带传动中必然存在紧边与松边，故弹性滑动不可避免。

因此，二级调节采用多梯度的带传动会导致后续传动环节瞬时传动比不稳定，进而导致前轮转向出现微量偏差。在此，笔者提出两种改进措施供读者参考。

一、可根据两传动轮轴线距离适配一组齿轮传动，轴上套固有两个传动齿轮，中间安装惰轮以消除轴线距离过大对传动的影响。

二、用同步带传动代替V带传动。

3 结束语

本文提出了一种可多级调节无碳小车，并对其调节机构进行了较为详尽的阐述。整体构造简单，摩擦损耗小，效率高，较容易制造安装。通过阅读本文，不仅能满足参赛者对结构设计的参考需求，也能加强一般读者对机械知识的了解。同时无碳小车易于实现量产化、商品化，激发青少年对机械构造的热情，可放于科技馆让大众了解机械构造的精妙与渊博，具有广阔的推广前景。

参考文献：

[1] 李炳川，陈果，黄荣周，等. S形轨迹无碳小车的结构设计[J]. 装备制造技术， 2015 （03）：220-222.

[2] 张井洋，王恒厂，陈春阳. S型无碳小车结构优化设计[J]. 机电信息， 2015 （36）：154-155.

[3] 张普，李森，刘洋. 重力势能驱动的自控无碳小车设计[J]. 装备制造技术， 2017 （04）：39-41.