S 形转向运动无碳小车的相关研究及其设计改进思考

迟铁，徐文，崔井军

（吉林工商学院工学院，吉林 长春 130507）

无碳小车的设计以及制作已经慢慢转变成为规模比较大的设计比赛。具体有下述几个方面的设计要求：驱动为重力势能以及可以很好的控制方向；三轮结构为无碳小车的结构，还应具有可以进行功能调节或者结构快速更换的转向控制机构，进而能够很好的适应和避开放置于竞赛场地中的障碍物；无碳小车行走和转向的驱动来源是唯一的，仅由给定的重力势能转化为机械能。给定一个四焦的重力势能，质量是一千克的普通碳钢重块，为竞赛中统一使用的重块，将下降落差控制在398 ～402mm 之间。小车承载着处于下落过程中的重块，其二者处于共同运动的状态中。有一点值得注意,不允许出现重块掉落小车这一状况。因为有做S 形转向运动这一要求，因而小车要具备自主转向这一功能。要想达到这一设计目的，第一步要进行设计思路的探析，第二步进行设计要求的探析，当明白了设计思路和设计要求后，第三步完成初始设计方案，最后一步优化改进初始方案顺利解决其中所出现的问题，进而使最终设计出的无碳小车与设计目标相符合。

1 设计思路探析

1.1 能量转化设计方面

下降的碳钢重块这一物块所具有的重力势能到机械能之间的转化，这一方式是给定小车能量的来源，直接转化是此次设计中所采用的方式，小车齿轮轴上绕线轮是由下落的碳钢重块带动的，之后后轴是经处于转动状态的齿轮的驱动得以转动的，最终达成了重力势能到机械能之间的转变，进而使小车在驱动下得以行走和转向设计的目的。

1.2 驱动设计方面

小车后轴的驱动源来自于重力势能到机械能之间的转化，之后小车所具有的传动比再通过小车齿轮传递动力得以改变，进而得以调节小车转向时间与小车转向角度以及小车驱动轮行程距离，在协调二者的同时，达成顺利完成要求路径的目的。从对于各种各样数据资料和多种多样要求的分析中，可以得知要想使碳钢重块这一个同一重物所落下的距离是相同的，就应该使在水平面上前进的小车的前进路程尽可能最长。与此同时，在对传动效率等一些其他因素加以考虑的基础上，1：3.9 为最终确定下来的大小两个齿轮之间的传动比，后轮轴为小齿轮安装的具体位置，齿轮轴为大齿轮安装的具体位置。

1.3 转向设计方面

由于已知大小两个齿轮之间所具有的传动比，因而将位于小车前轮转向轴上的横销和齿轮轴的转动连接起来，使用两个关节轴承连接位于小车前轮转向轴上的横销和转动的齿轮轴。此时在整个行进的全过程中，小车后轮转两圈，小车前轮支架来回扭转将得以实现，这一个小车周期运动的实现，使小车可以与运动轨迹要求相符合。

2 设计要求探析

三轮结构是无碳小车所采用的结构，无碳小车的前转向轮最大外径大于30mm，将一块普通的外形尺寸为50mm×65mm，质量是一千克的碳钢重块装载于小车上。给定一个四焦的重力势能，具体是借着下降的重块获得这样一个四焦的重力势能，将下降落差控制在398 ～402mm 之间。小车承载着处于下落过程中的重块，其二者处于共同运动的状态中，不允许出现重块掉落小车这一状况。对处于前进中的无碳小车提出经S 形转向运动的要求。此时赛道上每隔一米的距离，会放置一个直径为20mm 与高度为200mm的弹性障碍圆棒，处在运动中的小车应该自主做出将这些障碍物避开的选择。最终成绩按照小车前进距离的多少与选择避开障碍物的数目这二者的具体状况进行评定。

3 初始设计方案探析

一级齿轮减速这一设计方案是本篇文章中进行无碳小车设计时所采用的方案，较宽的车型，较大的后轮直径，做S形转向运动时较易碰到障碍。当设计的转弯弧度不够大时，都是采用这一设计方案所设计出的无碳小车的特点。但也正是由于这些特点的存在，在设计时，底盘位置可以比较低，因而无碳小车的重心也就相应变低，因而具有较好的稳定性，也有较强的适应赛道的特性。

3.1 设计驱动部分的方案

基于大齿轮直径会由于一级齿轮具有太大减速比而变得过大，进而使小车结构出现协调性的问题，因而确定小车后车轮直径为200mm。0.3m 是设定的小车理想轨迹和其轨迹中线之间的最大偏移量，从扇形计算公式可得，2.45 米为沿着弧线的小车所能行走距离的数值，每当行走了一个周期之后，小车后轮过3.9 圈的圈数，此时可得齿轮速比是1：3.9，1为选定的齿轮模数，20 齿是小齿轮的齿数，可以得出78 齿是大齿轮的齿数。应用人力三轮车这一方案解决小车转弯时存在的差速这一问题。选择把小车两个后轮其中一个作为动力轮，而另一个则是从动轮。

3.2 设计转向部分的方案

此次研究中所设计的无碳小车，是经后轮支架，在其底盘上紧固住其后轴与后车轮的。还将转盘与支架以及支承轴，还有大齿轮等一些组件安装于前轮和后轴的中间。将大齿轮与转盘安装于支承轴上，大齿轮啮合位于后轴上的小齿轮，以1：3.9 的减速比给支承轴传递运动，之后位于同轴的转盘在处于转动状态的支承轴的带动下开始转动。还有一个滑槽位于转盘上半径方向，其中相对于转盘中心的滑块可以对半径的大小进行调整，进而使前轮所要求调整的转向角度得以满足。小车驱动力由势能转化而来的全过程中，经转化滑轮组，并且后轴轮在线绳的带动下开始转动。为了使小车行走更多的路程，应该在设计中最大限度的将后轴轮绕线这一部分的直径减少。经准确的计算后，确定4mm 为小车后轴线的绕线直径，这时经计算公式：M=力×力臂，可以得出小车后轮轴的行走力矩为2gm。据此，可以得出，当小车后轮有3.9 圈的转动，其行走弧长为2.45m，直线距离为2m 的时候，转盘会在1：3.9 的齿轮副减速的带动下开始旋转。这时前轮会呈现周期性的左右转动态势，此时无碳小车的S 形转向得以实现，并且会不间断的避开障碍，向前滑动。

4 优化改进初始方案探析

按照上述初始设计方案，小车得以制成，但是在实际试车的过程中，有一些问题出现。基于此，还应优化和改进初始设计方案，彻底的解决这些出现的问题。

4.1 不稳定的前轮运行问题

分析上述的初始设计方案中转向部分的设计方案得知，想要降低干扰或者说彻底避免干扰的存在，而采用将小车前轮所具有的自由转向度提高的方法，但是却没有注意到转向轴孔和前轮转向轴这两部分中间还存在空隙配合这一问题，使处于运行中的小车前轮出现极不稳定这一问题。优化改进初始方案中转向部分设计方案中出现的不稳定的前轮运行问题解决办法：作为标准件的小车前轮转向轴，不能轻易改变其轴承的内径尺寸，但是可以从小车车身入手，采取加工小车车身的办法解决这一问题。在上述的初始方案中，经过盈配合的方式将一个轴承嵌入小车车身中，使其顺利解决小车转向轴孔和前轮转向轴这两部分中间存在的空隙配合这一问题。

4.2 过快的碳钢重块降速问题

从分析上述文章可以得出，一级齿轮减速方案是此次研究中所设计小车采用的减速方案，1：3.9 是小车齿轮速比，换句话说，大小两个齿轮轴之间的转速比是1：3.9。小齿轮轴是连接重块的牵引线所选择绕接的齿轮轴，因而使这一状态中碳钢重块处于一个很快的下降速度。而与重块连接的牵引线是绕接在小齿轮轴上的，这也导致碳钢重块的下降速度很快。优化改进方案中解决过快的碳钢重块降速问题的办法时，要想顺利并且快速解决过快的碳钢重块降速问题就应该从下述两个方面着手：第一，选择大齿轮轴作为连接重块的牵引线所选择绕接的齿轮轴；第二，为了达成将碳钢重块的下降速度再进一步降低的目的，可以选择将连接重块的牵引线和大齿轮轴绕接的地方制成一个锥形台的方法，实践证明，碳钢重块的下降速度得以进一步减缓。

5 结语

本篇文章首先从能量转化设计方面、驱动设计方面、转向设计方面这三个方面对S 形转向运动小车的设计思路进行了详尽而仔细的探析；其次，对S 形转向运动小车的设计要求进行了详尽而仔细的探析；再次，从设计驱动部分的方案、设计转向部分的方案这两个方面对S 形转向运动小车的初始设计方案进行了详尽而仔细的探析；最后，从不稳定的前轮运行问题、过快的碳钢重块降速问题这两个方面对S 形转向运动小车的优化改进初始方案进行了详尽而仔细的探析，保障了项目的顺利实施。