基于S形运动轨迹重力势能小车的结构设计

左伟玲

摘 要：重力势能小车的原理是将钩码的重力势能转换为设计小车的动能，在不消耗能源的情况下，实现能量的转化，作为无碳小车动力源驱动其行进和转向。根据全国大学生工程训练综合能力竞赛中的S形运动轨迹无碳小车比赛相关要求，本文从能量转化设计、驱动设计及转向避障设计等方面对S形运动轨迹无碳小车的结构设计进行探析。

关键词：S形运动轨迹;无碳小车;微调机构;结构设计

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）32-0084-03

Structural Design of Gravity Potential Energy Trolley

Based on S-shaped Motion Trajectory

ZUO Weiling

（Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： The principle of the gravitational potential energy trolley is to convert the gravitational potential energy of the hook code into the kinetic energy of the designed trolley， realize the energy conversion without consuming energy， and drive its travel and steering as a carbon-free trolley power source. According to the requirements of the  S-shaped trajectory carbon-free car competition in the national university student engineering training comprehensive ability competition， this paper analyzed the structural design of the S-shaped trajectory carbon-free car from the aspects of energy conversion design， drive design and obstacle avoidance design.

Keywords： S-shaped motion track;carbon-free car;fine-tuning mechanism;structural design

第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题为“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”，S形运动轨迹无碳小车的设计是其中项目之一。要求设计注重创新与实用，在设计成本、材料选取、加工复杂度等方面做出合理的分析和调整，通过数据化设计使用Matlab和Sloidwords，对全车原理图进行可行性分析和结构优化设计，成功实现无碳小车的S形运动路径。本文结合自身比赛相关经验，针对S形运动轨迹无碳小车的设计及调试提出一些可行性思路和方法。

1 设计要求

本研究設计一种将重力势能转换为机械能，并可用来驱动小车行走及转向的装置——无碳小车。如图1所示，该小车采用三轮结构，在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物。要求无碳小车在前行中能灵活控制方向，小车整体结构简单、可靠，制造方便，易于装配、调试，成本低，现场可拆装。

2 选定无碳小车运动轨迹进行可行性分析

如图2所示，S形竞赛赛道宽度为2m，沿直线方向水平铺设，小车在前行时能够自动绕过赛道上设置的障碍物，障碍物为直径20mm、长200mm的圆棒，沿赛道中线从距出发线1m处开始按平均间距1m摆放。

比赛要求无碳小车稳定自如，有效绕桩数量多，垂直距离远。因此，无碳小车的设计方案就非常关键。分析众多的设计方案，笔者初步确定以下几个重要结构：前轮转向机构的设计、动力传动方式和后轮驱动机构的设计。各部分机构确定后，绘制小车的原理图进行可行性分析。

根据设计无碳小车的原理图，论证其能否实现S形运动轨迹。砝码靠重力下落带动绕绳轴旋转，绕绳轴带动一对啮合大齿轮和小齿轮旋转，从而带动前后轮，给小车运动提供前行动力。同时，绕绳轴旋转又带动右端的曲柄滑块机构，通过螺纹连杆和螺纹摇杆使前转向轮左右摇摆，以达到小车前行过程中转换方向的目的。

3 无碳小车结构设计

根据所要实现的比赛要求，无碳小车的设计结构有车架、动力转换机构、传动机构、行驶机构、转向机构和微调机构等几大部分，结构设计的合理与创新直接影响小车的运动稳定性及行驶轨迹。

3.1 动力转换机构

驱动小车行走及转向的能量均由砝码下落的重力势能获得，统一用质量为1kg的标准钩码（[Φ]50×65mm，碳钢制作），可下降高度为（400±2）mm，标准钩码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。设计安装在小车顶部支架的定滑轮将1kg的钩码下落的重力势能转化为驱动轴机械能，线绳绕在驱动轴上直接带动驱动轴作为小车动力源，其结构简单，效率高。

值得注意的是，由能量守恒定律得知，[W势能损][=W摩+W]，即钩码下落的势能等于小车车轮与地面的摩擦力做功及小车内部各个转动零件相互摩擦损耗做功之和。所以，在[W]（势能）恒定情况下，应尽量简化小车结构，减少内部机构损耗。小车要稳定行走，小车的速度就必须适中。如小车进入高速行进状态，受车身的惯性作用和砝码的晃动影响，小车转向时容易发生侧翻或撞障碍物现象。

3.2 传动机构

本研究设计的无碳小车传动机构采用一级齿轮传动，以达到有效减速的目的。一般传动机构的设计主要有齿轮传动、带传动、链传动和蜗杆传动等方式。其中链传动不稳定，蜗轮蜗杆传动制造较复杂，能耗较多，不适用于无碳小车。而带传动结构不紧凑，也容易打滑。考虑到小车设计要求结构简单紧凑、传动效率高、便于装拆等因素，笔者就选择一级直齿轮传动机构。驱动轴的一端安装一对啮合的齿轮传动，把动力传递给后驱动轮和前转向机构，以实现小车的前行与自由转向。这种齿轮传动具有传动效率高、传动平稳、传动比稳定和结构简单工作可靠的优点。不足之处是制造成本偏高。小车传动简图如图3所示。

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3.3 行驶机构

驱动轴绕线部分采用锥形轴，利用驱动轮轮轴直径的变化实现驱动力矩的变化，从而控制小车的行驶速度。行驶机构采用单轮驱动实现差速，前轮转向，后轮一个作为驱动轮，另一个作为从动轮。设计小车向前运动靠后轮驱动，但小车转弯时左后轮、右后轮存在线速度差，因此需要设计一个差速机构来满足这种情况。一般的差速机构采用锥形齿轮，而锥齿轮结构复杂，制造精度难以保证，不易拆装，价格也较高，不符合无碳小车轻便、结构简单、不承受重载的要求。经综合考虑，本设计在从动轮中心处安装一对轴承，与主动轮连接的軸则和轴承内圈配合实现差速，这样既能实现两轮差速运动，又避免了从动轮在运动中出现晃动，大大提高了运动精度。小车设计架构如图4所示。

3.4 微调机构

微调部分所要实现的功能有两个：一是实现前轮最大转角，二是实现转动周期的变化。根据以上功能要求，微调机构可以用曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构能通过改变摇杆的长度，带动连杆的摆角范围增大，从而使前转向轮的最大偏角发生改变。转角α的改变具有连续性，再配用微调滑块（有螺母紧固滑块）式机构，这样微调调节就具有连续性，调节精度较高。

本设计采用微调螺母螺钉来修正无碳小车行驶轨迹。小车在长连杆安装螺杆及双螺母配合的微调机构，通过螺旋杆调节杆长，改变转向轮的最大偏角和周期，实现稳定避障，行走出符合要求的S形轨迹。此微调机构配合精度较低，微调一点就会引起小车运动轨迹偏差，行进状态不易稳定。

3.5 转向机构

小车的转向机构是设计的关键部分，直接决定小车行走轨迹。结构必须简单，要尽可能减少摩擦耗能，同时要具有特殊的运动特性，能将回转运动转化为符合要求的来回摆动，从而带动转向轮左右转弯及避障。

S形轨迹无碳小车在比赛行进过程中不但要能自动转向，避开障碍桩，而且要走出S形运动轨迹。无碳小车前轮转向，一般设计的转向机构有曲柄摇杆机构、凸轮机构、槽轮机构三种。曲柄摇杆机构设计简单，调试方便，制造成本低廉，转向平稳，但存在急回特性。凸轮机构设计比较复杂，制造成本高，对设备精度要求高，但稳定性比较好。槽轮机构设计简单，但精度要求高，制造成本介于曲柄摇杆机构与凸轮之间，转向较急。经过综合考虑，笔者采用曲柄摇杆机构实现前轮的转向。

设计曲柄摇杆机构作为无碳小车行进中前轮的转向机构，负责往复运动和摆动恒定的角度，由轴承与车架过盈配合，导向轮固定架用螺丝紧固于底板上，其垂直轴穿过轴承，调整曲柄、摆杆和连杆长度，可实现小车前轮的转向，小车的随动轮结构主要是避免在转弯过程中由于内、外轮的线速度差异而造成的摩擦损耗。此机构可使前轮呈现周期性左右转动状态，实现小车S形运动路径。其不足是安装误差大，容易自锁，行车速度快了就会有振动。

4 结语

无碳小车从设计到制作调试经过了几个阶段，首先建立小车运动轨迹数学模型进行理论分析，运用Sloidwords软件进行小车的实体建模和部分运动仿真，再通过Matlab进行能耗规律分析、运动学分析、动力学分析和灵敏度分析，进而得出小车的具体参数和运动规律。整个小车设计制作过程中，参数不断优化，结构不断改进，运行轨迹也不断调试。本设计在这次比赛中取得了不错的成绩，但仍存在小车微调机构设计不合理而导致小车行驶不稳定、轨迹无规律的问题，这是下次比赛需要改进设计的地方。

参考文献：

[1]韩志民，罗凤利.S形轨迹无碳小车的结构设计[J].机械制造，2018（6）：31-33.

[2]林剑锋，林伟青.无碳小车设计研究[J].科技创新与应用，2016（9）：49-50.

[3]朱子恒.无碳重力小车运动分析与转向机构设计[J].中国科技纵横，2017（3）：62-63.

[4]陈果，黄荣舟，李炳川.无碳小车转向机构设计与微调分析[J].机械工程师，2015（15）：152-154.