S型无碳小车的设计与优化

杨明卓

摘  要：无碳小车是近年来新兴的一种设计研究，十分频繁出现在了各大高校的工程训练综合能力比赛的主题里，而且有愈加流行的趋势。因此，文章着重介绍了一款无碳小车的设计方案，并且根据其在实际应用中出现的问题，对无碳小车的设计缺陷进行了相关的分析与优化。

关键词：无碳小车;设计;优化

中图分类号：TH122        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）24-0105-02

Abstract： Carbon-free car is a new kind of design research in recent years， which appears frequently in the theme of comprehensive ability competition in engineering training in colleges and universities， and has a more and more popular trend. Therefore， this paper focuses on the design scheme of a carbon-free car， and according to the problems in its practical application， the design defects of the carbon-free car are analyzed and optimized.

Keywords： carbon-free car; design; optimization

无碳小车指的是以有机玻璃作为轮子，将焦耳重力势能作为动力的一种可以连续躲避障碍的三轮小车，实现了真正意义的无碳化效果[1]。为了参加全国大学生工训竞赛，本文依据其命题的要求设计了一款S型无碳小车。该小车可以自发的行驶，其驱动来源主要是依靠标准砝码下落的重力作用来提供，而且可以进行自动的转向，避免与其他的小车相撞。如图1所示，该S型无碳小车为三轮结构设计，下落的砝码规格为50*65毫米，质量为1千克，可下降到的高度为500毫米，但是不能落到地上。该砝码是用碳钢材质制成的，按照比赛打的要求，在S型无碳小车运行过程中，砝码全程都要跟S型无碳小车连接在一起，不得发生脱离的情况。

如图2所示为此次大赛的场地，高度200毫米，宽2000毫米，且场上安装有障碍物，直径为20毫米。一般来说，S型无碳小车行驶赛道上的障碍物摆放间距为1米。但是，其最终的摆放间距还要由抽签决定。依据大赛的规定，S型无碳小车的成绩是根据参赛选手S型无碳小车行驶的直线距离和躲避障碍物的数量来判定。

1 S型无碳小车的设计总思路和初始设计方案

为了确保S型无碳小车可以正常的行驶，设计方案中将S型无碳小车分为以下几个部分，分别是传动装置、原动装置、转向装置、行走装置、微调装置等[2]。本次参加比赛的S型无碳小车使用的是一级齿轮传动，原动装置使用的是锥形绳轮，而转向装置受摇杆和曲柄连杆的共同控制，行走的装置使用的是单轮驱动，微调装置使用的是微调螺纹与多工位圆盘。此外，S型无碳小车的车架是呈一级阶梯形底板式的设计。下面文章将对S型无碳小车每个组成部分的设计进行逐一的介绍。

1.1 传动装置的设计方案

传动装置是S型无碳小车设计过程中的难点问题[3]。通过与其他传统的传动装置进行对比分析，发现多级齿轮的传动装置设计会导致小车出现传送效率下降，传动比减小，传动过程不稳定等缺点。为了能让S型无碳小车行驶的更加平稳，传动效率最高，要保证传动装置发挥其最大的效用[4]。为此，本次大赛用的S型无碳小车的采用是一级齿轮传动设计。这样的设计方案既可以提高行驶过程中的传动效率，又可以保证S型无碳小车行驶的平稳性。此外，由于一级齿轮的传动比比多级齿轮的传动比大很多，而过大的齿轮又会导致S型无碳小车整体结构和质量分布不协调。因此，此次参赛的S型无碳小车的传动比设定为5.23，大齿轮数为80，小齿轮数为15。

1.2 原动装置的设计方案

原动装置的主要作用一方面是使砝码下落的重力势能转化为动能带动S型无碳小车向前行驶，另一方面是让砝码下落的运动形式转变为能驱动主轴回转的形式。本次参赛S型无碳小车的原动设计如下：细绳一端绕过小车齿轮的主驅动轴上，另一端与砝码连接在一起，并且绕过固定滑轮。这样的设计方案可以成功的将砝码下落的重力势能转变为动能，让动齿轮带动驱动轮持续的旋转。为了保证原动装置的顺利工作，本次设计特意在驱动主轴上加了一个用来专门负责绕线的锥形线轮，其直径较大的一端位于齿轮方向，直径较小的一端远离齿轮方向且呈逐渐缩小的趋势。设置锥形线轮的主要目的是让S型无碳小车在行驶过程中可以依靠惯性始终保持持续稳定前进的状态，避免S型无碳小车因速度过快而出现前导向轮侧滑的情况。

1.3 转向装置的设计方案

S型无碳小车的导向轮设置在小车的前轮上，其固定架穿过轴承，通过车架和滚动轴承的相互配合，在连杆机构的共同作用下，让S型无碳小车可以实现转向的功能。为了让S型无碳小车的设计更具有实用性，本次在S型无碳小车的转向装置设计中采用了曲柄连杆加摇杆的复合设计方案。该设计一方面可以将驱动轴的旋转运动转化成直线运动，另一方面，曲柄连杆结构可以使导向轮作出周期性的转弯运动，从而让S型无碳小车实现了对障碍物的成功躲避。此外，为了满足连杆的连续转向要求，在设计中用一个杆端关节轴承将多工位圆盘和长连杆，以及长连杆和短杆之间进行了有效连接。

1.4 行走装置的设计方案

本次S型无碳小车的行走装置采用单轮驱动。其中，驱动轮靠近大齿轮处，从动轮位于远离大齿轮的位置。这样设计的主要原因是避免在S型无碳小车躲避障碍时因为后轮的速度差而发生后轮拖滑的情况。据之前的经验得知，后轮如果发生拖滑会导致小车偏离原定的轨迹，因此，采用单轮驱动。

1.5 微调装置的设计方案

这次参赛的S型无碳小车在多个位置都使用了微调装置。例如，在转向装置中应用多工位圆盘将其与主驱动轴之间建立了有效连接。其中，多工位圆盘的主要特点就是该圆盘的工位孔是以其轴心为中心呈散射型分布，且四周的孔位与轴心孔位的间距相等。因此，可以利用这个特点参照比赛赛道障碍物的间距来调节杆端的关节轴承和圆盘长连杆处的连接位置来实现小车对于不同间距障碍物的成功躲避。此外，在S型无碳小车的长杆处也设计了一个微调装置，即螺纹孔和螺纹杆可以相互配合的装置，该装置可以通过调节螺纹杆和螺纹孔间的长度来调整导向轮的最大转角，保证S型无碳小车的水平最远行走距离达到最大化，进而提高躲避障碍物的成功率。

2 S型无碳小车的设计方案的优化

2.1 S型无碳小车躲避障碍物时，行走轨迹无法控制

根据设计方案制造设计了成品的S型无碳小车。但是，在进行实际测试时发现其在躲避障碍物过程中，轨迹无法得到准确控制。经过分析发现，出现这种状况的原因是因为微调装置的精度太低，只要稍不小心改变了螺纹杆和螺纹孔间的长度就会导致导向轮发生很大的变化，进而使小车偏离预定轨迹。

优化方案：将微调装置中的螺纹孔和螺纹杆的直径与导程都进行加大處理，以提高螺纹杆与螺纹孔相互配合时的精度。在对螺纹杆进行细微的调整时，不至于让导向轮最大转角的变化过大而失去控制，从而确保了S型无碳小车行驶轨迹的可控性。

2.2 S型无碳小车无法正常启动

除了行驶轨迹的控制问题外，在实际的测试过程中还发现，S型无碳小车有时会出现静止不动，无法行驶的情况。经过分析认为，出现这种现象的主要原因是原动装置的绕绳方式不恰当所致。由于绕线和砝码的连接段基本都集中在了锥形线轮的小直径处，导致初始的力矩不够，进而使S型无碳小车的动摩擦力小于静摩擦力，难以行驶。

优化方案：将锥形绳轮端点位置的绕线直径增大，进而提高初始力矩，让S型无碳小车的动摩擦力大于静摩擦力，从而能够正常制动。具体操作：把绕绳从锥形绳轮小直径处开始向绕绳锥形绳轮直径增大的方向紧密缠绕，直到砝码上升至合适高度。经过优化改良，S型无碳小车恢复了正常行驶。

3 结论

综上所述，本文通过对S型无碳小车的设计和实际测试，优化了其原始设计方案中不足的地方，让其可以在大赛中进行正常的行驶操作。在优化和设计中，本文总结了以下几点经验：（1）S型无碳小车应该采用一级齿轮的设计;（2）应该适当提高微调装置的精度和设计数量;（3）要提高S型无碳小车的设计精度，降低设计中的间隙，防止行驶过程中因自由度的增加，减弱其躲避障碍物时的稳定性。

参考文献：

[1]赵家莹，兰扬，周沛泽，等.双“8”字绕障无碳小车设计创新性分析[J].山东工业技术，2019（18）：44.

[2]杨智，陈文凯，张钱龙，等.基于四杆机构的“双8字”无碳小车设计和仿真[J].南方农机，2019，50（09）：46+54.

[3]兰京.“S”型无碳小车创新设计[J].内燃机与配件，2019（08）：207-209.

[4]黄志辉，宋天革，周志豪，等.S型无碳小车的建模设计与运动仿真及试验[J].机床与液压，2019，47（08）：88-91.