1、“S 形轨迹无碳小车的结构设计摘要：针对第四届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的无碳小车，且小车具有周期性越障功能。通过所学知识，设计并制作该小车，参加比赛。设定不同的参数，借助工程软件 MATLAB 对小车的轨迹进行仿真计算。通过分析，设计出一辆满足比赛要求的小车。并且通过调试证明，小车能够稳定行驶，具有较高的可靠性。关键词：无碳小车 越障 轨迹 仿真 0 前言本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于“S”形轨迹的要求，设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小车。小车为三轮结构，前轮为方向轮；后面一轮为驱动轮，一轮
2、为从动轮。小车具有可调节的转向控制机构，以适应 700-1300mm 间距的不同间距障碍物。1 小车结构设计本文把小车的机构分为：原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身。除了轴承、螺栓螺母等标准件可以直接选用外，小车的其余部件均使用 LY102 铝合金制作。本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调，满足强度要求、实现不同距离的越障功能。下面是各个机构的设计：1.1 原动机构设计原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能，从而驱动小车前进和转向的机构。重物是 1kg 的标准砝码，重物周围是三根均布的钢管，从而约束重物的自由度，使重物直线下降，减少了能量损失，保证了小车重心的稳定性。重物通过
3、尼龙线绕在小车的绳轮上，在下降的过程中，带动绳轮的转动，实现了能量转换。在实际测试中，证明了该结构简单、能量转化率高、成本低等特点。1.2 传动机构设计传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽，本文设计的小车的传动机构由后轮、一级齿轮、及其相关零件组成。由于小车具有转向的功能，为不干扰小车的转向，后轮采用差速连接。小车的右后轮为主动轮，左后轮为从动轮。主动轮与传动机构相连，驱使小车的运动，从轮轮用轴承空套在后轴上，跟随小车的运动。为了适应不同间距越障，同时增大小车行驶的距离，我们采用多组齿轮啮合的方式,将 700-1300mm 的间距大致分为三组：700900mm， 9001100mm，1
4、1001300mm 。分组后可根据不同障碍物间距，对应着不同组齿轮的啮合，从而调整越障的幅度。与单组齿轮传动相比，这种传动方法越过的障碍物更多，行走距离更远。下图是传动机构的齿轮分布图，通过移动后轮轴上的齿轮组，则可以切换不同组齿轮的啮合。图 3 传动齿轮分布示意图根据本文设计，两后轮轮距为 150mm，且后轮的直径为 150mm，且保证小车最逼近障碍物时的安全距离，即最小振幅为 200mm。下面是三组齿轮啮合的具体计算：在间距为 700900mm 时，以满足最大桩距 900mm，且轨迹曲线为余弦曲线，取 x 为小车轨道中心线位移，y 为小车偏离中心线位移，单位为 mm，则有)90cos(20
5、x对弧长进行积分得， mdydyf xss 201),(800通过计算，当弧长为 2002mm 时，最大振幅是 330mm，此时桩距为 700mm。在间距为 9001100mm 时，以满足最大桩距 1100mm，则有)10cos(21xy对弧长进行积分得， mdydyf xss 23701),(20在间距为 11001300mm 时，以满足最大桩距 1300mm，则有)130cos(2xy对弧长进行积分得， mdydyf xss 27461),(260因为我们利用线切割特种加工齿轮，齿轮的模数可以是非标准模数，故针对以上三组数据，结合后轮的直径与一个周期轨迹的弧长，得到三组不同的传动比，计算得
6、到；8.5,130;0.5,190;25.4,907 2 ixixix1.3 转向机构设计转向机构是小车的关键机构，是小车前进过程中实现周期性运动的重要保证。我们采用了空间曲柄连杆机构，实现了小车在行驶过程中，前轮左右周期性的转动。该机构结构简单，稳定性较高，连杆之间使用球铰连接，摩擦阻力较小，方向轮叉架与车身采用了推力球轴承和一对法兰轴承，减小转弯过程中的摩擦阻力，提高转轴的同轴度，保证了转向机构的稳定性和可靠性。图 6 转向机构示意图下面是转向机构的杆长设计计算：根据后轮轮距为 150mm，则取曲柄与车中心线距离为 ，且与转向轮mf5连接的摆杆长度也为 ，同时转向轮间与后轴的距离为 ，根据
7、小me5b138车运动轨迹，计算小车的最大转角为桩距为 700mm 时的转角，通过计算在桩距为700mm 时，轨迹公式为， )70cos(3xy根据质心处转弯半径与前轮转角的关系为， （ 为前轮的转角）tanr根据小车轨迹在计算小车的曲率半径为， y5.12)(得 ，转角 。此时对应曲柄和连杆的最大合长度 。93.0tan0max43 maxl通过计算得到最大合长度 ，且连杆长度 与曲柄长度 分别达l.1n到各自的最大值，且根据长度关系，得 。3.,9522nmnm8.32,5.0axax同理计算小车在桩距为 1300mm 时的最小转角。通过轨迹和曲率半径公式，得 ，转角 。此时对应曲柄和16
8、.tn0in1连杆的最小合长度 。minl通过计算达到最小合长度为 ，且曲柄和连杆分别达到各自的最ml49.0in小值，根据长度关系，得 。49.10,9522nmmnm04.9,45.9iin综上，连杆长度 ，曲柄长度 ，单位为：mm。),5()832(为本文加工零件提供了参数，同时也为调试时，提供了连杆长度和曲柄长度的范围。方便了后期的调试。图 7 转向机构三维示意图1.4 微调机构设计微调机构是小车柔性的体现，调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距。无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调。曲柄的长度控制的是小车行驶的周期即桩距，曲柄长度越长，周期越短，即适应障碍物的间距越短。
9、连杆的长度控制的是方向轮左右转角多少有关。根据轨迹对称性，所以要调整连杆的长度，使左右转角尽可能相等，否则轨迹就会偏离赛道，这决定了小车绕桩的情况。所以曲柄长度和连杆长度的调整恰当与否是比赛时的关键。因为轨迹线对两者长度非常敏感的，所以要精确的调试两者的长度。本文使用的是类似丝杠的机构，用带螺纹的的连杆和曲柄，并用螺母锁死。调整时拧松螺母，旋转螺栓，改变长度，这样可以比较精确的调整曲柄和连杆的长度，提高了小车的可靠性。1.5 车身车身是一切机构得以实现的载体，其主要承受的是重物的压力和地面对车轮的反作用力。为了满足强度，本文采用 3mm 铝合金板，对不承受力且不影响强度的地方，采取镂空处理。2
10、 结论本次设计的小车的创新之处在于能适应不同的间距，采用不同传动比的齿轮啮合，减小了行驶过程中的运动幅度，从而使小车行驶的距离更远。并且通过类似丝杠的微调机构，通过拧螺丝的方式调整曲柄和连杆长度，从而更加方便、精确地调整小车的行进间距。本文加工出了较高精度的零件，装配后进行了调试。实际应用结果表明，设计加工出的小车具有较高的稳定性与可靠性，满足比赛要求。参考文献:1王斌.”无碳小车”的创新性设计J.山西大同大学学报，2012（2）.2杨明忠，朱家诚.机械设计M.武汉理工大学出版社.2013.3白雪，唐鹏达.机械传动无碳小车的设计构想J.工业设计,2011（8）.4赵登峰,陈永强 ,邓茂云，机械原理M,西南交通大学出版社，2012.5杜志强.基于 MATLAB 语言的机构设计与分析M.上海科学技术出版社，2011:118-120
