S形轨迹小车创新结构设计

江飞　杨智涵　苏超榆　张晶　陈晓航

摘 要：S形轨迹竞赛项目是全国大学生工程训练综合能力竞赛的重要项目，比赛要求小车采用三轮结构，仅由标准1kg砝码提供动力，要求砝码下降高度在398～402mm，小车能绕桩以S形轨迹向前行走，最终成绩以小车运行距离和绕桩桩数为准。本研究探索了无碳小车的结构优化创新，主要涉及小车的转向机构、驱动机构、各部分的限位及减小无碳小车的各部分能量损失等。

關键词：无碳小车;结构设计;能量转化;轨迹计算

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）25-0052-03

Innovative Structure Design of S-shaped Trajectory Car

JIANG Fei YANG Zhihan SU Chaoyu ZHANG Jing CHEN Xiaohang

（School of Mechanical and Electrical Engineering and Automotive Services， Wuhan Business University，Wuhan Hubei 430056）

Abstract： The S-shaped trajectory competition project is an important project of the National College Students Engineering Training Comprehensive Ability Competition. The game requires the car to adopt a three-wheel structure， which is powered by only the standard 1kg weight， and the weight lowering height is required to be 398～402mm，the trolley can walk forward around the pile in an S-shaped trajectory，the final result is based on the distance traveled by the trolley and the number of piles. This study explores the structural optimization and innovation of carbon-free cars， mainly involving the steering mechanism， drive mechanism， limit of each part of the car and reducing the energy loss of various parts of the carbon-free car.

Keywords： carbonless car;structural design;energy conversion;trajectory calculation

2019年6月1日至2日，第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛全国总决赛在天津职业技术师范大学成功举行。其中，S形竞赛项目要求小车采用三轮结构，仅由标准1kg砝码提供动力，同时要求砝码下降高度在398～402mm，小车能绕桩以S形轨迹向前行走，最终成绩以小车运行距离和绕桩桩数为准。

1 转向机构

1.1 四连杆空间曲柄摇杆机构

小车以S形绕桩运动时，前轮进行周期性往复运动，能实现这一要求的机械结构有平面曲柄摇杆机构、空间曲柄摇杆机构和凸轮机构等[1]。在小车运行过程中，齿轮传动比凸轮机构的传递稳定性好，空间四连杆曲柄摇杆机构相较于平面四连杆曲柄摇杆机构更加紧凑，因此最终选择空间四连杆曲柄摇杆机构，其由车身主体、连接前轮的水平摇杆、连接驱动轴的竖直曲柄以及连接摇杆和曲柄的连杆组成。连杆上，两端为球形关节轴承连接，以满足空间曲柄连杆机构的运行要求。

1.2 连杆机构中的微调机构

在运行过程中，小车数据精度要求较高，所以摇杆曲柄和连杆都设有微调机构。摇杆及曲柄上设计了矩形孔，螺钉与杆成90°装配于孔中，使螺钉能在上面滑动微调，使用螺母即能锁死固定[2]。连杆中段加装微分头，使连杆长度能进行微调。利用曲柄和摇杆上的微调机构，人们可以调整每个周期中前轮转弯角度的大小;利用连杆上的微调机构，人们则能调整前轮的运动周期，使前轮的周期对称（急回特性导致前轮在运行时左转周期和右转周期并不对称，所以需要微调校准，使小车周期对称）。

2 驱动机构

2.1 驱动轴设计

小车的动力来源为1kg砝码400mm高度的重力势能，其通过细绳连接在驱动轴上。由于线长是固定的，所以驱动轴的直径决定了驱动轴的旋转圈数，进而决定了小车能行驶的距离，所以驱动轴直径越小，小车运行距离越远。但是，小车发车时，绕线轴需要一个较大的力矩，而稳定行驶时力矩应当较小（过大的力矩会使车速过快，造成小车翻车）。笔者在驱动轴上加装了一锥形螺纹绕线轴，它能在发车时提供较大力矩，稳定行驶时提供稳定的较低输出功。

2.2 后轮差速

小车绕桩时，前轮为转弯轴心，两后轮在转弯时会存在内轮差，这样会直接影响小车行驶的稳定性，因此两后轮设计为相互独立、互不干扰的形式。右侧后轮为驱动轮，通过齿轮将砝码的重力势能转化为驱动轮的动能，推动小车向前行驶。左侧后轮为从动轮，可独立空转，主要作用是为小车提供支撑，稳定重心。这样一来，小车便消除了两后轮间的差速影响。

2.3 齿轮传递设计及计算

由于驱动轴旋转圈数一定，要使小车行驶更远，人们就要增加驱动轮旋转圈数、驱动轮轴与驱动轴间的齿轮比和后轮直径。首先，设计出理想S形轨迹小车的运行轨迹（单位为cm），如图1所示，然后分析小车运行状态。理想S形轨迹小车的运行轨迹曲线方程为：

分析图1可知，在波峰时，小车前轮向右偏最大，在波谷时，小车前轮向左偏最大。所以，人们可以以“小车后轮运行理想轨迹从波峰到波谷（或从波谷到波峰），前轮转向从向右最大转到向左最大（或从左最大转到向右最大）”为依据来计算齿轮比。其间运用MATLAB计算理想运行轨迹的曲线积分，求出一个周期小车后轮的行驶路程，运算后可得出两组齿轮的齿轮比与后轮直径的关系。为了满足加工需求，人们要选取合理的后轮直径和两组齿轮比。

3 各部分限位

3.1 轮轴限位

前轮与底板的限位是指通过两个法兰轴承和一个等直径的普通轴承固定前轮与摇杆间的连接轴，驱动轮和从动轮都是用法兰盘通过紧定螺钉与轴连接[3]。轴比较细，通过键槽或孔限位时容易断裂，笔者选用平位限位（将轴与紧定螺钉间需要固定受力的地方磨平一小段）。

3.2 绕线轴限位

绕线轴体积较大，所以采用3D打印。打印材料为树脂材料，强度较低，不易加工螺纹，故在装配紧定螺钉的下方预留了矩形孔，能放入一小型螺母，紧定螺钉通过螺母使绕线轴与驱动轴间受力，同样在紧定螺钉与驱动轴固定的地方加工平位。

3.3 轴及轴承限位

轴设计为阶梯轴，在延轴线方向上，轴不会滑动。由于加工公差，轴承在侧板上不能完全固定，而螺纹锁死则会影响轴承与轴的同轴度，因此笔者设计了一限位圈（限位圈材料为树脂，易打磨，直径略大于轴承孔），它能嵌入侧板的轴承孔中，固定轴承，这样既满足了轴承和轴的限位，也没有影响同轴度而造成误差。

4 能量减损

4.1 材料选择

车身、侧板、齿轮和车轮是车体重量的主要构成，而车身、侧板、齿轮的强度要求较高，所以应当选用材料较轻、强度较高的铝合金7075，而车轮需要较大的摩擦力，所以选用POM材料。轴是连接的重要部件，体积小，质量占比较小，但强度要求很高，所以使用的是碳钢材料。砝码的支撑为4根碳纤维丝杆[4]。

4.2 结构减重

除去结构装配部分，在不影响强度的情况下，小车底板、侧板、车轮和齿轮都进行了减重处理，以减小车体重量。小车螺母数量过多，笔者便将底板的直孔加工为螺纹孔，减少螺母数量。

5 结构及轨迹计算

5.1 小车轨迹计算

根据小车理想运行轨迹，以式（1）为基础，运用曲线积分计算一个周期的曲线长度（cm），即

[S=02001+13π502×sin2πx100dx]                    （2）

如图2所示，运用MATLAB软件对式（2）进行计算，积分可得：[S≈230.045 7 cm]。

5.2 小车齿轮传动计算

设后轮轴转动角速度为[ω1]，所在轴齿轮齿数为[z1];设绕线轴转动角速度为[ω2]，与后轮轴齿轮啮合的齿轮齿数为[z2]，与转向轴齿轮啮合的齿轮齿数为[z3];设转向轴转动角速度为[ω3]，所在轴齿轮齿数为[z4];设后轮半径为[R][5]。

后轮线速度为：

[ν=R×ω1]                                （3）

转向轴转一周完成一个周期的时间为：

[T=2πω3]                                    （4）

分析可知，當后轮走过一个周期的小车理想运行轨迹时，转向轴刚好转一周。令[T=Sν]，则

[2πω3=S2πR]                              （5）

[ω1ω3=S2πR]                              （6）

因为

[ω1ω2=z2z1=n12ω2ω3=z4z3=n34]                      （7）

所以

[ω1ω3=n12×n34=z2z1×z4z3]                      （8）

将式（8）代入式（6）可得：

[n12×n34=S2πR]                              （9）

[n12n43=z2z1z3z4=S2πR]                          （10）

考虑到要使后轮半径有较高精度并且易于加工，取[R=8.7cm]，[n12=7]，[n43=53]，[z1=20]，[z2=140]，[z3=50]，[z4=30]。

6 其他补充

小车在行驶时车身较轻，车上悬挂1kg砝码导致发车阶段小车重心较高，车身转弯时离心力较大导致车身容易侧翻、驱动轮空转，造成轨迹改变，因此小车底盘应适当降低，加长前轮与后轮的间距及两后轮的轮距。小车稳定行驶时应当保持较低速度，尽量减小离心力对小车的影响，保证小车行驶的稳定性。

参考文献：

[1]豆龙江，詹长庚，庞晨露，等.无碳小车的机械结构设计[J].机械工程与自动化，2014（2）：84-86.

[2]陈晓东，石雁南，张莉莉.无碳小车的设计、制作与创新实践[J].实验室研究与探索，2013（12）：92-95.

[3]徐岩，佟岳军，陈彦国.自动绕障无碳小车的设计[J].现代企业教育，2012（11）：281.

[4]姜海林，王文志，刘磊.无碳小车下坡自动液体阻尼减速机构设计[J].淮阴工学院学报，2018（3）：17-19.

[5]刘洋洋.“8”形轨迹无碳小车转向机构优化设计及运动仿真[J].现代制造技术与装备，2017（12）：92-93.