“S”型无碳小车的设计

徐军委 安春桥 何璇 谢鑫

摘 要：第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛要求自主设计并制造一种并具有方向控制功能的自行小车，并能实现避障功能。本文针对这一要求，设计了一种以曲柄双滑槽机构作为转向机构实现转向功能的无碳小车。本文主要从能量转换、传动结构、转向结构三部分对该小车进行介绍，并给出了无碳小车传动比、尺寸等参数。

关键词：无碳小车;结构设计;曲柄双滑槽机构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.018

0 引言

根据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求，参赛选手要自主设计一种具有方向控制功能的自行小车，要求其行走过程中完成所有动作所需的能量均由给定重力势能转换而得，不可以使用任何其他来源的能量。本文则根据大赛要求设计一种带有曲柄双滑槽机构的S型无碳小车，相比带有曲柄摇杆机构的小车，参数计算更加简单。

1 小车结构设计

如图1所示，小车结构为三轮结构，前轮为转向轮，为减少行进阻力，后轮采用一轮驱动，一轮随动的形式。设计的小车要能够在图2所示指定赛道上按照类似路线绕障行驶，障碍物的间距为。

1.1 能量转换部分

为了使重锤的重力势能能有效地转化为小车的动能，采用定滑轮结构。使用细绳，使细绳一端固定在重锤上，另一端缠绕在绕线轴上，重锤下落带动绕线轴转动，再通過传动机构驱动后轮转动，实现小车前进。由于小车行驶前的静摩擦大于行驶中的动摩擦，需要给予小车一个较大的启动转矩，而稳定行驶过程则需要较小的转矩，故启动时细线所绕直径取20mm，稳定行驶时细线所绕直径取8mm，绕线轴三维模型图如下图3所示：

1.2 传动部分

小车通过一级齿轮传动驱动后轮轴转动，实现小车前行。齿轮传动比需选择合适，传动比过大则小车难启动，过小将导致小车行进速度过快，不稳定且传动效率低。经初步计算，选取传动比为，齿轮模数为，大齿轮齿数，小齿轮齿数。

设定小车的运行轨迹方程为，根据光滑曲线定积分公式：

式中，得到一个周期内小车行驶距离为，一个周期内后轮转动圈数为圈，故后轮直径，取后轮直径为。偏差部分利用后面转向机构的调节齿轮来弥补。

1.3 转向部分

为减少计算量，转向部分利用曲柄双滑槽机构控制转向。转向部分包括调节齿轮、偏心槽、竖滑槽、导向轴、关节轴承、直线轴承、固定夹块和转向轴等。偏心槽的旋转运动带动竖滑槽和导向轴的平移，它们的平移运动又通过关节轴承带动转向轴的偏转从而实现转向。图4即为转向机构的三维模型示意图。

其中调节齿轮的作用是保证小车行进一个周期的同时前轮刚好左右摆动一个周期。根据所取后轮直径，小车行进一个周期长度时，后轮轴上的小齿轮转动5圈，绕线轴上的大齿轮和下调节齿轮转动0.9圈。又上调节齿轮需转动1圈，故上、下调节齿轮的传动比为1：1.11，利用UG建立三维装配模型，最终确定上、下调节齿轮的模数，齿数分别为，。

该机构通过调节偏心槽中连杆的偏心量来改变小车行驶幅度，导向轴两端分别为左旋螺栓和右旋关节轴承，通过调节导向轴部分来保证小车行进路线的轴线为直线。该机构的优点就是便于拆装和调试，可调性好，装配精度高。

1.4 其余结构参数

用UG对小车进行建模和虚拟装配，确定小车底板尺寸为，底板距地面距离为，前轮直径。

2 小车结构优化

为减轻小车重量以降低行进阻力，无碳小车所用齿轮、底板和轴承座均采用较轻的铝合金材料加工，并将小车后轮、底板多处镂空以减轻重量。另外为降低小车重心，在地板上开齿轮槽，调整结构可降低大齿轮和上、下调节齿轮距地面的高度，使小车行进更平稳。图5为小车整体结构示意图。

3 结语

本文设计的无碳小车符合大赛要求，完全依靠重块的重力势能驱动，结构紧凑，整体质量较轻，重心低，行驶平稳。选用曲柄双滑槽机构作为小车的转向机构，结构参数设计较简单，能有效保证小车按规定路线行走。不足之处为尺寸设计存在一定偏差，对后面的装配调试有一定影响。

参考文献：

[1]刘欢，潘依依，张旺.S形无碳小车的设计[J].产业与科技论坛，2018，17（01）：61-62.

[2]王斌，王衍，李润莲等.“无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报：自然科学版，2012，28（01）：59-62.

[3]潘晓帅，廖显羲，马坤武等.无碳小车的创新设计及仿真[J].机械工程师，2018（04）：76-78.

作者简介：徐军委（1997-），男，河南商丘人，本科，研究方向：机械结构设计与创新。