双“8”字绕障无碳小车设计创新性分析

赵家莹 兰扬 周沛泽 南霖潇

摘 要：“8”字绕障无碳小车作为全国大学生工程训练的比赛项目，受到高校在校学生及热衷于无碳小车设计的社会人士关注。针对这种具有创新意义的设计成果，先对“8”字绕障无碳小车的概念加以解释，进一步对其创新性的结构设计、运动原理以及运动轨迹加以分析。

关键词：“8”字绕障;无碳小车;设计;原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.036

在我国各大高校的工程训练比赛项目中，出现了很多集设计者智慧和创新思维于一体的产品设计，双“8”字绕障无碳小车就是其中的一种。该设计问世之后就受到了广泛的关注。为此，本文接下来就着重从以下几个方面加以分析其设计的合理和创新之处。

1 双“8”字绕障无碳小车的概念

近年来，无碳小车主要应用于高校大学生的竞技赛中，而且随着各大高校工程类技术的不断发展，在对其内部结构环节设计上以及运动轨迹设计上，无碳小车的设计技术已经愈发成熟，在该领域就出现了以双“8”字绕障为主的无碳小车技术。所谓“8”字绕障无碳小车主要是指经过设计后的小车能够按照“8”字形的轨迹，在桩距一定的障碍物间绕行，最终比赛成绩的结果评定主要依据小车绕行中历经的几个周期的个数为准。从以往的比赛记录来看，在特定桩距的情况下，小车很容易完成“8”字绕行轨迹的任务，但是如果桩距一旦有所改变，就很容易因为小车绕行轨迹发生偏离，而导致绕行任务失败的结果。传统意义上的无碳小车比赛项目多以“S”型项目为主，而且经常根据此项目与“8”字绕障无碳小车的技术作对比。本文仅以双“8”字绕障无碳小车为例，对其在工程训练比赛项目中的创新性设计进行分析。

2 “8”字无碳小车创新性结构设计分析

目前，无碳小车的创新性主要体现在其结构设计上。无碳小车经过科学、合理的结构设计，为其在竞技赛中正常运行提供了重要保障。具体在结构设计上，主要包括：车身、传动机构、转向机构、驱动机构、微调机构等五个重要部分。为减少设计过程中不必要的摩擦损耗，应在设计之初，将小车的机构进行较为合理的设计，如下图1所示，就是最基本的小车结构框架图：

针对无碳小车在结构上的创新性设计，现对其结构组成部分进行具体分析：

2.1 车身

无碳小车的总体设计，采用三轮的结构，在车身的设计部分，利用三角的形式作为车身底板，这样的设计是为了达到减轻车身所承载重量的目的。铝板作为底板材料的选择材料，有规格上的限制：要选择厚度为4mm的铝板，并且在车身中央的碳棒规格上，要选择3根高度为500mm的碳棒为选择标准。这样设计的目的，是为了对砝码运动方向加以限制。

2.2 转向机构

凸轮机构作为双“8”无碳小车核心部分的转向机构，其结构设计能够遵循小车运动的规律达到结构设计上的要求。

由凸轮参数计算公式可知：ρ=L/tanθ3。

当小车在两端行驶的时候，以圆半径为175mm的轨迹行驶，此时，小车在行驶中的转角最大度数为29.74°，dh的距离即为砝码下降的距离。对小车进行分析的过程，可以结合微元的思想加以分析。

前轮左转，利用公式tanθ3=（b-b0）/l0;前轮右转，利用公式tanθ3=（b0-b）/l0。因此，凸轮角度θ2与b能够在凸轮到动件的推程位移过程中得出二者的关系。

2.3 驱动机构

因为无碳小车在转弯行驶的过程中，两轮之间在速度上会出现差异，因此利用单轮进行驱动，就能很好地解决这一问题。启动小车后，利用梯形绕线轴的设计，随着绕线轴半径大小的变化，逐步控制小车的行驶速度，最终达到匀速前进的效果。

2.4 微调机构

小车的运行轨跡会因为多种因素的存在而发生偏差，例如在设计时桩之间距离的长短变化、加工时人为失误造成的误差。针对这些不可避免的客观因素，为了能达到最终调节偏差的效果，就要在设计之初，利用微调螺母的功能，改变凸轮与摆杆二者之间的接触的长度。

3 “8”字无碳小车的运动原理

“8”字绕障无碳小车的运动原理主要是通过以下过程完成的：图示中利用细绳将重物仅仅缠绕在前传动轴上，再利用传动齿轮啮合驱动轴和前传动轴，进而达到能量得以传递、时速被改变的目的。当重物被释放以后，机构在前传动轴连续运动之后才得以正式运行。仔细观察会发现，主动轮是左后轮。通过轴承器将驱动轴与后轮轴进行连接，达到单侧被驱动的目的，最终使得小车在运行中能够在速度上有所差异的情况下方向得到改变。与此同时，曲柄轮经过前传动轴转动过程中的带动，在曲柄轮以及其伸缩连杆控制无碳小车行走轨迹和方向的情况下，使得无碳小车以固定周期的变化为方式展开运行，以上过程即为“8”字绕障无碳小车设计的运动原理。

4 双“8”运动轨迹

按照大赛中的要求，目前设计出了新型的双“8”字绕障无碳小车，本文按照MATLAB编程理论，对双“8”字无碳小车的运行轨迹进行简单模拟，当小车运行中的轨迹封闭时，就达到了应有的设计效果。

5 结束语

综上所述，本文着重从几个方面介绍了这种新型的双“8”字绕障无碳小车：“8”字绕障无碳小车的概念、其创新性的结构设计、运动原理以及对其设计运行轨迹进行简单模拟，希望通过本文图文并茂、公式解析、列表对比等多种方式，对目前致力于该项目研发的设计者有所帮助。

参考文献：

[1]吴亚昆，王会良，李晨曦，余海洋，李凯乐.双“8”字绕障无碳小车的创新设计[J].科学技术创新，2019（10）：115-116.