“S”型無(wú)碳小車技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

周婷婷

摘要：根據(jù)第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題要求，設(shè)計(jì)一種將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的無(wú)碳小車，輔以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、可調(diào)機(jī)構(gòu)使小車實(shí)現(xiàn)“S”型軌跡且不等樁距的繞樁功能。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);微調(diào);曲柄搖桿

0 ?引言

根據(jù)競(jìng)賽要求，自主設(shè)計(jì)小車結(jié)構(gòu)，畫圖并且自己動(dòng)手制作各個(gè)零部件，組裝調(diào)試達(dá)到以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的小車。競(jìng)賽要求小車在指定賽道上實(shí)現(xiàn)避障行駛，且障礙物的距離在一定范圍內(nèi)隨機(jī)調(diào)整，以小車成功繞障數(shù)量和前行的距離來(lái)評(píng)定成績(jī)。因此在制作小車各部件前，需要對(duì)小車進(jìn)行合理的理論計(jì)算設(shè)計(jì)，借助MATLAB對(duì)其軌跡進(jìn)行仿真計(jì)算，針對(duì)仿真出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在制作各個(gè)零部件時(shí)，不可能與仿真軌跡完全吻合，需要反復(fù)進(jìn)行試跑-調(diào)試-記錄數(shù)據(jù)-修改零件-試跑。最終找到最優(yōu)化的數(shù)值，確定最優(yōu)機(jī)構(gòu)，掌握小車的實(shí)際行走規(guī)律。

1 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之初，首先查閱前幾屆比賽相關(guān)的論文，分析本屆競(jìng)賽要求，初步設(shè)計(jì)出無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)。利用SolidWorks軟件進(jìn)行各部件的三維設(shè)計(jì)，二維圖與三維圖，組裝圖與爆炸圖，制作并組裝實(shí)物小車。對(duì)小車進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，針對(duì)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，不斷修改并完善零部件，最后得到結(jié)構(gòu)合理的小車實(shí)物。

無(wú)碳小車是利用砝碼下降的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)能，進(jìn)而直接使用一級(jí)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)后輪前進(jìn)?；驹瓌t是結(jié)構(gòu)合理，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，易于拆裝，便于調(diào)節(jié)，精度高。

實(shí)現(xiàn)S形軌跡可以有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用主要結(jié)構(gòu)有動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，微調(diào)機(jī)構(gòu)。

1.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用了繩輪結(jié)構(gòu)：用繩子將砝碼拴住懸吊在三根細(xì)長(zhǎng)柱中間繞過(guò)頂端的繞線輪（如圖1），繩子的另一端固定在繞線軸（如圖2）上（既是繞線軸又是主動(dòng)軸）。故此將砝碼下降的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要求能量損耗少、傳動(dòng)比精確，故優(yōu)先選用齒輪機(jī)構(gòu)（如圖3），為使無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選擇了一級(jí)傳動(dòng)。

1.3 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)兩后輪的差速，便于轉(zhuǎn)彎，因此選用單輪驅(qū)動(dòng)。兩后輪一個(gè)作為主動(dòng)輪另一個(gè)為從動(dòng)輪，最大程度上優(yōu)化了小車的結(jié)構(gòu)（如圖4）。

行走功能的實(shí)現(xiàn)：重物下落所產(chǎn)生的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（即小車驅(qū)動(dòng)力）。繞繩處驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小車向前運(yùn)動(dòng)。

1.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（如圖5）。 驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)使曲柄旋轉(zhuǎn)，連桿沿一條直線前后推動(dòng) ，搖桿被連桿推動(dòng)使其在一定范圍內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)，搖桿擺動(dòng)使前輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)向繞過(guò)變距離的樁。

1.5 微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)機(jī)構(gòu)主要選用微分筒（如圖6）和曲柄，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的連桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，使小車能行走正確的軌跡。

微調(diào)功能的實(shí)現(xiàn)：微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車柔性的體現(xiàn)，調(diào)整它能使小車能夠適應(yīng)不同的障礙物間距，無(wú)碳小車的微調(diào)主要體現(xiàn)在對(duì)曲柄長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度的微調(diào)。

曲柄的加工有點(diǎn)復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)小車的微調(diào)采用打孔的方式。選用角度相等的8個(gè)位置，每個(gè)位置打3個(gè)孔（即24個(gè)孔），每個(gè)孔離中心的距離都不同（如圖7所示）。當(dāng)樁距變化時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際樁距的大小，通過(guò)選擇曲柄上不同的孔，以改變小車周期的大小，從而繞過(guò)障礙物。

2 ?心得體會(huì)

經(jīng)過(guò)無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、比賽，學(xué)到了很多課本上面學(xué)不到的東西，可謂是受益匪淺。從競(jìng)賽開(kāi)始到小車制作完成，再到小車順利運(yùn)行，期間經(jīng)歷了汗水、忙碌與挑戰(zhàn)，不僅贏得了成功，而且還收獲了失敗后走向成功的經(jīng)驗(yàn)。最初小車調(diào)試效果不佳，但是在指導(dǎo)老師們的幫助下，學(xué)會(huì)了沉下心來(lái)尋找問(wèn)題的所在，最后，找到問(wèn)題所在，增大了一級(jí)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，無(wú)數(shù)遍的試跑以后小車終于走上了“S”型路線，接下來(lái)重復(fù)著試跑-調(diào)試-記錄數(shù)據(jù)-試跑的過(guò)程，漸漸的建立了自信，慢慢找到了該小車的調(diào)試技巧。果然功夫不負(fù)有心人，最后成功沖出了校賽，不過(guò)隨之而來(lái)的不是喜悅，而是壓力，接下來(lái)代表學(xué)校去參加湖北省的比賽才是真正的賽場(chǎng)。不過(guò)有了校賽的經(jīng)驗(yàn)，知道了在賽場(chǎng)不僅要硬件設(shè)施過(guò)硬，心理素質(zhì)的軟件設(shè)施也是需要很強(qiáng)大的。終于迎來(lái)了緊張而刺激的比賽，不過(guò)經(jīng)歷了校賽和付出的努力開(kāi)始對(duì)自己有了足夠的信心。最后取得了湖北省一等獎(jiǎng)的優(yōu)秀成績(jī)。付出終于迎來(lái)了回報(bào)，感謝自己的努力，感謝隊(duì)友的支持，感謝老師的指導(dǎo)。

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