无碳小车S型转向运动的设计方案与改进思路研究
2016-09-14陈锐
（福建农林大学，福建福州 350000）
摘 要：无碳小车是一种将重力势能转换为机械能，并用于驱动小车行走和转向的装置。近年来，无碳小车的设计与制作正逐渐拓展为地区性甚至全国性的机械设计比赛项目。本文以全国大学生工程训练综合能力竞争中的“无碳小车”题目设计为例，介绍了该S型转向运动无碳小车的初始设计方案，并针对原方案的不足之处进行了相应的优化改进。
关键词：无碳小车；S型转向运动；设计；改进
1 无碳小车设计要求
竞赛题目所要求的无碳小车采用三轮结构，前转向轮Z大外径不小于30mm，小车上装载有一外形尺寸为φ50mm×65mm，质量为1kg的普通碳钢重块。给定的重力势能为4J，依靠重块的下降来获得，下降落差在400±2mm以内。重块在下落过程中，应当被小车承载并与小车共同运动，不允许掉落。
在比赛中，要求无碳小车在前进时能通过S型[1]转向运动，自动避开赛道上按规则设置的障碍物。赛道上每间隔1m，放置一个直径和高度分别为20mm和200mm的弹性障碍圆棒。Z后以小车行进距离的远近和避开障碍物的多少来综合评定成绩。如下图1为小车结构及赛道示意图。
2 无碳小车S型转向运动的初始设计方案
根据竞赛题目要求，首先对无碳小车进行了初始设计。本文所设计的无碳小车采用了一级齿轮减速的设计方案，这种设计的小车特点是后轮直径较大，车型较宽，在S型转向运动时需要设计有较大的转弯弧度，否则容易碰到障碍。但这种设计的优点也很多，正是由于小车的后轮直径较大，车型较宽，因此底盘可以设计在较低的位置，这就使得小车的重心低，稳定性也较好，对赛道的适应性强。
2.1驱动部分设计[2]
考虑到一级齿轮减速比太大，会造成大齿轮直径过大，使小车结构不协调，因此小车后车轮直径选择为200mm。设定小车轨迹中线与小车理想轨迹的Z大偏移量为0.3m，根据扇形计算公式计算得出小车沿弧线行走距离约为2.45m，小车每行走一个周期，后轮转过的圈数为n=2.45m/0.2πm=3.9圈，得出齿轮速比为1：3.9，选定齿轮模数为1，小齿轮齿数为20齿，得出大齿轮齿数为78齿。
小车转弯时的差速问题，采用人力三轮车解决转弯差速的方案。将两个后轮中的其中一个作为动力轮，另一个作为从动轮，不增加任何附加机构，比较适合于小车重力势能有限的条件。同时，势能转换为小车驱动力是采取的双滑轮转换方式，使有限的势能经过细化得到更充分的利用。
2.2转向部分设计
该无碳小车的后车轮与后轴，通过后轮支架紧固在小车底盘上。后轴与前轮中间还安装有大齿轮、转盘、转盘支架、转盘支承轴等组件。在支承轴上安装有大齿轮和转盘，78齿的大齿轮与后轴上20齿的小齿轮相啮合，以1：3.9的减速比将后轮的运动传递给支承轴，然后支承轴转动再带动同轴的转盘转动。在转盘上半径方向还有一滑槽，滑块在槽中相对转盘中心可调整半径大小，以满足前轮转向角度的调整要求。
势能转换为小车驱动力过程，通过滑轮组转换，并由线绳带动后轮轴转动。为了提高小车行走的路程，在设计中还尽可能的减少后轮轴绕线部分的直径。经过计算，后轮轴的绕线直径选定为4mm，此时小车后轮轴得到的行走力矩M为：
小车转弯时的差速问题，采用人力三轮车解决转弯差速的方案。将两个后轮中的其中一个作为动力轮，另一个作为从动轮，不增加任何附加机构，比较适合于小车重力势能有限的条件。同时，势能转换为小车驱动力是采取的双滑轮转换方式，使有限的势能经过细化得到更充分的利用。
2.2转向部分设计
该无碳小车的后车轮与后轴，通过后轮支架紧固在小车底盘上。后轴与前轮中间还安装有大齿轮、转盘、转盘支架、转盘支承轴等组件。在支承轴上安装有大齿轮和转盘，78齿的大齿轮与后轴上20齿的小齿轮相啮合，以1：3.9的减速比将后轮的运动传递给支承轴，然后支承轴转动再带动同轴的转盘转动。在转盘上半径方向还有一滑槽，滑块在槽中相对转盘中心可调整半径大小，以满足前轮转向角度的调整要求。
势能转换为小车驱动力过程，通过滑轮组转换，并由线绳带动后轮轴转动。为了提高小车行走的路程，在设计中还尽可能的减少后轮轴绕线部分的直径。经过计算，后轮轴的绕线直径选定为4mm，此时小车后轮轴得到的行走力矩M为：
M（后轮轴）=力×力臂=1000g×2mm=2gm （1）
通过上述分析可知，该无碳小车后轮转动3.9圈，行走弧长和直线距离分别为2.45m和2m时，可经过1：3.9的齿轮副减速后，带动转盘旋转，使前轮周期性左右转动，从而实现无碳小车S型转向，并连续绕过障碍前进。
3 对初始方案的优化改进[3]
根据初始方案设计制成小车以后，在实际试车中仍发现了一些问题。为此，针对试车中的各类问题的出现，对原设计方案还进行了一定的优化改进。
3.1小车在S型转向运动中，前轮运行不稳定
对原转向部分的初始设计进行分析，发现是由于为了提高前轮的自由转向度，而避免干扰，而忽略了前轮转向轴与转向轴孔之间的孔隙配合问题，导致前轮运行的不稳定。
优化改进方案：由于前轮转向轴为标准件，其轴承内径不宜改变尺寸，而小车的车身则较容易进行加工。因此在原设计方案中，将车身以过盈配合的方式嵌入了一个轴承，以解决轴与孔之间的间隙配合问题。
3.2发现碳钢重块的下降速度过快
从上文的分析可知，由于本文设计的无碳小车采用的是一级齿轮减速方案，齿轮速比为1：3.9，即大齿轮轴和小齿轮轴的转速比为1：3.9。而与重块连接的牵引线是绕接在小齿轮轴上的，这也导致了碳钢重块的下降速度很快。
优化改进方案：为了解决这个问题，一方面应将与重块连接的牵引线绕接在大齿轮轴上；另一方面，还应在大齿轮轴的绕接处制成锥形台，这也可以进一步减缓重块的下降速度。
4 总结
本文首先分析了S型转向运动无碳小车的初始设计方案，并针对原方案的不足之处进行了相应的优化改进。该无碳小车利用现代工程原理，更着重于能量的有效使用，且前进运行中稳定、匀速。而且在优化改进后，通过多次实际试车证明，小车的转向运动轨迹完全符合赛道的要求，相信能取得不错的成绩。
参考文献
[1]孙桓，陈作模，葛文杰主编.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.
[2]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3]郭峰.我爱发明：青少年科技创新实践与活动[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2014.
3 对初始方案的优化改进[3]
根据初始方案设计制成小车以后，在实际试车中仍发现了一些问题。为此，针对试车中的各类问题的出现，对原设计方案还进行了一定的优化改进。
3.1小车在S型转向运动中，前轮运行不稳定
对原转向部分的初始设计进行分析，发现是由于为了提高前轮的自由转向度，而避免干扰，而忽略了前轮转向轴与转向轴孔之间的孔隙配合问题，导致前轮运行的不稳定。
优化改进方案：由于前轮转向轴为标准件，其轴承内径不宜改变尺寸，而小车的车身则较容易进行加工。因此在原设计方案中，将车身以过盈配合的方式嵌入了一个轴承，以解决轴与孔之间的间隙配合问题。
3.2发现碳钢重块的下降速度过快
从上文的分析可知，由于本文设计的无碳小车采用的是一级齿轮减速方案，齿轮速比为1：3.9，即大齿轮轴和小齿轮轴的转速比为1：3.9。而与重块连接的牵引线是绕接在小齿轮轴上的，这也导致了碳钢重块的下降速度很快。
优化改进方案：为了解决这个问题，一方面应将与重块连接的牵引线绕接在大齿轮轴上；另一方面，还应在大齿轮轴的绕接处制成锥形台，这也可以进一步减缓重块的下降速度。
4 总结
本文首先分析了S型转向运动无碳小车的初始设计方案，并针对原方案的不足之处进行了相应的优化改进。该无碳小车利用现代工程原理，更着重于能量的有效使用，且前进运行中稳定、匀速。而且在优化改进后，通过多次实际试车证明，小车的转向运动轨迹完全符合赛道的要求，相信能取得不错的成绩。
参考文献
[1]孙桓，陈作模，葛文杰主编.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.
[2]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3]郭峰.我爱发明：青少年科技创新实践与活动[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2014.
来源：《南方农机》2015年05期