孫秋霞

[摘 要]本文對小車驅動方案進行了探究，有效解決了小車的平穩(wěn)運行及自動躲避障礙物等諸多問題，明確了小車設計的驅動原理、結構參數(shù)及設計材料。設計出來的小車不但行駛非常平穩(wěn)、性能極其優(yōu)越，而且結構還非常合理，達到了持續(xù)繞樁42圈的成果。

[關鍵詞]無碳小車 機械結構 設計

中圖分類號：TM 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）10-0005-02

無碳小車根據(jù)目前工程設計標準，關注了調試的可靠性、制作的精確性、設計的精巧性等。根據(jù)我國無碳小車的設計要求，筆者對支持無碳小車正常運行的機械構造進行了設計。通過同其他一些類似小車模型進行比較后可知，此小車的設計更重視結構的穩(wěn)定和能力的應用，所使用的搖桿機構關系到很多數(shù)學理論，更加容易的控制小車轉彎，躲避障礙物，也就是整個小車質量都有所降低。

一、設計小車的結構

如圖1是由重力勢能來驅動能夠控制方向的小車結構設計圖。

實際上，驅動小車轉向和行走過程中所花費的能量按照能量轉換原理來分析，應該是從重力勢能轉換獲取的。假如重力勢能是5J，重力取值是10m/s2，小車在競賽時需要承載一塊質量是1千克質量快行駛，并繞過事先布置的障礙物，障礙物沿直線一米布置1個，同時還確保質量塊始終在車上[1]。在競賽以后根據(jù)小車的行駛距離和所躲避的障礙物數(shù)量來對成績進行評定。小車的行走路線具體如圖2。

二、設計動力機構

有很多方案都能夠把重塊所具有的重力勢能變成小車動能，就可考慮是地面摩擦、設計材料、小車質量等諸多因素的影響，因此一次又一次的進行調試，為了使調試與更改變得更加方便筆者對繩輪機構進行應用。繩輪機構具體如圖3。

為了使能量損失被控制在最小范圍內，筆者應用了強度非常高的尼龍線。因為小車實際行駛距離取決于繞線輪的具體轉動圈數(shù)，所以，為了使驅動輪可以轉動更多的圈數(shù)，筆者便在驅動輪與繞線輪間多設置了一組齒輪，轉動和傳動的比是12：23[2]。

繞線輪的主要作用就是把重力勢能變成動能，繞線輪的實際粗細程度會應用到小車的運行速度與前進距離。因為小車剛起步時的狀態(tài)是加速的，當增加到某速度時就會變成勻速運行，所以，應該選擇直徑大小不同的繞線輪，按照從大到小的順序進行安排設計。

三、設計行駛機構

小車在行駛過程中所受到的阻力主要來自于地面和驅動輪間的摩擦，所以，應該選取良好的車輪材料，讓其與地面間摩擦減少，進而使小車行駛更遠的距離，筆者選擇了硬鋁來制作車輪。

在剛度得到保證的同時，可以應用設置減重控這種方式來減小質量。因為驅動輪直徑的大小情況會對轉輪周期和地面摩擦力造成影響，而開始設計時驅動輪的直徑是122毫米，通過試驗后發(fā)現(xiàn)因為受到原材料的影響，小車實際行駛時加速度非常大，發(fā)生了左右搖擺的現(xiàn)象，最后通過研究和探討筆者把車輪直徑定為了155毫米后再次試驗，小車可以平穩(wěn)行駛[3]。驅動輪結構如圖4。

因為小車在行駛過程中需要轉彎，所以按照動力方向差別，在轉彎時兩個后輪間表現(xiàn)出不同的速度。因此，應將小車的左輪設作驅動輪，把右輪設作自由輪，進而使小車能夠平穩(wěn)運行。

四、設計轉向機構

開始轉向動力通過齒輪進行傳動，由于通常情況下，齒輪在機械傳動當中可以起到非常高的傳動效率，可是將其應用到實踐中會發(fā)現(xiàn)，利用齒輪傳動很難對小車的實際行走周期進行調整，通過大量的探究和實踐最后筆者對摩擦傳動進行了引用，也就是利用圓盤和橡膠圈間的摩擦力為圓盤提供驅動力，這樣就能通過調整驅動輪直徑來對小車具體行走周期進行調整。

一般情況下小車轉向是由曲柄遙桿控制的，如圖5。轉向時一定要保證小車是根據(jù)1米繞一樁的需要行駛的，這就需要將轉向角調整到最大，而最大角是由連桿長度、搖桿長度、曲柄長度等諸因素一同決定的。為了可以自由的進行調節(jié)，其一，明確曲柄的實際長度，之后把搖桿和連桿的長度設成能夠進行調整的。通常情況下可以應用細調與錯調這兩種方式來調節(jié)連桿的長度，也就是在連桿一頭設置曲柄和定位孔以進行粗調，在另外一頭利用螺紋來連接并進行細調，同時還可以通過改變螺紋的實際轉動角度來對連桿長度進行調整，進而滿足需求。

在平面的曲柄搖桿這個機構當中，傳動性能由傳動角γ決定。為了讓機構可以具備非常好的性能，最小傳動角一定要比允許值大。

根據(jù)最小傳動角來對行程速比進行設計。按照已知的φ、ɑ1、γmin、β角，之后在查表的基礎上根據(jù)以下公式對搖桿與連桿的長度進行計算。

其中b代表連桿的長度；c代表搖桿的長度；d代表機架的長度；φ代表搖桿C間的夾角。經(jīng)過計算可知機構a、b、c、d的尺寸分別是29毫米、193毫米、75毫米、190毫米。

五、對穩(wěn)定性進行設計

通常情況下很多因素都會對小車穩(wěn)定性造成影響，其中對小車穩(wěn)定性影響較大的因素包括：整體重心高度、地板結構、支撐架剛度[4]。

小車在進行轉向的時候，重塊將會來回晃動，假如不能將支撐架固定，那么小車重心就很容易發(fā)生偏移，然后就會對小車的摩擦力和壓力造成影響，還極有可能會出現(xiàn)側翻的情況，這不但使小車失去了穩(wěn)定性，還使小車消耗掉大量的能量，所以，一定要對小車支撐架進行合理設計。

支架不能與質量輕、彈性小和強度高的一些原材料接觸，因此在彎矩處進行優(yōu)化設計，使誤差被控制在最小范圍內，進而使小車穩(wěn)定性得到保障。

六、對地板結構進行設計

實際上地板主要就是通過和其余一些結構進行連接，進而起到承載小車的作用，是無碳小車主要的組成部件，所以，一定要對地板結構進行科學、巧妙、合理的設計。因為小車不需要承載過重的東西，所以可以把地板設計成一個簡單的框式結構，為了防止因為地板振動而損失掉大量的能量，應該設計一個T型的邊框橫截面，通常邊框寬度應該是12毫米，厚度應該是6毫米，這樣就能夠保證小車具有極強的剛度。

一般，兩個后輪間的實際距離是有底板寬度來決定的，因為小車始終都處在曲線運行的狀態(tài)上，所以，小車在行走的過程中兩個后輪的速度是不一樣的。假如軸距非常小，那么小車在運行過程中的平穩(wěn)性就無法得到保證，假如軸距非常大，那么就很難進行轉彎操作。因此，在對以上這些因素進行綜合考了后，筆者把底板寬度定位110毫米，長度定位230毫米。小車的地板結構如圖6。

重塊的實際落差是520毫米，為了可以使小車的中心降低，所以重塊的實際起重高度一定不能過高，這就需要把重塊托盤安裝到底板下邊，也就是安置在曲柄機構的上邊，而托盤應該被設計成為鏤空的結構，并應用螺栓將其四個頂角固定在底板上，以防止小車在行駛過程中托盤脫落。

結語：

上文在對無碳小車進行設計時，主要應用了繞線線牽的方式來促使驅動輪實現(xiàn)轉動，應用摩擦傳動來促進轉向機構運作，應用曲柄搖桿來控制前輪轉向。通過大量的實踐可以充分證實，筆者設計的無碳小車結構非常的巧妙、合理、科學，并且性能還非常優(yōu)越，使小車在行駛過程中能夠達到平穩(wěn)運行，打破了歷史上的繞樁記錄，可以稱作是一個完美的設計。

參考文獻：

[1] 劉潤，朱先勇，李志東等.基于彈簧約束的無碳小車轉向機構的建模與仿真[J].機械設計，2013，30（9）：24-27.

[2] 曹斌，張海波，朱華炳等.基于槽輪機構的8字軌跡無碳小車設計[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2014（6）：661-665，704.

[3] 周成，高昆山，鞠晨鳴等.基于ADAMS的無碳小車動力學仿真研究[J].機械設計與制造，2015（8）：197-199，205.

[4] 胡增，何國旗，王政等.基于Adams軟件的單輪驅動無碳小車車輪布局設計[J].湖南工業(yè)大學學報，2013，27（4）：53-56.