“S形轨迹无碳小车的结构设计
摘要：针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，设计一辆通过重力驱动的纯机械结构的无碳小车，且小车具有周期性越障功能。通过所学知识，设计并制作该小车，参加比赛。设定不同的参数，借助工程软件MATLAB对小车的轨迹进行仿真计算。通过分析，设计出一辆满足比赛要求的小车。并且通过调试证明，小车能够稳定行驶，具有较高的可靠性。
关键词：无碳小车 越障 轨迹 仿真
0前言
本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于“S”形轨迹的要求，设计并制作了一种将重力势能转换为动能，并且按照“S”形轨迹稳定前行的无碳小车。小车为三轮结构，前轮为方向轮；后面一轮为驱动轮，一轮为从动轮。小车具有可调节的转向控制机构，以适应700-1300mm间距的不同间距障碍物。
1小车结构设计
本文把小车的机构分为：原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身。除了轴承、螺栓螺母等标准件可以直接选用外，小车的其余部件均使用LY102铝合金制作。本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调，满足强度要求、实现不同距离的越障功能。下面是各个机构的设计：
1.1原动机构设计
原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能，从而驱动小车前进和转向的机构。重物是1kg的标准砝码，重物周围是三根均布的钢管，从而约束重物的自由度，使重物直线下降，减少了能量损失，保证了小车重心的稳定性。重物通过尼龙线绕在小车的绳轮上，在下降的过程中，带动绳轮的转动，实现了能量转换。在实际测试中，证明了该结构简单、能量转化率高、成本低等特点。
1.2传动机构设计
传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽，本文设计的小车的传动机构由后轮、一级齿轮、及其相关零件组成。由于小车具有转向的功能，为不干扰小车的转向，后轮采用差速连接。小车的右后轮为主动轮，左后轮为从动轮。主动轮与传动机构相连，驱使小车的运动，从轮轮用轴承空套在后轴上，跟随小车的运动。为了适应不同间距越障，同时增大小车行驶的距离，我们采用多组齿轮啮合的方式,将700-1300mm的间距大致分为三组：700~900mm，900~1100mm，1100~1300mm。分组后可根据不同障碍物间距，对应着不同组齿轮的啮合，从而调整越障的幅度。与单组齿轮传动相比，这种传动方法越过的障碍物更多，行走距离更远。下图是传动机构的齿轮分布图，通过移动后轮轴上的齿轮组，则可以切换不同组齿轮的啮合。
图3 传动齿轮分布示意图
根据本文设计，两后轮轮距为150mm，且后轮的直径为150mm，且保证小车最逼近障碍物时的安全距离，即最小振幅为200mm。下面是三组齿轮啮合的具体计算：
在间距为700~900mm时，以满足最大桩距900mm，且轨迹曲线为余弦曲线，取x为小车轨道中心线位移，y为小车偏离中心线位移，单位为mm，则有
对弧长进行积分得，
通过计算，当弧长为2002mm时，最大振幅是330mm，此时桩距为700mm。
在间距为900~1100mm时，以满足最大桩距1100mm，则有
对弧长进行积分得，
在间距为1100~1300mm时，以满足最大桩距1300mm，则有
对弧长进行积分得，
因为我们利用线切割特种加工齿轮，齿轮的模数可以是非标准模数，故针对以上三组数据，结合后轮的直径与一个周期轨迹的弧长，得到三组不同的传动比，计算得到
；
1.3转向机构设计
转向机构是小车的关键机构，是小车前进过程中实现周期性运动的重要保证。我们采用了空间曲柄连杆机构，实现了小车在行驶过程中，前轮左右周期性的转动。该机构结构简单，稳定性较高，连杆之间使用球铰连接，摩擦阻力较小，方向轮叉架与车身采用了推力球轴承和一对法兰轴承，减小转弯过程中的摩擦阻力，提高转轴的同轴度，保证了转向机构的稳定性和可靠性。
图6 转向机构示意图
下面是转向机构的杆长设计计算：
根据后轮轮距为150mm，则取曲柄与车中心线距离为
，且与转向轮连接的摆杆长度也为
，同时转向轮间与后轴的距离为
，根据小车运动轨迹，计算小车的最大转角为桩距为700mm时的转角，通过计算在桩距为700mm时，轨迹公式为，
根据质心处转弯半径与前轮转角的关系为，
（
为前轮的转角）
根据小车轨迹在计算小车的曲率半径为，
得
，转角
。此时对应曲柄和连杆的最大合长度
。
通过计算得到最大合长度
，且连杆长度
与曲柄长度
分别达到各自的最大值，且根据长度关系
，得
。
同理计算小车在桩距为1300mm时的最小转角。
通过轨迹和曲率半径公式，得
，转角
。此时对应曲柄和连杆的最小合长度
。
通过计算达到最小合长度为
，且曲柄和连杆分别达到各自的最小值，根据长度关系
，得
。
综上，连杆长度
，曲柄长度
，单位为：mm。为本文加工零件提供了参数，同时也为调试时，提供了连杆长度和曲柄长度的范围。方便了后期的调试。
图7 转向机构三维示意图
1.4微调机构设计
微调机构是小车柔性的体现，调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距。无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调。曲柄的长度控制的是小车行驶的周期即桩距，曲柄长度越长，周期越短，即适应障碍物的间距越短。连杆的长度控制的是方向轮左右转角多少有关。根据轨迹对称性，所以要调整连杆的长度，使左右转角尽可能相等，否则轨迹就会偏离赛道，这决定了小车绕桩的情况。所以曲柄长度和连杆长度的调整恰当与否是比赛时的关键。因为轨迹线对两者长度非常敏感的，所以要精确的调试两者的长度。本文使用的是类似丝杠的机构，用带螺纹的的连杆和曲柄，并用螺母锁死。调整时拧松螺母，旋转螺栓，改变长度，这样可以比较精确的调整曲柄和连杆的长度，提高了小车的可靠性。
1.5车身
车身是一切机构得以实现的载体，其主要承受的是重物的压力和地面对车轮的反作用力。为了满足强度，本文采用3mm铝合金板，对不承受力且不影响强度的地方，采取镂空处理。
2结论
本次设计的小车的创新之处在于能适应不同的间距，采用不同传动比的齿轮啮合，减小了行驶过程中的运动幅度，从而使小车行驶的距离更远。并且通过类似丝杠的微调机构，通过拧螺丝的方式调整曲柄和连杆长度，从而更加方便、精确地调整小车的行进间距。本文加工出了较高精度的零件，装配后进行了调试。实际应用结果表明，设计加工出的小车具有较高的稳定性与可靠性，满足比赛要求。
参考文献:
[1]王斌.”无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报，2012（2）.
[2]杨明忠，朱家诚.机械设计[M].武汉理工大学出版社.2013.
[3]白雪，唐鹏达.机械传动无碳小车的设计构想[J].工业设计,2011（8）.
[4]赵登峰,陈永强,邓茂云，机械原理[M],西南交通大学出版社，2012.
[5]杜志强.基于MATLAB语言的机构设计与分析[M].上海科学技术出版社，2011:118-120