陳銳

（福建農林大學，福建福州　350000）

　　摘　要：無碳小車是一種將重力勢能轉換為機械能，并用于驅動小車行走和轉向的裝置。近年來，無碳小車的設計與制作正逐漸拓展為地區性甚至全國性的機械設計比賽項目。本文以全國大學生工程訓練綜合能力競爭中的“無碳小車”題目設計為例，介紹了該S型轉向運動無碳小車的初始設計方案，并針對原方案的不足之處進行了相應的優化改進。

　　關鍵詞：無碳小車；S型轉向運動；設計；改進

　　1　無碳小車設計要求

　　競賽題目所要求的無碳小車采用三輪結構，前轉向輪Z大外徑不小于30mm，小車上裝載有一外形尺寸為φ50mm×65mm，質量為1kg的普通碳鋼重塊。給定的重力勢能為4J，依靠重塊的下降來獲得，下降落差在400±2mm以內。重塊在下落過程中，應當被小車承載并與小車共同運動，不允許掉落。

　　在比賽中，要求無碳小車在前進時能通過S型^[1]轉向運動，自動避開賽道上按規則設置的障礙物。賽道上每間隔1m，放置一個直徑和高度分別為20mm和200mm的彈性障礙圓棒。Z后以小車行進距離的遠近和避開障礙物的多少來綜合評定成績。如下圖1為小車結構及賽道示意圖。

　　2　無碳小車S型轉向運動的初始設計方案

　　根據競賽題目要求，首先對無碳小車進行了初始設計。本文所設計的無碳小車采用了一級齒輪減速的設計方案，這種設計的小車特點是后輪直徑較大，車型較寬，在S型轉向運動時需要設計有較大的轉彎弧度，否則容易碰到障礙。但這種設計的優點也很多，正是由于小車的后輪直徑較大，車型較寬，因此底盤可以設計在較低的位置，這就使得小車的重心低，穩定性也較好，對賽道的適應性強。

　　2.1驅動部分設計^[2]

　　考慮到一級齒輪減速比太大，會造成大齒輪直徑過大，使小車結構不協調，因此小車后車輪直徑選擇為200mm。設定小車軌跡中線與小車理想軌跡的Z大偏移量為0.3m，根據扇形計算公式計算得出小車沿弧線行走距離約為2.45m，小車每行走一個周期，后輪轉過的圈數為n=2.45m/0.2πm=3.9圈，得出齒輪速比為1：3.9，選定齒輪模數為1，小齒輪齒數為20齒，得出大齒輪齒數為78齒。
　　小車轉彎時的差速問題，采用人力三輪車解決轉彎差速的方案。將兩個后輪中的其中一個作為動力輪，另一個作為從動輪，不增加任何附加機構，比較適合于小車重力勢能有限的條件。同時，勢能轉換為小車驅動力是采取的雙滑輪轉換方式，使有限的勢能經過細化得到更充分的利用。
　　2.2轉向部分設計
　　該無碳小車的后車輪與后軸，通過后輪支架緊固在小車底盤上。后軸與前輪中間還安裝有大齒輪、轉盤、轉盤支架、轉盤支承軸等組件。在支承軸上安裝有大齒輪和轉盤，78齒的大齒輪與后軸上20齒的小齒輪相嚙合，以1：3.9的減速比將后輪的運動傳遞給支承軸，然后支承軸轉動再帶動同軸的轉盤轉動。在轉盤上半徑方向還有一滑槽，滑塊在槽中相對轉盤中心可調整半徑大小，以滿足前輪轉向角度的調整要求。
　　勢能轉換為小車驅動力過程，通過滑輪組轉換，并由線繩帶動后輪軸轉動。為了提高小車行走的路程，在設計中還盡可能的減少后輪軸繞線部分的直徑。經過計算，后輪軸的繞線直徑選定為4mm，此時小車后輪軸得到的行走力矩M為：

M（后輪軸）=力×力臂=1000g×2mm=2gm?。?）

　　通過上述分析可知，該無碳小車后輪轉動3.9圈，行走弧長和直線距離分別為2.45m和2m時，可經過1：3.9的齒輪副減速后，帶動轉盤旋轉，使前輪周期性左右轉動，從而實現無碳小車S型轉向，并連續繞過障礙前進。
　　3　對初始方案的優化改進^[3]
　　根據初始方案設計制成小車以后，在實際試車中仍發現了一些問題。為此，針對試車中的各類問題的出現，對原設計方案還進行了一定的優化改進。
　　3.1小車在S型轉向運動中，前輪運行不穩定
　　對原轉向部分的初始設計進行分析，發現是由于為了提高前輪的自由轉向度，而避免干擾，而忽略了前輪轉向軸與轉向軸孔之間的孔隙配合問題，導致前輪運行的不穩定。
　　優化改進方案：由于前輪轉向軸為標準件，其軸承內徑不宜改變尺寸，而小車的車身則較容易進行加工。因此在原設計方案中，將車身以過盈配合的方式嵌入了一個軸承，以解決軸與孔之間的間隙配合問題。
　　3.2發現碳鋼重塊的下降速度過快
　　從上文的分析可知，由于本文設計的無碳小車采用的是一級齒輪減速方案，齒輪速比為1：3.9，即大齒輪軸和小齒輪軸的轉速比為1：3.9。而與重塊連接的牽引線是繞接在小齒輪軸上的，這也導致了碳鋼重塊的下降速度很快。
　　優化改進方案：為了解決這個問題，一方面應將與重塊連接的牽引線繞接在大齒輪軸上；另一方面，還應在大齒輪軸的繞接處制成錐形臺，這也可以進一步減緩重塊的下降速度。
　　4　總結
　　本文首先分析了S型轉向運動無碳小車的初始設計方案，并針對原方案的不足之處進行了相應的優化改進。該無碳小車利用現代工程原理，更著重于能量的有效使用，且前進運行中穩定、勻速。而且在優化改進后，通過多次實際試車證明，小車的轉向運動軌跡完全符合賽道的要求，相信能取得不錯的成績。
　　參考文獻
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　　[3]郭峰.我愛發明：青少年科技創新實踐與活動[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2014.

來源：《南方農機》2015年05期