基于工程训练的无碳小车“变距行走”的创新优化设计

·２６·　新产品开发　２０１６年第２期总第４３卷　基于工程训练的无碳小车“变距行走’’的　创新优化设计　张杰，谭晨佼，朱建鑫，孙诗卉，江权丰，卢学玉　（江南大学机械工程学院，江苏无锡２１４１２２）　摘要：江苏省第三届大学生工程训练综合能力竞赛的设计作品为无碳小车，并在往年的基础上提出了进　行变距的要求，根据能量转换原理，利用重力势能驱动带动具有方向控制功能的小车行走规定的路径。　依据机械原理和机械设计基本知识，选择合理的结构形式，设计出一种完全依靠重力驱动行驶并可以变　距的绿色环保型小车，通过ＭＡＴＬＡＢ进行轨迹模拟和实车调试发现：设计的小车不仅结构简单，性能良　好，并且适应行走不同间距的障碍物，符合了竞赛的要求。　关键词：工程训练；无碳小车；变距；能量转换；ＭＡＴＬＡＢ　中图分类号：ＴＨ１２２　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００６．０３１６．２０１６．０２．００７　文章编号：１００６—０３１６（２０１６）０２—００２６—０３　Ｃａｒｂｏｎ—ｆｒｅｅ　ｃａｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｒａｉｎｉｎｇ”ｐｉｔｃｈ　ｗａｌｋ”ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｅ，ＴＡＮ　Ｃｈｅｎｊｉａｏ，ＺＨＵ　Ｊｉａｎｘｉｎ，ＳＵＮ　Ｓｈｉｈｕｉ，ＪＩＡＮＧ　Ｑｕａｎｆｅｎｇ，ＬＵ　Ｘｕｅｙｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ　２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｃｏｌｌｅｇｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｊｉａｎｇｓｕ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｎ—ｆｒｅｅ　ｃａｒ　ｗｏｒｋｓ，ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ　ｙｅａｒｓ，ｖａｒｉａｂｌｅ·ｐｉｔｃｈ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｒｉｖｅｒ　ｔｏ　ｄｒｉｖｅ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ｗａｌｋｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｐａｔｈ　ｗｉｔｈ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｂａｓｉｃ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒｍ，　ｄｅｓｉｇｎ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｒｅｌｙ　ｏｎ　ｇｒａｖｉｔｙ－ｒｉｄｖｅｎ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｐｉｔｃｈ　ｗｉｔｈ　ｒｅｅｎ—ｇｃａｒ．ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｂｙ　ＭＡＴＬＡＢ　ａｎｄ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｒｅａｌ　ｃａｒ　ｆｏｕｎｄ：ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，Ｗａｌｋｉｎｇ　ａｎｄ　ａｄａｐｔ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｐａｃｉｎｇ　ｏｆ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ　ｉｎ　ｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｒａｉｎｉｎｇ；ｃａｒｂｏｎ—ｆｒｅｅ　ｃａｒ；ｐｉｔｃｈ；ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ＭＡＴＬＡＢ　此课题是近几年全国大学生工程训练综合　力，落差为４００±２　ｒｎｒｎ，重块下落，带动小车　一能力竞赛提出的，主题为“无碳小车的越障”。　即设计一种小车，根据能量转换原理，利用重　力势能驱动带动具有方向控制功能的小车行走　块行走。该车在运动过程中，需遵循一定的　规律，行走“ｓ”型并绕过固定的障碍物。与以　往的小车设计相比，该车的设计不仅注重了小　规定的路径。竞赛时统一用质量为１　ｋｇ的重块　（　５０×６５ｍｍ，普通碳钢）铅垂下降，获得动　收稿日期：２０１５—０７—０７　车行驶的稳定性，还实现了使小车适应行走不　同间距的障碍物。　基金项目：江苏省第三届大学生工程训练综合能力竞赛二等奖　作者简介：张杰（１９９２一），男，江苏宿迁人，本科生，主要研究方向为机械设计及自动化。　２０１６年第２期总第４３卷　新产品开发　·２７·　１无碳小车设计的总体方案　比赛题目所要求的无碳小车采用三轮结　构，在比赛中，要求无碳小车在前进时能通过　ｓ型转向运动，自动避开赛道上按规则设置的　障碍物。赛道上每间隔规定的距离，放置一个　直径和高度分别为２０　ｍｍ和２００　ｍｍ的弹性障　碍圆棒。最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。如图１为小车结　构及赛道示意图。　‘　｜　／　图１小车结构及赛道示意图　ｓ型轨迹可近似看成一个正弦曲线，其幅　值与车宽有关，车宽越大，幅值应越大，以避　免小车碰到障碍物。经分析，要使小车平稳运　行，小车至少应具有四大关键的机构：转向机　构、传动机构、行走机构和微调机构，还应该　具有其他某些附属部件。机构简图如图２所示。　１　从动轮２．大齿轮３．主动轮４－，Ｊ、齿轮５．绕绳轮６．滑轮　７．重物８．曲柄９．关节轴承１０．连杆１　１．摇杆１２．前轮　图２机构简图　２无碳小车关键机构的设计　２．１传动机构及行走机构设计　机构主要是将重物下落过程中的动能传递　给车轮部分。传动机构主要有带传动、链传动、　齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等，为了提高传动效　率，传动步骤越少越好。相对于其他几种传动　方案，高精度的齿轮传递动力效率较高，动力　传递稳定，能够很好地符合小车运行的需要。　采用一级齿轮传动，选用ｍ＝１的渐开线　标准直齿圆柱齿轮。轮径的大小不直接影响绕　绳半径及动阻力的关系，所以，轮径越大理论　行程越长，然而轮径过大会导致转弯性能和通　过两桩中间区域难度加大，根据ｓ型小车行走　的特点，取　＝２２０　ｍｍ。结合小车后轮轮径以　及ｓ型在７００—１３００之间变距的要求，最终确　定齿轮齿数Ｚ１＝２０、Ｚ２＝８０和另外一组Ｚｌ＝１８、　ｚ２＝８２，ｉ＝８０／２０和８２／１８。与此小车轮径相配，　满足此竞赛随机设定的障碍物间距。　２．２转向机构设计　小车以ｓ路前进时，采用前轮导向。转向　机构是该小车设计最重要的一部分，直接决定　着小车的功能。转向机构要满足尽可能减少摩　擦耗能、结构简单、零部件易获得等基本条件，　同时还需要具有特殊的运动特性，能够将旋转　运动转化为满足要求的来回摆动，带动前轮左　右转动，从而实现拐弯避障的功能。能实现该　功能的机构有凸轮机构＋摇杆、平面曲柄摇杆、　空间曲柄摇杆机构、差速转弯等。如图３所示，　选用空间曲柄摇杆机构，既可实现ｓ轨迹行驶，　又能提高小车行走的效率。　３针对无碳小车调试过程中遇到的问　题提出解决措施　调试过程是一个繁琐的校验和修正过程。