雙“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性分析

趙家瑩 蘭揚(yáng) 周沛澤 南霖瀟

摘 要：“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)作為全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練的比賽項(xiàng)目，受到高校在校學(xué)生及熱衷于無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)的社會(huì)人士關(guān)注。針對(duì)這種具有創(chuàng)新意義的設(shè)計(jì)成果，先對(duì)“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)的概念加以解釋?zhuān)M(jìn)一步對(duì)其創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)原理以及運(yùn)動(dòng)軌跡加以分析。

關(guān)鍵詞：“8”字繞障;無(wú)碳小車(chē);設(shè)計(jì);原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.036

在我國(guó)各大高校的工程訓(xùn)練比賽項(xiàng)目中，出現(xiàn)了很多集設(shè)計(jì)者智慧和創(chuàng)新思維于一體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，雙“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)就是其中的一種。該設(shè)計(jì)問(wèn)世之后就受到了廣泛的關(guān)注。為此，本文接下來(lái)就著重從以下幾個(gè)方面加以分析其設(shè)計(jì)的合理和創(chuàng)新之處。

1 雙“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)的概念

近年來(lái)，無(wú)碳小車(chē)主要應(yīng)用于高校大學(xué)生的競(jìng)技賽中，而且隨著各大高校工程類(lèi)技術(shù)的不斷發(fā)展，在對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)上以及運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)上，無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)愈發(fā)成熟，在該領(lǐng)域就出現(xiàn)了以雙“8”字繞障為主的無(wú)碳小車(chē)技術(shù)。所謂“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)主要是指經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后的小車(chē)能夠按照“8”字形的軌跡，在樁距一定的障礙物間繞行，最終比賽成績(jī)的結(jié)果評(píng)定主要依據(jù)小車(chē)?yán)@行中歷經(jīng)的幾個(gè)周期的個(gè)數(shù)為準(zhǔn)。從以往的比賽記錄來(lái)看，在特定樁距的情況下，小車(chē)很容易完成“8”字繞行軌跡的任務(wù)，但是如果樁距一旦有所改變，就很容易因?yàn)樾≤?chē)?yán)@行軌跡發(fā)生偏離，而導(dǎo)致繞行任務(wù)失敗的結(jié)果。傳統(tǒng)意義上的無(wú)碳小車(chē)比賽項(xiàng)目多以“S”型項(xiàng)目為主，而且經(jīng)常根據(jù)此項(xiàng)目與“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)的技術(shù)作對(duì)比。本文僅以雙“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)為例，對(duì)其在工程訓(xùn)練比賽項(xiàng)目中的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 “8”字無(wú)碳小車(chē)創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

目前，無(wú)碳小車(chē)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。無(wú)碳小車(chē)經(jīng)過(guò)科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為其在競(jìng)技賽中正常運(yùn)行提供了重要保障。具體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要包括：車(chē)身、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)等五個(gè)重要部分。為減少設(shè)計(jì)過(guò)程中不必要的摩擦損耗，應(yīng)在設(shè)計(jì)之初，將小車(chē)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行較為合理的設(shè)計(jì)，如下圖1所示，就是最基本的小車(chē)結(jié)構(gòu)框架圖：

針對(duì)無(wú)碳小車(chē)在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)組成部分進(jìn)行具體分析：

2.1 車(chē)身

無(wú)碳小車(chē)的總體設(shè)計(jì)，采用三輪的結(jié)構(gòu)，在車(chē)身的設(shè)計(jì)部分，利用三角的形式作為車(chē)身底板，這樣的設(shè)計(jì)是為了達(dá)到減輕車(chē)身所承載重量的目的。鋁板作為底板材料的選擇材料，有規(guī)格上的限制：要選擇厚度為4mm的鋁板，并且在車(chē)身中央的碳棒規(guī)格上，要選擇3根高度為500mm的碳棒為選擇標(biāo)準(zhǔn)。這樣設(shè)計(jì)的目的，是為了對(duì)砝碼運(yùn)動(dòng)方向加以限制。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

凸輪機(jī)構(gòu)作為雙“8”無(wú)碳小車(chē)核心部分的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠遵循小車(chē)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的要求。

由凸輪參數(shù)計(jì)算公式可知：ρ=L/tanθ3。

當(dāng)小車(chē)在兩端行駛的時(shí)候，以圓半徑為175mm的軌跡行駛，此時(shí)，小車(chē)在行駛中的轉(zhuǎn)角最大度數(shù)為29.74°，dh的距離即為砝碼下降的距離。對(duì)小車(chē)進(jìn)行分析的過(guò)程，可以結(jié)合微元的思想加以分析。

前輪左轉(zhuǎn)，利用公式tanθ3=（b-b0）/l0;前輪右轉(zhuǎn)，利用公式tanθ3=（b0-b）/l0。因此，凸輪角度θ2與b能夠在凸輪到動(dòng)件的推程位移過(guò)程中得出二者的關(guān)系。

2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

因?yàn)闊o(wú)碳小車(chē)在轉(zhuǎn)彎行駛的過(guò)程中，兩輪之間在速度上會(huì)出現(xiàn)差異，因此利用單輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，就能很好地解決這一問(wèn)題。啟動(dòng)小車(chē)后，利用梯形繞線軸的設(shè)計(jì)，隨著繞線軸半徑大小的變化，逐步控制小車(chē)的行駛速度，最終達(dá)到勻速前進(jìn)的效果。

2.4 微調(diào)機(jī)構(gòu)

小車(chē)的運(yùn)行軌跡會(huì)因?yàn)槎喾N因素的存在而發(fā)生偏差，例如在設(shè)計(jì)時(shí)樁之間距離的長(zhǎng)短變化、加工時(shí)人為失誤造成的誤差。針對(duì)這些不可避免的客觀因素，為了能達(dá)到最終調(diào)節(jié)偏差的效果，就要在設(shè)計(jì)之初，利用微調(diào)螺母的功能，改變凸輪與擺桿二者之間的接觸的長(zhǎng)度。

3 “8”字無(wú)碳小車(chē)的運(yùn)動(dòng)原理

“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)的運(yùn)動(dòng)原理主要是通過(guò)以下過(guò)程完成的：圖示中利用細(xì)繩將重物僅僅纏繞在前傳動(dòng)軸上，再利用傳動(dòng)齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)軸和前傳動(dòng)軸，進(jìn)而達(dá)到能量得以傳遞、時(shí)速被改變的目的。當(dāng)重物被釋放以后，機(jī)構(gòu)在前傳動(dòng)軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)之后才得以正式運(yùn)行。仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)輪是左后輪。通過(guò)軸承器將驅(qū)動(dòng)軸與后輪軸進(jìn)行連接，達(dá)到單側(cè)被驅(qū)動(dòng)的目的，最終使得小車(chē)在運(yùn)行中能夠在速度上有所差異的情況下方向得到改變。與此同時(shí)，曲柄輪經(jīng)過(guò)前傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的帶動(dòng)，在曲柄輪以及其伸縮連桿控制無(wú)碳小車(chē)行走軌跡和方向的情況下，使得無(wú)碳小車(chē)以固定周期的變化為方式展開(kāi)運(yùn)行，以上過(guò)程即為“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)原理。

4 雙“8”運(yùn)動(dòng)軌跡

按照大賽中的要求，目前設(shè)計(jì)出了新型的雙“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)，本文按照MATLAB編程理論，對(duì)雙“8”字無(wú)碳小車(chē)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬，當(dāng)小車(chē)運(yùn)行中的軌跡封閉時(shí)，就達(dá)到了應(yīng)有的設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文著重從幾個(gè)方面介紹了這種新型的雙“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)：“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)的概念、其創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)原理以及對(duì)其設(shè)計(jì)運(yùn)行軌跡進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬，希望通過(guò)本文圖文并茂、公式解析、列表對(duì)比等多種方式，對(duì)目前致力于該項(xiàng)目研發(fā)的設(shè)計(jì)者有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳亞昆，王會(huì)良，李晨曦，余海洋，李凱樂(lè).雙“8”字繞障無(wú)碳小車(chē)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（10）：115-116.