无碳小车转向机构的创新性设计

全国大学生工程训练综合能力竞赛

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无碳小车转向机构的创新性设计曾思龙，温煜，倪柏杨 (西南交通大学峨眉校区。四川峨眉 6 1 4 2 0 2)

摘要针对第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题“无碳小车”的要求，经过任务分解，进行了小车转向机构的创新性设计。探讨了驱动及周期性转向的关键性问题，提高了小车的运行精度，确定了小车转向机构的参数及总体方案。大赛实践表明，该小车结构合理，操作简单，运行轨迹符合大赛要求，小车运行平稳，行程远，避障多， 设计方案正确，取得了较好的竞赛成绩。 关键词无碳小车；急回特性；曲柄滑块机构中图分类号： T P 2 7 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 1—7 5 9 7( 2 0 1 3 )0 5 2— 0 3 6— 0 2

无碳小车是一种将重力势能转化为动能来驱动其行走并周期性转向的小车 (见图 1 )。要求小车为三轮结构，竞赛小车在

前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物，因此，设计一种具有可调节功能并且误差小的转向机构显得尤为重要。A”

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图 2曲柄滑块机构圆盘齿轮

后轮轴图 1无碳小车示意图

1设计思路及方案按照竞赛题目要求，小车必须具有周期性转向功能，同时， 还要保证小车的运动轨迹曲率是连续变化的，小车才能平稳行驶，否则小车会发生倾覆。从绕线轮的竖直回转运动到与前轮相同结的摇杆的水平摆动，需要在这之间设计一个转化机构，

后轮锥形轮轴

绕线艳

0④ 0 00 0 0④ 0@④@@滑滑块2 块3 静轮轴

滑块1

综合考虑到安装精度、传动效率、结构复杂程度以及成本高低后，最后选用了曲柄滑块机构来实现转向轮转向的方案，见图 2。曲柄滑块机构应设计为对心滑块，即偏距 e= 0,保证机构无急回

前艳■物连杆图 3无碳小车驱动及转向机构示意图

特性，曲柄作等速转动，滑块做前后匀速滑动，即使得前轮左右摆幅相同，按照指定轨迹行驶。通过调节图 3中滑块 1相对滑块 2的水平距离即可调节小车前轮的转向角度大小，满足转

角可调节功能，符合竞赛题目要求。

2曲柄滑块

机构参数的确定本转向机构采用曲柄滑块来实现，下面通过分析计算来确定曲柄及连杆的长度。根据我￣" l J s J,车的机构设计要求，应有如下长度限制：O A∈( 8 mm. 2 5 am r ) AB∈ ( 8 0 mm, 1 4 0 m州

周期内，两后轮之间行走的路程必然不一样，其中，主动轮负责为转向机构提供动力，使前轮摆动，这样一来，我们就可以通过调节后轮之间的间距来使后轮之间的差速产生的转角与曲柄滑块机构之间的角正好相抵消，使小车无误差的行驶。下面对其做一个系统的分析： 根据图 4可知，当滑块 B位于中心位置时，曲柄与竖直线之间存在大小的夹角，根据图 4几何关系，有：口=a r c s i n— 2 6

由图 2可看出，当滑块处于中间位置时，曲柄端点并没

有处于竖直位置处，而是与竖直位置之间存在大小的夹角， 所以要保证小车前轮在一个周期内的左右摆角相同，则必然曲 柄转过角度就不同，而恰好小车又是做的曲线运动，两后轮之间间隙为，所以，两后轮之间必然存在差速，即小车在半个

下面来通过小车在行驶的一个周期内，主动轮在前半周期

和后半周期的行程差来反推值的大小，小车行进过程中的轨迹如图 5所示。

则小车在运行的一个周期内，主动轮在前半周期与后半周

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