应用转向梯形的双前轮无碳小车创新设计及优化

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摘 要：为了提高大学生科技创新及工程实践能力，参加大学生工程训练综合能力竞赛，设计了一种利用重物下降势能通过曲柄滑块机构驱动小车转向并沿S形自动绕桩的无碳小车。提出了采用转向梯形的双前轮转向机构，巧妙地避免了小车绕桩时的差速问题，参考汽车转向梯形，最大程度上减小了由于前轮转向半径不同所产生的侧滑现象。文章对转向结构的设计及计算进行了分析推导，并采用MATLAB进行计算及仿真分析优化，利用有限的势能，使小车尽可能准确绕过最多桩数，行驶距离最远。

关键词：无碳小车；转向梯形；尺寸链计算；曲柄滑块机构

1 概述

为了提高大学生科技创新与实践动手能力，由北京市教育部财政部资助的一项综合性工程训练能力竞赛，鼓励学生以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车为载体进行结构创新设计，小车需要沿s形绕过不同间距（70cm～130cm）的桩杆，以行走最远距离和最多绕桩数为目标。经过三届国赛和四届北京市比赛，出现了多种多样的设计，主要有曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构、凸轮滑块转向机构、空间连杆机构[1]-[5]，小车都是以一个前轮进行转向，两个后轮行走的三轮结构。这样的结构都存在一个问题，即小车转向过程中左右后轮转速不同，需要采用差速器或采用单轮驱动另一个轮子自由转动。采样差速器结构复杂，成本高，单轮驱动则容易侧滑。针对小车设计要求及行进特点，本文提出了三种双前轮转向单后轮行走的曲柄滑块机构小车，巧妙地解决了小车转向时的差速问题，并设计了两种连杆机构形成转向梯形，减小了小车侧滑。

2 传动链设计

小车的动力来自重物下降过程中势能转化为动能，重物通过绳子向绕绳轴施加拉力带动其旋转，采用齿轮传动带动后轮行走，同时驱动前轮转向。小车的转向机构设计方案多种多样，采用最多的是连杆机构，其结构简单，效率高，但连杆尺寸需要经过精确计算，微小偏差都会带来小车轨迹偏斜及运动的不灵活。项目采用了曲柄滑块机构驱动前轮转向，运动精度较高，尺寸链计算简单，提出了三种方案，平行连杆机构、六杆机构转向梯形及四杆机构转向梯形。参考汽车转向过程中的转向梯形原理即各个车轮的轴线相交于一点便可实现转向时车轮只发生纯滚动而不会打滑，设计了两种采用转向梯形理论的前轮转向方案[6][7]。（1）平行连杆机构如图1所示，绕绳轴通过十字导轨滑块机构前后移动，驱动中间轴旋转，通过连杆机构同时带动左右轮转动实现往复转向[8][9]。该方案经试验后发现要保证左右轮转向的同步性需要连杆机构的加工精度非常高，且容易侧滑。（2）六杆机构转向梯形。如图2所示，十字导轨的前后移动带动右前轮转动，右前轮通过连杆机构带动左前轮同步转向。该机构加工简单，效率高，但要实现同步精确转向，计算较复杂。（3）四杆机构转向梯形 如图3所示，通过曲柄滑块机构带动十字导轨前后移动，导轨上安装有连杆，驱动右前轮转向，左前轮与右前轮采用四杆机构构成转向梯形，带动左边前轮同步转向。该方案计算、加工简单，效率高，传动精确，同步性好，可以有效避免小车转向过程中的侧滑。经过以上分析，项目采用了方案三中的四杆机构转向梯形设计。

为了使结构紧凑，运动平稳，为方案三中的右前轮驱动采用了齿轮齿条转向驱动机构[10]，如图4所示，与导轨连接的连杆换为齿条，通过与齿轮啮合驱动前轮进行转向，并且设计了中心距微调机构，调节齿条位置以保证前轮左右摆动时保持对称。整车示意图如图5所示。

图4 齿轮齿条转向驱动机构

3 小车结构尺寸计算

小车结构尺寸示意图如6所示。

当重物下降dh驱动轴即绕绳轴转过的角度为dθ1，则有：

y0=A，A为幅值，两个相邻的x值为桩距p。在此A为定值，p为可调的值（0.5～1.0）m

尺寸链计算公式推导[11]：

5 结束语

项目对无碳小车在转向差速及侧滑问题上进行了深入思考，对其转向机构进行了创新设计，提出了平行连杆机构、六杆转向梯形及四杆转向梯形机构，对其进行了分析，并对采用四杆转向梯形的整车尺寸链进行了分析，应用matlab进行了仿真分析优化，得到了关键结构尺寸，实现了桩距0.7m～1.3m可调的重物驱动自动转向小车，可以实现31根桩的精确绕桩。

参考文献

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作者简介：孟玲霞（1980-），女，汉族，山西永济人，硕士研究生，实验师，主要研究方向为机械设计制造及其自动化。