张洪铭+李建波+李佺

摘 要：针对第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛要求，设计一种能在标准乒乓球台上饶L型障碍物走8字形轨迹运行的小车，要求L形的短边在300±50mm之间，长边在400-500mm之间。应大赛要求，小车的结构设计不仅满足轨迹的稳定性，同时整体应该便于拆卸，因此设计了一种结构简单且轨迹稳定的小车，经大赛实践，该小车结构合理，便于拆卸，取得了不错的成绩。

关键字：8字；无碳小车；结构设计；便于拆卸

设计一种小车，驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。

“8”字形轨迹无碳小车竞赛场地在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，有3个障碍成“L”形放置， “L”形的长边在球台的中线上，经现场公开抽签，在400～500mm范围内产生“L”形的长边值，在300±50mm范围内产生“L”形的短边值。

小车需绕中线上的两个障碍物按“8”字型轨迹运行，障碍物直径20mm、长200mm的3个圆棒，圆棒中心分别放置在“L”形的3个端点上，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩。经过第一轮的现场比赛，将进行小车的拆装流程，在一个小时内进行小车的所有的可拆卸零件，并進行重新装配和轨迹调试。最后进行第二轮的现场比赛。

1 总体思路

根据能量守恒定律，标准砝码下落的重力势能转化为小车前进动能的过程中，由于传动效率的原因，存在着能量的损失。要使小车跑的更远，就必须尽量减小能量的损失，尽可能使重力势能更多的转化为小车前进的动能。同时为了小车在障碍物之间能更好的行走，因此尽量将小车做到轻小化。

2 定滑轮设计

定滑轮的作用一般是转换力的方向，此小车在设计中，在定滑轮上有3个滑槽，除了改变力的方向还可以到达一级变速的效果，3个滑槽的配合使用有三种降速比，每种降速比配合使用两个滑槽，每个滑槽连接一根绳，如图1所示，用最左边的滑槽1和最右边的滑槽3将产生最大的传动比，有利于小车行走更多的8字，最左边的滑槽1一端固定于滑槽里，一端缠绕于绕线轴上，绕线轴如图3所示，绕线轴和大齿轮固定在一根轴上，构成传动体系。滑槽3一端固定于滑槽里，一端连接重锤。滑槽2和3配合使用适用于摩擦系数较大的地面，减少传动比将增大转矩，便于小车前进。三个滑槽的直径从左到右分别为65mm、50mm、25mm。

3 驱动设计

重锤绕定滑轮垂直落下转化能量使绕线轴转动，绕线轴通过齿轮传动带动后轮轴转动，从而驱动小车前进。期间为使能量消耗最低，选择传动效率较高的齿轮传动，同时为了使小车走出更多的“8”字轨迹，在满足小车正常行走的前提下，尽量增大传动比。最后考虑到小车体积的问题，最终选择一级齿轮传动，加上定滑轮的减速效果，很好的增大了整体的传动比，同时满足了小车的轻小化，齿轮参数为大齿轮108齿，小齿轮为18齿。传动比为齿轮传动比乘以定滑轮的传动比：n=（108/18）*（65/25）=15.6

4 转向设计

目前的转向设计中，基本采用凸轮滑槽机构或者空间连杆机构，对于凸轮滑槽机构，考虑到加工精度的问题，所以不首先选用。在齿轮的带动下，通过空间四连杆机构实现小车走预定轨迹，通过调节摇杆和连杆的杆长，来满足规定的转向要求，很好的使用标准件做到方便性以及经济性。转向原理如图2所示：

5 启动盘设计

在小车启动的一瞬间，由于摩擦力的作用，小车很难起步，因此在小车起步的瞬间加大绕线轴的半径，使其小车获得更大的力矩，如图3所示：大的启动盘过渡到小的绕线轮上为沟槽过渡，使其线在大的启动盘上缠绕半圈便过渡到小的绕线轴上，以免启动后速度过快造成翻车，沟槽使其在大的启动盘与小的绕线轴之间能平稳过渡，使其小车平稳前进。

6 底板设计

应大赛要求，在第一次现场轨迹完成后要进行拆装工作，因此底座不仅要尽量降低重心，而且不适合采用底板加轴承座的形式。直接用数控铣削的方式将底座加工成一体的形式，此种设计不仅能将轴承直接嵌入底板提高轴的同轴度，减小装配误差，提高整体稳定性，同时需要考虑小车的拆装工作，采用一体化设计，减少零件的装配个数，能极大的减少拆装时间，以便留有更多的时间进行小车轨迹的调试，为第二轮比赛留有足够的调试时间。

7 微调装置设计

为了在小车轨迹调试过程中尽可能精确的调节连杆长度，将连杆的微调机构设计为螺纹差的方式，连杆的前端采用4mm的右旋螺纹，后面采用3mm的右旋螺纹，两端旋合球铰使其配合，在调节螺纹时，连杆的伸长量或缩短量为4mm螺纹螺距与3mm螺纹螺距之差，使其调节精度足够的大，便于稳定轨迹的调试。

8 结束语

齿轮与变级定滑轮的配合使用很好的达到了小车降速的目的，同时很好的避免了多级齿轮传动带来的底座占用空间大的问题；底座的一体化设计减少了装配零件的个数，大大提高了装配精度，同时便于拆卸；利用螺纹差的原理连接的微调装置极大的提高了调节精度，很好的为小车的稳定轨迹提供保障。

参考文献

[1]曹斌，张海波，朱华炳.基于槽轮机构的8字轨迹无碳小车设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014.

[2]王斌，王衍，李润莲，赵小龙，崔景峰，杨富林.“无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报（自然科学版），2012.

[3]刘金肖，何秋熟，杨延清，张远明.无碳小车创新性结构设计[J].机械制造与自动化，2014.