刘蒙霖

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）

竞赛要求无碳小车以1千克重的标准砝码的重力势能为驱动，不得使用其他形式的动力来源；具有自动转向功能并且转向机构可调，适用于各种场地；自主设计结构参数并选材制作；小车为三轮结构，一个轮子为转向轮，两个轮子为行走轮；能够精确绕一定距离的两个障碍物以“8”字形轨迹运动，不出界，不撞倒障碍物。

1 轨迹设计

本文根据竞赛要求对小车的行驶轨迹进行了具体设计，特别是转向的设计，得到了结构的部分设计参数。设计轨迹如图1。

图1 无碳小车轨迹图

图1中最粗实线是主动轮轨迹，相当于车身的一个参考边界，轨迹是一大一小两个圆弧（相当于“8”字形）加上转向圆弧轨迹；较粗实线是转向轮的轨迹，为了提高转向的灵活性，安装在车身轴线上，所以其轨迹是两个等大的圆弧，理论上转向轮可安装在两个行走轮之间任意位置，那么其轨迹也随之改变为一大一小的“8”字形；细实线为从动轮的轨迹，其与主动轮正好相反，两者时刻平行，相互交替，同时作为车身的另一个参考边界。

车身参考边界要严格控制，车身尺寸要与轨迹结合设计，如图1所示，主动轮与从动轮之间的平行间距决定了实际车体的主动轮与从动轮的间距，根据主、从动轮的间距设计出车身宽度，由此得到车身边界，根据边界合理控制车身与障碍物间距。如果精度允许，可取小间距，否则轨迹会出现误差，碰倒障碍物的概率越大。主动轮作为最小边界时是在轨迹的左边，当小车转向，运行到另外一侧时，主动轮交替成为最大参考边界，从动轮成为最小参考边界。在设计车体结构时要同时考虑车身两边的边界与障碍物的间距，轨迹越小，小车理论运行的“8”字形个数越多，同时对小车的设计、制作精度要求越高。转向角度对轨迹大小也有影响（转向轮与车身轴线的夹角），夹角越大轨迹越小，周期里程越短，夹角越小，则情况反之。本机构设计夹角为30°，理论上夹角应在90°以内，实际一般在45°以内。

2 主动轮轮径与转向次数的设计

当轨迹和传动比后确定后，就可据此设计主动轮尺寸、车身尺寸与转向角度。根据图1可知：小车运行一圈，转向两次。不完全此轮设计为3齿3组，不完全齿轮运行一周，可以驱动转向机构转向3次，每次参与驱动转向的齿数较少，是为了保证转向迅速可靠。主动轮驱动齿轮与不完全齿轮同轴，保证了主动轮旋转1圈，不完全齿轮也同步旋转1圈并驱动转向3次，小车应该运行1．5个“8”字形，同时根据主动轮旋转1圈知：主动轮的周长应该等于1．5个“8”字的轨迹里程，从而可确定主动轮的轮径。设计完成后的小车结构三视图如图2。

图2 小车结构三视图

3 误差分析与优化设计

对于轨迹的调节，本文设计了一种带有刻度条的连杆，可以通过调节连杆的螺栓的长度来调节转向轮的转向角度；同时，还设计了转向刻度盘，通过调节刻度盘也可控制转向。两者共同调节，可得不同的轨迹组合，能够满足一般轨迹变化需要。

此外，在实验过程中，轨迹出现周期性误差，与设计、制作精度无关，通过调节转向机构可修正，是转向时的轨迹造成的误差。这种误差在这种不完全齿轮机构中不可避免，但可通过巧妙设计而避免。本文设计的不完全齿轮与主动轮驱动齿轮同轴，两者同步转动，在转向时主动轮也同样行驶对应里程，与时间无关，无法通过迅速转向避免，这是由最初设计就决定的。本机构设计的齿数较少，对应的误差行程也就较短，通关过调整基本可以弥补误差。为了优化这种结构，可把主动轮驱动齿轮也设计成为不完全齿轮，与控制转向不完全齿轮工作时间正好相反，两者模数、齿数完全一致，配合设计减速机构，在小车转向时制动，使小车停车转向，如此就可弥补设计上的缺陷，从根源解决轨迹周期误差。