淺論無(wú)碳小車(chē)的設計制作與創(chuàng )新實(shí)踐論文

　　0引言

　　無(wú)碳小車(chē)是一種通過(guò)滑輪機構將重物下落的重力勢能轉化為小車(chē)前進(jìn)的動(dòng)能以實(shí)現小車(chē)行走，并采用合理的機構，來(lái)實(shí)現行走過(guò)程中正確轉向并繞過(guò)障礙的裝置。小車(chē)設計注重能量利用的有效性，車(chē)體結構的合理性，行走的穩定性、勻速性，調試的可靠性等。應用了諸多數學(xué)理論進(jìn)行驗證，最終采用了萬(wàn)向節連桿機構作為轉向機構，使小車(chē)控制轉彎更省力、對小車(chē)躲避障礙物的周期控制更容易實(shí)現，亦降低了整車(chē)重量。再者小車(chē)整體構造簡(jiǎn)潔，組合零件不多，摩擦損耗小，效率高，較容易安裝制造。另外，通過(guò)對小車(chē)的設計、制作和調試，提高了提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并總結了從中獲得的經(jīng)驗和教訓。

　　1無(wú)碳小車(chē)的制作原理

　　1.1命題簡(jiǎn)介

　　該競賽其中的一個(gè)命題為，要求設計一種以重力勢能驅動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē)，驅動(dòng)其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換來(lái)的。給定重力勢能為4焦耳(取g=10m/s2)，競賽時(shí)統一用質(zhì)量為1kg的重塊(50×65mm，普通碳鋼)鉛垂下降來(lái)獲得，落差400±2mm，重塊落下后，須被小車(chē)承載并同小車(chē)一起運動(dòng)，不允許從小車(chē)上掉落。在比賽中，小車(chē)出發(fā)后，小車(chē)從賽道一側越過(guò)一個(gè)障礙后，整體穿過(guò)賽道中線(xiàn)且障礙物不被撞倒(擦碰障礙，但沒(méi)碰倒者，視為通過(guò));重復上述動(dòng)作，直至小車(chē)停止(障礙物初始間距為1m，后期在1m±100mm范圍內產(chǎn)生一個(gè)新的障礙物間距，需調整小車(chē)以適應新距離)，最終繞過(guò)障礙物多者獲勝。

　　1.2無(wú)碳小車(chē)設計原理

　　由命題得知，關(guān)鍵在于利用重力勢能獲得相當長(cháng)距離的具有穩定正弦特征的軌跡。由此，來(lái)設計小車(chē)以使其滿(mǎn)足要求。重力勢能大多通過(guò)掛在繩子上的重物拖動(dòng)小車(chē)的軸進(jìn)而驅使小車(chē)前進(jìn)，這便對繩子提出較高的要求，一般選取彈性較小，耐磨的繩子為佳。

　　在傳動(dòng)方面，根據往屆賽事經(jīng)驗，有齒輪傳動(dòng)，皮帶傳動(dòng)等。由于小車(chē)在前行較長(cháng)距離(一般為20m以上)，同時(shí)需要保證精確的行走軌跡，因此，皮帶由于打滑等原因不如齒輪傳動(dòng)。同時(shí)，齒輪由于金屬材質(zhì)，大大加大了車(chē)的重量，因而我們采用快速成型制造齒輪，保證了傳動(dòng)的精確性與質(zhì)量較輕的優(yōu)點(diǎn)。接下來(lái)，便是使用兩級變速還是一級變速的問(wèn)題，兩級變速能夠在有效的空間內實(shí)現較大的傳動(dòng)比，同時(shí)具有較大的慣性，能夠克服賽道上的不平整路面(事實(shí)證明，這在比賽上時(shí)是相當重要的)，但由于齒輪加工精度的局限，可能會(huì )造成較大摩擦力，造成能量的浪費。而一級傳動(dòng)則較為輕便，結構簡(jiǎn)單，便于加工裝配。

　　小車(chē)每繞過(guò)兩個(gè)障礙物，即在前進(jìn)方向上走了2m，完成一個(gè)循環(huán)，此時(shí)，繞在軸上的繩子轉過(guò)一圈。因此，小車(chē)前進(jìn)的理論長(cháng)度即由繞線(xiàn)軸的直徑和下落高度決定。軸的最小直徑由輪子和地面的摩擦力產(chǎn)生的啟動(dòng)轉矩確定。小車(chē)的軌跡越接近于直線(xiàn)，摩擦力做功越少，便越節省能量。

　　我們發(fā)現，小車(chē)所走軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發(fā)生碰撞，小車(chē)調整起來(lái)也越容易，同時(shí)，前面已經(jīng)提到，也就越浪費能量。而對于不同的周期來(lái)講，周期越小(障礙物間隔越小)，小車(chē)軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發(fā)生碰撞。

　　為了實(shí)現上述軌跡，轉向機構是重要的一環(huán)，由于“S”形避障運動(dòng)是周期性的運動(dòng)，恰好可以通過(guò)齒輪上的偏心，將其運動(dòng)傳遞到前輪上。傳遞運動(dòng)大致可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)通過(guò)萬(wàn)向節，與前輪轉向機構構成四連桿機構，進(jìn)而實(shí)現周期往復運動(dòng)。這樣的好處是剛性較好，一旦調節完畢能夠形成固定的軌跡且便于加工。但是不容易調節，調節部件較多，過(guò)程繁瑣。另一類(lèi)通過(guò)直線(xiàn)軸承和滑塊傳遞運動(dòng)，當然，這樣便于調節，僅需對偏心進(jìn)行調節即可實(shí)現軌跡的周期變化。但是對加工精度要求較高。不過(guò)，隨著(zhù)學(xué)生動(dòng)手能力的提高和賽事水平的不斷提升，直線(xiàn)軸承和滑塊機構會(huì )逐漸提高穩定性，創(chuàng )造更好的成績(jì)。

　　2小車(chē)設計方案

　　2.1材料的選擇

　　小車(chē)的制作，首先我們要先考慮它的材料，材料極為重要，材料密度大了，小車(chē)就重，導致摩擦力就大;材料如果較小，小車(chē)太輕，小車(chē)在繞桿的同時(shí)會(huì )發(fā)飄，導致小車(chē)的軌跡會(huì )發(fā)生變化，導致小車(chē)達不到最好的狀態(tài)。所以選取適當的材料是至關(guān)重要的。由于鋁-鋼的摩擦系數大約為0.02，而鋁的密度小，小車(chē)的質(zhì)量一般大約為2.5kg，所以摩擦力較小，并且橫向摩擦力足以滿(mǎn)足小車(chē)不側滑;有機玻璃材質(zhì)輕阻力小，但是壽命短，易磨損，精度不夠高，力學(xué)性能差，主要是脆性大，抗沖擊性能差，受到第二次意外打擊時(shí)，有機玻璃易破碎。而尼龍的摩擦系數較大，吸水性較大，影響尺寸穩定和電性能，但車(chē)體的重量太小，需要加配重，防止側滑或側翻，所以考慮各種原因還有計算，最終選取折中的方案，也是最佳方案，就是鋁，鋁做車(chē)身骨架是最好的選擇。而尼龍具有機械強度高、軟化點(diǎn)高、耐熱、摩擦系數低、耐磨損、自潤滑性好、吸震性和消音性好、耐油、耐弱酸堿、無(wú)毒無(wú)臭、耐候性好、比重小、高抗沖、高載重、耐撞擊，所以特別適合齒輪的加工，用快速成型做出的齒輪既具備以上的優(yōu)點(diǎn)，還容易安裝，容易定位，所以齒輪的材料最好是采用尼龍。

　　2.2設計思路和方案

　　(1)動(dòng)力源。將重物固定于繩子上，繩子系在大齒輪軸上，重物下落拉動(dòng)大齒輪軸轉動(dòng)，通過(guò)齒輪嚙合驅動(dòng)小齒輪軸轉動(dòng)，進(jìn)而使小車(chē)前進(jìn);

　　(2)差速部分。當重錘下落時(shí)，通過(guò)滑輪軸連接線(xiàn)驅動(dòng)大齒輪轉動(dòng)，帶動(dòng)驅動(dòng)軸回轉，并通過(guò)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)后軸回轉。由于小車(chē)在前進(jìn)時(shí)要走S形路線(xiàn)，在轉彎時(shí)內側的車(chē)輪與外側的車(chē)輪轉速不一樣，后面兩個(gè)輪子走過(guò)的距離不同，因此兩個(gè)后輪上采用了不同的連接方式，其中一個(gè)后輪采用過(guò)盈配合隨軸轉動(dòng)，而另一個(gè)后輪采用軸承配合在軸上空轉，從而實(shí)現差動(dòng)。

　　(3)前輪轉向部分。大齒輪上開(kāi)一個(gè)13mm長(cháng)的槽，其偏心距為11mm—24mm，將螺釘穿過(guò)槽用雙螺母緊固在大齒輪上，萬(wàn)向節則也通過(guò)雙螺母緊固在螺釘的另一頭。變向連桿由使用雙頭螺桿連接在一起的兩個(gè)萬(wàn)向節組成，螺桿一頭為反絲，便于調節。前叉則通過(guò)另一個(gè)螺桿與萬(wàn)向節相連，從而形成了轉向部分。由于萬(wàn)向節連桿與齒輪配合點(diǎn)存在偏心距，因而連桿可以實(shí)現周期性往復運動(dòng);前叉通過(guò)螺桿與連桿一端的萬(wàn)向節相連，隨著(zhù)桿的往復運動(dòng)進(jìn)而實(shí)現周期性轉向;因連接桿兩端的萬(wàn)向節，與兩側桿件的連接形成球面副，可以向多個(gè)方向轉動(dòng)，避免了死點(diǎn)位置。偏心距的合理設計實(shí)現了前輪的正確轉向;兩個(gè)萬(wàn)向節中間的螺桿則能夠有效實(shí)現扭矩傳遞;基于此設計，小車(chē)以正弦曲線(xiàn)的方式向前運動(dòng)，實(shí)現避障功能;

　　(4)調整部分。在大齒輪上開(kāi)槽，通過(guò)調節偏心距實(shí)現前輪偏轉角的的調節。轉向角最大為30°，此時(shí)越障距離最短為0.8m，轉向角最小為15°，此時(shí)越障距離最長(cháng)為1.15m;萬(wàn)向節中間的`雙頭螺桿也是微調機構，可以調節小車(chē)的整體軌跡。因而在調整距離時(shí)，只需調節齒輪上偏心距的大小和萬(wàn)向節連桿的長(cháng)度即可，調節簡(jiǎn)單方便。發(fā)車(chē)角度確定采用激光筆遠距離定位，精確找到合適發(fā)車(chē)角度，用時(shí)短，精度高。

　　(5)轉向部分的計算。有e=a×α。取a=45mm，當α=15°時(shí)，e=11mm;當α=30°時(shí)，e=24mm，其中e為大齒輪開(kāi)槽處的偏心距。

　　(6)小車(chē)其它尺寸計算。小車(chē)各個(gè)部分的關(guān)系為Δl=dsinφ、θ=arcsinΔl/l其中r1、r2，ω1、ω2為前后齒輪的半徑和速，d為前齒輪旋鈕的位置，主要零件的設計尺寸:前軸9mm，后軸10mm;前輪40mm，寬度8mm，后輪200mm;大小齒輪齒數比為4.13∶1，大齒輪齒數為Z1=62，小齒輪為Z2=15，模數m=1。

　　3小車(chē)調試與行走

　　在小車(chē)的實(shí)際調試和行走過(guò)程中，實(shí)踐操作的經(jīng)驗非常重要。例如，當障礙物間隔為1m時(shí)，要求小車(chē)的行走周期為2m，而正弦曲線(xiàn)的周期是通過(guò)調節大齒輪偏心距來(lái)實(shí)現的，雖然通過(guò)計算很容易得出理論值，但是由于螺母與螺桿并非理論中的質(zhì)點(diǎn)，因而在實(shí)際操作中很難實(shí)現一次性調試成功。因而在不斷的實(shí)踐中才能總結出規律，并熟練掌握。

　　在小車(chē)調試的初期，通過(guò)在小車(chē)后粘貼熒光筆來(lái)跟蹤軌跡，但發(fā)現這種方法會(huì )增加小車(chē)行走的阻力影響軌跡的精度而且跟蹤的曲線(xiàn)不具備完整性，后來(lái)改用了在車(chē)底板上放一個(gè)以一定的速度滴水的小容器，實(shí)現軌跡的跟蹤。實(shí)踐證明，這種軌跡跟蹤方式，更加準確，并且容易清理。通過(guò)量取軌跡的周期則可以判斷小車(chē)的行走周期。當軌跡的周期大于比賽要求周期時(shí)，則通過(guò)增大偏心距來(lái)減短實(shí)際軌跡的周期:相反，則減小軌跡的周期。這樣便實(shí)現了小車(chē)行走周期的正確調節。

　　調節好周期后，小車(chē)大齒輪的偏心距便被固定住了。接下來(lái)便不再著(zhù)眼于小車(chē)軌跡的1個(gè)周期了，而是著(zhù)眼于小車(chē)行走軌跡的總的趨勢。因為當萬(wàn)向節連桿過(guò)長(cháng)時(shí)會(huì )使小車(chē)的軌跡成為一個(gè)整體往左偏的大弧，而萬(wàn)向節連桿過(guò)短又會(huì )使小車(chē)的軌跡成為一個(gè)整體往右偏的大弧。萬(wàn)向節連桿兩端的螺紋旋向相反，在調節時(shí)，往里旋轉為調短向外旋轉為調長(cháng)，調節方式簡(jiǎn)單，另外兩端萬(wàn)向節與連桿通過(guò)雙螺母固定在一起增加了穩定性。

　　在軌跡的調直過(guò)程中，通過(guò)在發(fā)車(chē)線(xiàn)前45cm(以行走周期為1m為例)處貼一張中心線(xiàn)與障礙物所在直線(xiàn)重合的16K的紙來(lái)定發(fā)車(chē)角。具體方法:在紙的左上角標出前輪位置，保持前輪位置不變，通過(guò)改變后輪位置改變發(fā)車(chē)角度，并隨時(shí)在紙上標記后車(chē)輪位置。當小車(chē)左輪擦桿時(shí)，減小發(fā)車(chē)角，當右輪擦桿時(shí)，增大發(fā)車(chē)角，從而出直線(xiàn)。在實(shí)際調車(chē)過(guò)程中，很多時(shí)候不論如何改變發(fā)車(chē)角度都不能使得小車(chē)實(shí)現總體的直線(xiàn)繞桿，這時(shí)便要通過(guò)調節萬(wàn)向節連桿來(lái)微調前輪的轉向角，而調節連桿長(cháng)度時(shí)，微小的變化則會(huì )引起轉向角較大的變化，連桿每旋轉一圈長(cháng)度便會(huì )改變1mm，而1mm會(huì )使轉向角改變2.5度。因此螺桿要旋轉的角度要視軌跡的偏離情況而定。

　　通過(guò)在地面上貼紙的方式，調車(chē)的精度能到20根桿，若直線(xiàn)距離再遠，則在紙上畫(huà)線(xiàn)便會(huì )過(guò)密，肉眼很難再進(jìn)行定位。為了克服這一困難采用了一種更加精確的定發(fā)車(chē)角度的方式，即激光筆。在用紙粗定發(fā)車(chē)角之后，在距發(fā)車(chē)線(xiàn)20m遠處放上帶刻度的板子，并使板子與地面垂直，0刻度線(xiàn)位于障礙物所在的直線(xiàn)上;把激光筆固定在小車(chē)前叉的平臺上，通過(guò)改變激光點(diǎn)所在的刻度來(lái)改變發(fā)射角度。由于貼紙法調節范圍廣，調節速度快，但調節精度低，所以用于角度的粗調;而激光筆調節法，調節精度高，但調節范圍小，所以適合粗調完成后的精調。兩種方式各有利弊，綜合利用取長(cháng)補短，使得小車(chē)的調節得到完善。

　　小車(chē)的行走過(guò)程是一個(gè)不斷磨合的過(guò)程。在不斷的行走練習過(guò)程中，小車(chē)的各種零件才能實(shí)現更好的配合。

　　4結語(yǔ)

　　在無(wú)碳小車(chē)的設計、制造和調試過(guò)程中要有嚴謹的科研精神，科學(xué)是容不得半點(diǎn)馬虎的，小車(chē)設計是一個(gè)用科學(xué)來(lái)指導實(shí)踐，把科學(xué)運用到實(shí)踐中去的過(guò)程。既然是指導實(shí)踐，就應該做到事無(wú)巨細，考慮周全，在設計的過(guò)程中，不應放過(guò)每一個(gè)細節。小車(chē)的制造，是要經(jīng)過(guò)方案設計，三維設計，優(yōu)化及修改，Cad出圖，圖紙審核等過(guò)程來(lái)完成的，在此過(guò)程中有大量的工作要做，考驗了團隊的合作和分工能力以及團隊精神。而小車(chē)的調試是一個(gè)漫長(cháng)而充滿(mǎn)困難的過(guò)程，考驗著(zhù)調試人員的耐心和毅力，以及在實(shí)踐中應用理論知識、不斷總結經(jīng)驗、創(chuàng )新思維的能力。

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