双8字轨迹无碳小车的结构设计

1设计背景

本文针对第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求：“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。自主设计并制作一种具有自动控制方向的无碳小车，完成所有行走过程所需的能量均由给定的4J 重力势能转换而得，不可以引入任何其他来源的能量。

2工作原理

根据赛方提供的赛道边界条件，无碳小车在指定的半张乒乓球桌赛道上进行绕障碍桩行驶，其三根障碍桩的布置在桩间距为350±50mm 的一条直线上，其运行的轨迹接近双“8”字形，根据无碳小车所绕的双“8”字轨迹圈数多少来评定成绩。无碳小车不仅要按照所设计的运行轨迹行驶，还要克服无碳小车在行驶过程中所有摩擦力所做的功，而这些能量均来自于由重锤下落所提供的4J 重力势能转换而得。

3运行路径确定

根据赛方提供的边界条件，无碳小车行驶一个双“8”字轨迹，前轮能够周期性的左右转向[1]，为了更好左右转向顺利进行，防止无碳小车在左右转向时发生侧翻和卡车，于是增加正弦弧线段作为过渡段，同时为了防止小车在行驶过程中，靠近内侧的后轮与桩相撞，所以初设转向轮中心到桩中心距离R=165mm ，两桩中心距为350mm 。

4无碳小车结构设计

根据无碳小车的设计思路进行结构设计，主要设计的机构有能量转换机构、转向机构、传动机构、微调机构和车身。在设计过程中应始终坚持原则：车重心要低；结构尽量简单；传动件数少；质量小；振动小；操作、调整方便灵活[2]。 4.1能量转换机构

能量转换机构是将重物下落的重力势能转化为无碳小车行进时所需的能量。在能量转换机构中，双轮定滑轮的起着举足轻重的作用，双轮定滑轮由滑槽1和滑槽2组成，滑槽1用高强度的尼龙线与重锤相连，控制小车运行的速度；滑槽2用高强度的尼龙线与传动轴上的绕线轮相连，控制小车运行的圈数。绕线轮在整个装置中起到由重力势能转换为动能的桥接作用[3]。初设绕线轮转动一周，小车刚好行驶一个双“8”字轨迹，根据双轮定滑轮和绕线轮的圆半径可以计算出重物下降400mm 时，小车运行的总圈数。

4.2转向机构

转向机构是无碳小车设计的关键部位，作为无碳小车的核心，直接影响了无碳小车的轨迹精度和传动效率[4]。无碳小车行驶一个双“8”字轨迹，前轮左右转向交替进行两次，前轮左右摆动一个恒定的角度，因此采用凸轮连杆实现左右转向，如图2所示。

直线导轨一端与凸轮紧贴连接，另一端与连杆固定连接；关节轴承螺纹端与连杆上的向

心轴承移动副连接，轴承端与

滑槽内滑块转动副连接以及滑块与滑槽移动副连接以适应微调。凸轮转动带动前轮叉架转动，从而实现前轮左右交替转向，凸轮转动一周，无碳小

车刚好行驶一个双“8”。

4.3凸轮机构

根据上述3所设计的运行轨迹路线，计算出各部分的

轨迹长度和双“8”字轨迹总长度，可以计算出各部分的轨——————————————————————

—基金项目:2018年黑龙江科技大学素质教育项目“第六届全国大

学生工程训练综合能力竞赛”，项目编号SZ18-118，审

批机构：黑龙江科技大学教务处。

作者简介:曾东湖，男，土家族，湖北利川人，本科，在校本科生，

研究方向为机制。

双8字轨迹无碳小车的结构设计

The Structure Design of the Double-8-Shaped Trajectory Carbonless Car

曾东湖ZENG Dong-hu ;何欣雨HE Xin-yu ;柏天宇BAI Tian-yu

（黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心，哈尔滨150022）

（The Engineering Training and Basic Experiment Center ，Heilongjiang University of Science and Technology ，Harbin 150022，China ）摘要:针对全国大学生工程训练综合能力竞赛题要求，本文对双“8”字轨迹无碳小车的工作原理进行了分析并对其结构进行了设计，主要从能量转换机构、转向机构、传动机构、微调机构和车身结构等方面进行结构设计说明。最后通过装配调试，无碳小车能够自动绕桩按照所设计的运行轨迹行驶。

Abstract:Aiming at the requirements of the contest of integration capability of national college students on engineering &training,the paper analyzed the principle of operation and designed its structure of the double-8-shaped trajectory carbonless car meanwhile the paper mainly introduced the structural design from the aspects of energy conversion mechanism,steering mechanism,transmission mechanism,fine -tuning mechanism and body structure.Finally,according to the running track,the double -8-shaped trajectory carbonless car can automatically run around piles through assembling and debugging.

关键词:结构设计；运行轨迹；装配调试；无碳小车Key words:structure design ；the running track ；assembling and debugging ；carbonless car

图1双轮定滑轮机构