淺論無碳小車的設計製作與創新實踐論文
淺論無碳小車的設計製作與創新實踐論文
0引言
無碳小車是一種透過滑輪機構將重物下落的重力勢能轉化為小車前進的動能以實現小車行走，並採用合理的機構，來實現行走過程中正確轉向並繞過障礙的裝置。小車設計注重能量利用的有效性，車體結構的合理性，行走的穩定性、勻速性，除錯的可靠性等。應用了諸多數學理論進行驗證，最終採用了萬向節連桿機構作為轉向機構，使小車控制轉彎更省力、對小車躲避障礙物的週期控制更容易實現，亦降低了整車重量。再者小車整體構造簡潔，組合零件不多，摩擦損耗小，效率高，較容易安裝製造。另外，透過對小車的設計、製作和除錯，提高了提出問題、分析問題、解決問題的能力，並總結了從中獲得的經驗和教訓。
1無碳小車的製作原理
1.1命題簡介
該競賽其中的一個命題為，要求設計一種以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車，驅動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的。給定重力勢能為4焦耳(取g=10m/s2)，競賽時統一用質量為1kg的重塊(50×65mm，普通碳鋼)鉛垂下降來獲得，落差400±2mm，重塊落下後，須被小車承載並同小車一起運動，不允許從小車上掉落。在比賽中，小車出發後，小車從賽道一側越過一個障礙後，整體穿過賽道中線且障礙物不被撞倒(擦碰障礙，但沒碰倒者，視為透過);重複上述動作，直至小車停止(障礙物初始間距為1m，後期在1m±100mm範圍內產生一個新的障礙物間距，需調整小車以適應新距離)，最終繞過障礙物多者獲勝。
1.2無碳小車設計原理
由命題得知，關鍵在於利用重力勢能獲得相當長距離的具有穩定正弦特徵的軌跡。由此，來設計小車以使其滿足要求。重力勢能大多透過掛在繩子上的重物拖動小車的軸進而驅使小車前進，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。
在傳動方面，根據往屆賽事經驗，有齒輪傳動，皮帶傳動等。由於小車在前行較長距離(一般為20m以上)，同時需要保證精確的行走軌跡，因此，皮帶由於打滑等原因不如齒輪傳動。同時，齒輪由於金屬材質，大大加大了車的重量，因而我們採用快速成型製造齒輪，保證了傳動的精確性與質量較輕的優點。接下來，便是使用兩級變速還是一級變速的問題，兩級變速能夠在有效的空間內實現較大的傳動比，同時具有較大的慣性，能夠克服賽道上的不平整路面(事實證明，這在比賽上時是相當重要的)，但由於齒輪加工精度的侷限，可能會造成較大摩擦力，造成能量的浪費。而一級傳動則較為輕便，結構簡單，便於加工裝配。
小車每繞過兩個障礙物，即在前進方向上走了2m，完成一個迴圈，此時，繞在軸上的繩子轉過一圈。因此，小車前進的理論長度即由繞線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生的啟動轉矩確定。小車的軌跡越接近於直線，摩擦力做功越少，便越節省能量。
我們發現，小車所走軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發生碰撞，小車調整起來也越容易，同時，前面已經提到，也就越浪費能量。而對於不同的週期來講，週期越小(障礙物間隔越小)，小車軌跡的幅值越大，便不容易與障礙物發生碰撞。
為了實現上述軌跡，轉向機構是重要的一環，由於“S”形避障運動是週期性的運動，恰好可以透過齒輪上的偏心，將其運動傳遞到前輪上。傳遞運動大致可以分為兩類，一類透過萬向節，與前輪轉向機構構成四連桿機構，進而實現週期往復運動。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於加工。但是不容易調節，調節部件較多，過程繁瑣。另一類透過直線軸承和滑塊傳遞運動，當然，這樣便於調節，僅需對偏心進行調節即可實現軌跡的週期變化。但是對加工精度要求較高。不過，隨著學生動手能力的提高和賽事水平的不斷提升，直線軸承和滑塊機構會逐漸提高穩定性，創造更好的成績。
2小車設計方案
2.1材料的選擇
小車的製作，首先我們要先考慮它的材料，材料極為重要，材料密度大了，小車就重，導致摩擦力就大;材料如果較小，小車太輕，小車在繞杆的同時會發飄，導致小車的軌跡會發生變化，導致小車達不到最好的狀態。所以選取適當的材料是至關重要的。由於鋁-鋼的摩擦係數大約為0.02，而鋁的密度小，小車的質量一般大約為2.5kg，所以摩擦力較小，並且橫向摩擦力足以滿足小車不側滑;有機玻璃材質輕阻力小，但是壽命短，易磨損，精度不夠高，力學效能差，主要是脆性大，抗衝擊性能差，受到第二次意外打擊時，有機玻璃易破碎。而尼龍的摩擦係數較大，吸水性較大，影響尺寸穩定和電效能，但車體的重量太小，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，鋁做車身骨架是最好的選擇。而尼龍具有機械強度高、軟化點高、耐熱、摩擦係數低、耐磨損、自潤滑性好、吸震性和消音性好、耐油、耐弱酸鹼、無毒無臭、耐候性好、比重小、高抗衝、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點，還容易安裝，容易定位，所以齒輪的材料最好是採用尼龍。
2.2設計思路和方案
(1)動力源。將重物固定於繩子上，繩子系在大齒輪軸上，重物下落拉動大齒輪軸轉動，透過齒輪齧合驅動小齒輪軸轉動，進而使小車前進;
(2)差速部分。當重錘下落時，透過滑輪軸連線線驅動大齒輪轉動，帶動驅動軸迴轉，並透過傳動齒輪帶動後軸迴轉。由於小車在前進時要走S形路線，在轉彎時內側的車輪與外側的車輪轉速不一樣，後面兩個輪子走過的距離不同，因此兩個後輪上採用了不同的連線方式，其中一個後輪採用過盈配合隨軸轉動，而另一個後輪採用軸承配合在軸上空轉，從而實現差動。
(3)前輪轉向部分。大齒輪上開一個13mm長的槽，其偏心距為11mm—24mm，將螺釘穿過槽用雙螺母緊固在大齒輪上，萬向節則也透過雙螺母緊固在螺釘的另一頭。變向連桿由使用雙頭螺桿連線在一起的兩個萬向節組成，螺桿一頭為反絲，便於調節。前叉則透過另一個螺桿與萬向節相連，從而形成了轉向部分。由於萬向節連桿與齒輪配合點存在偏心距，因而連桿可以實現週期性往復運動;前叉透過螺桿與連桿一端的萬向節相連，隨著杆的往復運動進而實現週期性轉向;因連線杆兩端的萬向節，與兩側杆件的連線形成球面副，可以向多個方向轉動，避免了死點位置。偏心距的合理設計實現了前輪的正確轉向;兩個萬向節中間的螺桿則能夠有效實現扭矩傳遞;基於此設計，小車以正弦曲線的方式向前運動，實現避障功能;
(4)調整部分。在大齒輪上開槽，透過調節偏心距實現前輪偏轉角的的調節。轉向角最大為30°，此時越障距離最短為0.8m，轉向角最小為15°，此時越障距離最長為1.15m;萬向節中間的`雙頭螺桿也是微調機構，可以調節小車的整體軌跡。因而在調整距離時，只需調節齒輪上偏心距的大小和萬向節連桿的長度即可，調節簡單方便。發車角度確定採用鐳射筆遠距離定位，精確找到合適發車角度，用時短，精度高。
(5)轉向部分的計算。有e=a×α。取a=45mm，當α=15°時，e=11mm;當α=30°時，e=24mm，其中e為大齒輪開槽處的偏心距。
(6)小車其它尺寸計算。小車各個部分的關係為Δl=dsinφ、θ=arcsinΔl/l其中r1、r2，ω1、ω2為前後齒輪的半徑和速，d為前齒輪旋鈕的位置，主要零件的設計尺寸:前軸9mm，後軸10mm;前輪40mm，寬度8mm，後輪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小車除錯與行走
在小車的實際除錯和行走過程中，實踐操作的經驗非常重要。例如，當障礙物間隔為1m時，要求小車的行走週期為2m，而正弦曲線的週期是透過調節大齒輪偏心距來實現的，雖然透過計算很容易得出理論值，但是由於螺母與螺桿並非理論中的質點，因而在實際操作中很難實現一次性除錯成功。因而在不斷的實踐中才能總結出規律，並熟練掌握。
在小車除錯的初期，透過在小車後貼上熒光筆來跟蹤軌跡，但發現這種方法會增加小車行走的阻力影響軌跡的精度而且跟蹤的曲線不具備完整性，後來改用了在車底板上放一個以一定的速度滴水的小容器，實現軌跡的跟蹤。實踐證明，這種軌跡跟蹤方式，更加準確，並且容易清理。透過量取軌跡的週期則可以判斷小車的行走週期。當軌跡的週期大於比賽要求週期時，則透過增大偏心距來減短實際軌跡的週期:相反，則減小軌跡的週期。這樣便實現了小車行走週期的正確調節。
調節好週期後，小車大齒輪的偏心距便被固定住了。接下來便不再著眼於小車軌跡的1個週期了，而是著眼於小車行走軌跡的總的趨勢。因為當萬向節連桿過長時會使小車的軌跡成為一個整體往左偏的大弧，而萬向節連桿過短又會使小車的軌跡成為一個整體往右偏的大弧。萬向節連桿兩端的螺紋旋向相反，在調節時，往裡旋轉為調短向外旋轉為調長，調節方式簡單，另外兩端萬向節與連桿透過雙螺母固定在一起增加了穩定性。
在軌跡的調直過程中，透過在發車線前45cm(以行走週期為1m為例)處貼一張中心線與障礙物所在直線重合的16K的紙來定發車角。具體方法:在紙的左上角標出前輪位置，保持前輪位置不變，透過改變後輪位置改變發車角度，並隨時在紙上標記後車輪位置。當小車左輪擦杆時，減小發車角，當右輪擦杆時，增大發車角，從而出直線。在實際調車過程中，很多時候不論如何改變發車角度都不能使得小車實現總體的直線繞杆，這時便要透過調節萬向節連桿來微調前輪的轉向角，而調節連桿長度時，微小的變化則會引起轉向角較大的變化，連桿每旋轉一圈長度便會改變1mm，而1mm會使轉向角改變2.5度。因此螺桿要旋轉的角度要視軌跡的偏離情況而定。
透過在地面上貼紙的方式，調車的精度能到20根杆，若直線距離再遠，則在紙上畫線便會過密，肉眼很難再進行定位。為了克服這一困難採用了一種更加精確的定發車角度的方式，即鐳射筆。在用紙粗定發車角之後，在距發車線20m遠處放上帶刻度的板子，並使板子與地面垂直，0刻度線位於障礙物所在的直線上;把鐳射筆固定在小車前叉的平臺上，透過改變鐳射點所在的刻度來改變發射角度。由於貼紙法調節範圍廣，調節速度快，但調節精度低，所以用於角度的粗調;而鐳射筆調節法，調節精度高，但調節範圍小，所以適合粗調完成後的精調。兩種方式各有利弊，綜合利用取長補短，使得小車的調節得到完善。
小車的行走過程是一個不斷磨合的過程。在不斷的行走練習過程中，小車的各種零件才能實現更好的配合。
4結語
在無碳小車的設計、製造和除錯過程中要有嚴謹的科研精神，科學是容不得半點馬虎的，小車設計是一個用科學來指導實踐，把科學運用到實踐中去的過程。既然是指導實踐，就應該做到事無鉅細，考慮周全，在設計的過程中，不應放過每一個細節。小車的製造，是要經過方案設計，三維設計，最佳化及修改，Cad出圖，圖紙稽核等過程來完成的，在此過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。而小車的除錯是一個漫長而充滿困難的過程，考驗著除錯人員的耐心和毅力，以及在實踐中應用理論知識、不斷總結經驗、創新思維的能力。