杨紫铭 谷家恒
河南理工大学，河南省焦作市 454002
摘要：依据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求，本文针对“S”型赛道常规赛中无碳小车所需要完成的任务，利用proe三维软件进行仿真，设计并制作了空间四连杆机构的“S”型无碳小车，并针对在调试过程中所经常遇到的微调连杆难以固定的问题，提出了用微分头微调的方法，以求小车能够按照预定的轨迹，安全、可靠、稳定的运行。
关键词：无碳小车；proe仿真；空间四连杆；微调连杆；微分头；
1.引言
随着全球经济的高速发展，地球上资源的枯竭也日益严重，人们的环保意识显著增强，“无碳”理念深入人心。教育部高等教育司发文举办的以“无碳小车”为主题的全国性大学生科技创新实践竞赛活动中的“S”型赛道常规赛要求自主设计并制作一种具有方向控制功能的自行无碳小车，使其行走过程中完成所有动作所需的能量均由给定重力势能转换而得，不借助其他能量.
本文针对小车的绕线问题，出发问题以及微调问题提出一些改进方法，以求增强小车的稳定性，可靠性。
小车的设计：小车的设计需要综合考虑各方面的因素，考虑到塑胶棒的初始放置间距是1m，在前后20cm~30cm的范围内波动，因此取一个固定的折中的长度1m作为小车行走半个周期的位移，由此来确定传动比。
一级齿轮减速比太大, 会造成大齿轮直径过大。设定小车轨迹中线与小车理想轨迹的最大偏移量为0.3m, 小车后车轮直径选择为200mm，根据扇形计算公式计算得出小车沿弧线行走距离约为2.45m, 小车每行走一个周期, 后轮的转数为n=2.45m/0.2πm=3.9rad, 得出齿轮速比为1:3.9。
2.绕线轴
对于小车启动力矩不足的问题，通常选用的3D打印绕线盘效果并不理想，原因有以下几点：
1)一般的3D打印精度最高在0.2mm以内，这个精度远不能满足无碳小车对精度的要求，而高精度的成本较高；
2)一般的3D打印材料如ABS树脂材料，容易受到环境温度变化的影响而变形；
3)绕线盘上需要承受较大的力矩，容易磨损，不利于小车的调试以及定点。
基于此，可以设计出一种用铝作为材料的阶梯轴，如图1所示：
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铝材耐腐蚀，密度小，强度较高，是无碳小车轴类零件的首选材料。如图所示，箭头所示为初始绕线位置（即大力矩），最终绕线时需绕到有小力矩的中间处，绕线需从大力矩逐渐过渡到小力矩，以保证小车能够成功启动. 另外，力矩M与绕线轴的直径D成正比，因此也同样正比于绕线轴的周长L
当重锤高度H一定时，绕线轴的直径D越小，在完全有动力的情况下绕线轴的转数
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越大，即小车的行走距离S 越远.
3.小车出发的研究
1)实际操作发现，车身或转向轮的细微偏差将导致车身轨迹产生较大的偏差，其中的不可控因素主要是前轮轴承内圈的松动或过盈配合不到位，装配时也应多加注意，不可用力过猛;对于车身的调整可以设计一张“发射纸”，多次尝试寻找最适合的出发位置和角度.
2)根据比赛规则, 将沿赛道中线从距出发线 1 米处开始按平均间距 1 米摆放障碍桩，奇数桩位置不变，根据经现场公开抽签的结果，我们选取+200mm和+300mm即两个极端来研究：
当塑料桩的间距为1m时，小车的理想轨迹路线如下图左所示:
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假设由于累计误差小车将在绕过n个杆后“撞杆”，行走过程中无相对于两侧的左右偏差
①当抽取的距离为+200mm时，塑料桩的位置变化如上图右所示:
很明显，变换位置后的塑料桩与理想轨迹线之间的距离明显缩短，由于小车的累计误差，这将导致小车提前“撞杆”. 为此，可以将轨迹线整体向右平移，使“M=N”.如上图右：
由上图可知，平移后轨迹线纵向距离为
可以计算出轨迹向右平移的长度P（需根据小车的轨迹函数计算）。
②同理，当抽取的桩距为+300mm时，理想的平移长度为P′。
当桩距为负时，原理和以上类似，唯一不同点就是“远离”桩和“靠近”桩的位置正好相反。
即改变桩距后小车出发的位置应在原来的基础上整体向左或向右平移P个长度。
4.小车微调
空间四连杆型小车的机构包括偏心盘、微调螺杆和连杆。但是实际操作发现，用螺母来固定连杆和万向节极不方便，主要有以下几点：
1)通常用M3或M4螺母，螺母本身体积较小，必须借用钳子，而钳子又极易对螺母或螺杆造成不可逆转的损坏；
2)对连杆进行的每一次调节，需要松动两个螺母；
3)在拧紧螺母的同时，不可避免地会使螺杆与万向节相对转动，从而加大调节的误差。基于此，可将中间的螺杆用微分头来替代，微分头上显示刻度，并且有固定装置，精度高，省时省力。
5总结
1)所有的调试都是在充分理解小车工作原理的基础上的，需要对小车的结构充分的掌握。
2)所有的分析都是基于理想状态下，误差不可避免，在零件加工过程中必须严格控制零件的精度，在调试过程中也要注意对小车的维护。
3)小车的零件有一个磨合的过程，因此不可轻易更换零件。
4)在整个调试过程中需要有一个良好的心态，多次调试，善于总结。
5)制作小车的过程中涉及车床、铣床加工，要注意安全。
参考文献
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