阮凤 RUAN Feng；周毓 ZHOU Yu；苏国祥 SU Gou-xiang；郑志航 ZHENG Zhi-hang；郑永洲 ZHENG Yong-zhou
（福建江夏学院工程学院，福州 350108）
（Engineering College of Fujian Jiangxia University，Fuzhou 350108，China）
摘要： 无动力小车是以4焦耳重力势能为唯一能量的、具有连续避障功能的三轮小车，实现真正意义上的无碳。依据机械结构设计理念，设计周期性自动避开障碍物的小车，主要是转向机构的设计。本文通过对不同转向机构的小车参数进行系统分析，确定各参数对轨迹的影响，为无动力小车转向机构方案的设计提供借鉴。
Abstract: Unpowered car is a three-wheeled and carbon-free car with continuous obstacle avoidance capabilities, four Joules of gravitational potential energy is the only energy. Based on the mechanical structure design concept, the design of the steering mechanism is an important issue. This paper presents several designs of car steering mechanism, based on the analysis of the parameters of the car´s different steering mechanism, the effect of parameters on the track is determined to provide a reference for the design of the car steering mechanism.
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关键词 ： 无动力小车；转向机构；周期性；自动避障
Key words: unpowered car；steering mechanism；periodic；obstacle avoidance
中图分类号：TH112 文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2015）06-0037-02
0 引言
环保型无动力小车设计与开发项目着眼于环境保护，是利用重力势能开发新型交通工具的一种理论模型，小车为三轮结构，具有自我方向控制能力。小车结构如图1所示。
该项目的难点在于小车是否能周期性绕过障碍物，而不偏离固定车道。小车自动运行轨迹为S形或8字形，如图2所示。小车在绕障碍物运行过程中，必须保持平稳，否则容易失去中心而翻车。可见，小车周期性绕过障碍物的关键在于小车转向机构的设计。同时，转向机构应尽可能地减少摩擦消耗的能量。
1 转向机构的设计
转向机构应尽可能地减少摩擦消耗能量，结构简单，同时还应该具有特殊的运动特性。整个小车的运动形式为后轮驱动，将后轮旋转运动通过传动机构将运动传给前轮转向机构，前轮转向机构将其转化为满足要求的周期性自动回摆运动，从而实现避障功能。转向机构设计的好坏，直接决定了小车运动轨迹。根据无碳小车运动轨迹的特点，可采用以下的转向机构设计方案。
1.1 曲柄摇杆机构
小车的周期性转向由曲柄摇杆机构实现，如图3所示。
摇杆两极点间的距离（C1与C2间长度）l为
其中：a为曲柄长度，b为连杆长度，c为摇杆长度，θ为曲柄转角，α为前轮转向角。
前轮速度：V1=v1aαj（4）
其中v1为前轮的线速度。
前轮位移：
其中，v为驱动轮线速度，w1为驱动轮转速，r1为驱动轮半径，i为齿轮传动比。
由公式（1）、（2）、（3）可得，无动力小车前轮转向角受曲柄长度、摇杆长度和连杆长度的影响。因此，可以通过确定曲柄长度a，然后将摇杆长度和连杆长度设计成微调机构。其中微调机构可采用微调螺母形式，通过螺纹转动角度来改变连杆长度，从而调整小车运行轨迹。由公式（4）可得，调整小车运行轨迹周期长度可通过调整驱动轮半径，齿轮传动比来实现。
曲柄摇杆机构的结构简单，运动副为低副，其单位面积所受压力较小，便于加工，容易实现，但其滑动摩擦副使其工作效率较低，易发生自锁。
1.2 曲柄滑块机构
采用曲柄滑块机构来实现小车的周期性转向，如图4。曲柄滑块机构设计为对心曲柄滑块，即偏距e=0，保证机构无急回运动特性，曲柄做等速转动，滑块做前后匀速滑动。
对心曲柄滑块机构中滑块行程l为[1]：
l=2a（6）
前轮转向角：
其中：a为曲柄长度，b为连杆长度，d为前轮竖直轴与连接滑块的连接杆长度。
前轮速度：V2=v2aαj（8）
其中v2为前轮的线速度。
其中，v为驱动轮线速度，w1为驱动轮转速，r1为驱动轮半径，i为齿轮传动比。
由公式（5）（6）可得，小车前轮转向角与曲柄长度、前轮竖直轴与连接滑块的连接杆长度有关，通过调整曲柄长度、前轮竖直轴到滑块的距离来调整前轮摆角，从而得到小车运行轨迹曲线的幅值。
由公式（7）可得，可通过调整驱动轮半径，齿轮传动比来实现小车运行轨迹周期长度。
曲柄滑块机构的运动副为低副，其构成两元件的几何形状较为简单，便于加工。同时在小车设计过程中，可以运用曲柄滑块机构本身特性来减小因小车后轮差速带来的转向误差。但是由于前轮竖直轴到滑块的最小距离点不是左右往复运动的对称点，使得小车前轮在左右摆动时生成的轨迹为倾斜的S形路线。
1.3 凸轮摇杆机构
凸轮摇杆机构如图5所示。凸轮机构可通过推杆实现直线往复运动，并且在凸轮机构的远休止点和近休止点可以实现推杆的间歇性传动。凸轮做等速转动，其转角与时间成正比。
摇杆两极点间的距离等于推杆位移l
前轮转向角：
其中：h为推杆移动到距凸轮回转中心最远的位置即行程，φ为推程运动角，ψ为凸轮转角，d为摇杆长度。
前轮速度：V3=v3eαj（12）
其中v3为前轮的线速度。
前轮位移：
其中，e为偏距，v为驱动轮线速度，w1为驱动轮转速，r1为驱动轮半径，i为齿轮传动比。
由公式（8）（9）可得，小车前轮转向角与行程、推程运动角、摇杆长度有关，通过调整凸轮轮廓的设计、摇杆长度来调整前轮摆角，从而小车运行轨迹曲线的幅值。由公式（10）可得，可通过调整凸轮偏距、驱动轮半径，齿轮传动比来实现小车运行轨迹周期长度。
凸轮摇杆机构中凸轮做等速转动，可以获得连续的预期往复运动，使小车前轮做左右对称的往复运动。凸轮机构的滑动摩擦较大，会降低工作效率，可以将推杆转换成具有滚子的推杆，将滑动摩擦变成滚动摩擦。但是其凸轮轮廓加工较为困难。
2 结语
本文通过无动力小车三种转向机构对小车前轮转向角和位移的分析，得到不同转向机构对小车运行轨迹幅值、周期的影响因素不同。在无动力小车设计过程中，可以通过调整这些影响因素的参数来改变小车的运行轨迹，实现不同S形曲线轨迹的需要。同时，本文总结了各转向机构的优缺点，为有关无动力小车结构设计提供一定的参考。
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