張金玲　肖坤　邊普陽(yáng)　趙宏宇　曹偉龍

摘 要： 為提高在校本科生動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，我校特舉辦大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽，該賽事的主題是“無(wú)碳小車(chē)”，針對(duì)競(jìng)賽項(xiàng)目，在充分領(lǐng)悟命題要求的基礎(chǔ)上，著重方案選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面闡述了“8”字型無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)小車(chē)的設(shè)計(jì)、制作、安裝與調(diào)試，強(qiáng)化了學(xué)生的工程訓(xùn)練效果，發(fā)揮了學(xué)生的潛力，綜合體現(xiàn)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際動(dòng)手能力、工程管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

關(guān)鍵詞： 無(wú)碳小車(chē)； 方案設(shè)計(jì)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 創(chuàng)新意識(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）03-0069-04

0 引 言

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽，是2009年由教育部高等教育司舉辦的全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng)，是國(guó)家“本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”資助賽事之一，也是教育部主辦的最具影響力的競(jìng)賽之一。該賽事的競(jìng)賽主題是無(wú)碳小車(chē)越障競(jìng)賽，競(jìng)賽命題是以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行裝置，我校為提高在校本科生動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，也積極加入無(wú)碳小車(chē)競(jìng)賽中來(lái)，根據(jù)國(guó)賽命題要求，結(jié)合本校工程訓(xùn)練中心及學(xué)生自身情況，舉辦了哈爾濱理工大學(xué)第一屆無(wú)碳小車(chē)綜合能力競(jìng)賽，競(jìng)賽命題要求參賽者設(shè)計(jì)一種小車(chē)，利用給定勢(shì)能而不能使用其他能源，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制小車(chē)行走，小車(chē)應(yīng)具有轉(zhuǎn)向和微調(diào)機(jī)構(gòu)，三輪著地。競(jìng)賽項(xiàng)目分為“S”型賽道場(chǎng)地常規(guī)賽和“8”字型賽道場(chǎng)地常規(guī)賽兩種，在這里著重介紹“8”字型無(wú)碳小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 小車(chē)設(shè)計(jì)流程

小車(chē)的設(shè)計(jì)是提高小車(chē)性能的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)命題的分析，根據(jù)自己所選參賽項(xiàng)目從而確定小車(chē)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還應(yīng)綜合考慮小車(chē)材料的選擇、加工方法的確定以及制造成本等多方面因素，力求做到簡(jiǎn)單實(shí)用，既規(guī)范又具創(chuàng)新。在參數(shù)設(shè)計(jì)方面，我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì) 、優(yōu)化設(shè)計(jì) 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)明理論方法；采用了MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計(jì)，圖1為小車(chē)的設(shè)計(jì)流程。

2 方案設(shè)計(jì)

由于我們參加的是“8”字型常規(guī)賽，根據(jù)小車(chē)所要完成的功能，以及繞過(guò)障礙的間距，從而確定車(chē)體的大小、零部件的選擇。為了設(shè)計(jì)方便我們進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)小車(chē)各部分所實(shí)現(xiàn)的功能具體劃分為：車(chē)底板、能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)部分，為了達(dá)到清晰明了的效果，將每一模塊的多種可行方案均一一例舉出來(lái)，便于設(shè)計(jì)者分析、比較、權(quán)衡利弊，從而確定最佳可行方案。設(shè)計(jì)時(shí)始終應(yīng)堅(jiān)持的原則：車(chē)重心要低；結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單；傳動(dòng)件數(shù)少；質(zhì)量?。徽駝?dòng)??；操作、調(diào)整方便靈活[1]。圖2為方案設(shè)計(jì)框圖。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比、分析，最終確定小車(chē)每一模塊的具體實(shí)施方案。

3 加工制作

3.1 車(chē)底板

車(chē)底板因不需承受很大的力，精度要求不是很高，考慮到加工方便、質(zhì)量輕、成本低等因素，決定用δ=4mm鋁合金薄板加工制作三角形式底板?？梢岳娩X合金板的邊角廢料，節(jié)約且易加工，如圖3所示。

3.2 能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力，即勢(shì)能轉(zhuǎn)換動(dòng)能。為實(shí)現(xiàn)這一功能在此結(jié)構(gòu)中應(yīng)具有讓重塊保持一定高度的支架以及重塊帶動(dòng)車(chē)體的連接部件滑輪、繞線輪等，考慮到立柱在滿足一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡可能的輕，我選用鋁合金材料，起初用單根立柱來(lái)固定重塊，但發(fā)現(xiàn)小車(chē)在行駛過(guò)程中，重塊晃動(dòng)過(guò)大，極易造成翻車(chē)現(xiàn)象，后來(lái)采用三根立柱但要注意控制好三根立柱的間距，因?yàn)榱⒅g間距過(guò)大，重塊同樣會(huì)劇烈晃動(dòng)，通過(guò)多次的改進(jìn)最終立柱采用的是三根角鋁，既輕便又穩(wěn)固達(dá)到預(yù)期效果。至于滑輪是選動(dòng)滑輪還是定滑輪，應(yīng)根據(jù)車(chē)體的重量來(lái)確定，如果車(chē)體較輕選用動(dòng)滑輪比較好，在重塊下降同樣高度的情況下，動(dòng)滑輪使小車(chē)前進(jìn)的更遠(yuǎn)，如果車(chē)體較重，小車(chē)不易起動(dòng)，那最好采用定滑輪，定滑輪不僅穩(wěn)定且易改變力的方向，由于車(chē)體及車(chē)輪均采用鋁合金板而不是材質(zhì)較輕的雅格利板、碳板，故選用了定滑輪。圖4為能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

圖4中，針對(duì)小車(chē)在行走過(guò)程中由于慣性會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越快，從而造成小車(chē)失控跑偏或翻車(chē)現(xiàn)象，繞線輪采用錐形結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)改變繞線的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出不同驅(qū)動(dòng)力，避免行走結(jié)束時(shí)對(duì)小車(chē)過(guò)大的沖擊。

3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，尤其“8”字型小車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)向要求更加嚴(yán)格。能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制的機(jī)構(gòu)通常有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等幾種方式。通過(guò)實(shí)際對(duì)比分析，可知凸輪機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但輪廓軌跡計(jì)算、加工等難度較大，曲柄連桿+搖桿結(jié)構(gòu)，工作原理簡(jiǎn)單易懂，零件設(shè)計(jì)、加工均易實(shí)現(xiàn)，故我們小車(chē)采用該種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，曲柄與連桿的結(jié)合能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)搖桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪做周期性左右轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)拐彎避障功能，為減少緊固連接造成的摩擦耗能，或因部件之間間隙過(guò)大產(chǎn)生的控制誤差，在連桿兩端使用了萬(wàn)向節(jié)，萬(wàn)向節(jié)具有轉(zhuǎn)向靈活，結(jié)構(gòu)緊湊是標(biāo)準(zhǔn)件可購(gòu)買(mǎi)，既提高控制轉(zhuǎn)向精度又降低了小車(chē)成本，此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有簡(jiǎn)單易加工、成本低，調(diào)節(jié)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，借助于Pro/E軟件建立一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化實(shí)體模型，通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化模型的靈敏度分析確定滿足無(wú)碳小車(chē)運(yùn)動(dòng)要求的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，并基于這些參數(shù)進(jìn)行具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與數(shù)學(xué)分析計(jì)算的交互設(shè)計(jì)[2]。

3.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定了小車(chē)的性能，能量是否充分利用，轉(zhuǎn)向是否精確皆取決于此。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常采用以下幾種傳動(dòng)方式：①直接由動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而不需要其他傳動(dòng)裝置，這樣結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單能量損失小，但小車(chē)行駛距離太短；②皮帶傳動(dòng)，雖傳動(dòng)平穩(wěn)易調(diào)節(jié)，但容易出現(xiàn)打滑丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。③齒輪傳動(dòng)，是目前應(yīng)用最廣的傳動(dòng)方式之一，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇了一級(jí)齒輪傳動(dòng)，在齒輪材質(zhì)的選擇上，考慮到金屬齒輪質(zhì)量太重且價(jià)格較高不宜采用，塑料齒輪材質(zhì)輕、價(jià)格便宜、規(guī)格齊全是我們優(yōu)先選擇的對(duì)象，對(duì)于小車(chē)所需齒輪強(qiáng)度要求不高的情況，也可用3D打印件，成本會(huì)更加低廉，小車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖6所示。

3.5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

小車(chē)具有三輪結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)后車(chē)輪加一個(gè)轉(zhuǎn)向輪，小車(chē)的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)重塊下降的勢(shì)能通過(guò)繞線輪轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后，驅(qū)動(dòng)小車(chē)后輪和轉(zhuǎn)向輪，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)行走。對(duì)于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，單輪驅(qū)動(dòng)，雙輪差速驅(qū)動(dòng)等幾種方式。當(dāng)采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于小車(chē)是沿著“8”字曲線前進(jìn)的，左右兩側(cè)輪子所走過(guò)的距離不同、速度不同，必定造成有一輪子與地面打滑，那么小車(chē)行駛的軌跡就不確定了無(wú)法實(shí)現(xiàn)小車(chē)的繞障功能。當(dāng)采用單輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，即一側(cè)輪子裝有軸承作為從動(dòng)輪；另一側(cè)輪子固定鎖緊作為驅(qū)動(dòng)輪，當(dāng)小車(chē)行走時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪與轉(zhuǎn)向輪行車(chē)軌跡一致，從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速則需依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束來(lái)確定，雖然單向軸承能夠解決小車(chē)曲線行走造成的差速問(wèn)題，但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動(dòng)輪從動(dòng)輪切換過(guò)程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確。通過(guò)建立無(wú)碳小車(chē)的Admas模型，并多次修改前輪位置，得到機(jī)架質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果表明，前輪與驅(qū)動(dòng)輪共面更有利于無(wú)碳小車(chē)機(jī)架質(zhì)心軌跡的直線度[3]。最好的驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)該是雙輪差速驅(qū)動(dòng)，裝有差速器的小車(chē)既能滿足運(yùn)動(dòng)軌跡要求，又能使摩擦損耗降至最小，但市場(chǎng)上很難買(mǎi)到我們所需規(guī)格的差速器，我們的小車(chē)裝有自制的簡(jiǎn)易差速器，即將兩車(chē)輪之間的軸斷開(kāi)，中間裝有帶滾珠的軸承，再車(chē)兩個(gè)固定件，將斷開(kāi)的軸通過(guò)固定件與中間滾珠軸承相連接，即可實(shí)現(xiàn)一側(cè)輪子向前時(shí)，而另一側(cè)輪子向后，在小車(chē)曲線前進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)差速效果。

3.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)機(jī)構(gòu)屬于小車(chē)的控制部分，通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)可以修正小車(chē)行走軌跡。我們確定了小車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄、連桿+搖桿方案，連桿兩端各裝有一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，通過(guò)螺紋連接使連桿長(zhǎng)度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)運(yùn)行軌跡的控制。連桿與曲柄安裝位置可調(diào)，連桿與搖桿通過(guò)螺栓相連，通過(guò)螺栓在搖桿上滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車(chē)擺角大小。由于萬(wàn)向節(jié)的使用實(shí)現(xiàn)了連桿與曲柄、搖桿無(wú)間隙連接，但由于各部件加工誤差和裝配誤差，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，還需反復(fù)調(diào)整，總結(jié)出自己的發(fā)車(chē)規(guī)律。微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖7所示。

3.7 小車(chē)實(shí)體模型

通過(guò)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析與結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，這里成功研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適用的“8”字型無(wú)碳小車(chē)，圖8為基于Pro/E的“8”字型無(wú)碳小車(chē)整體外觀模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)、建模、運(yùn)動(dòng)仿真、制作及調(diào)試等環(huán)節(jié)中，經(jīng)過(guò)反復(fù)探索，不斷前進(jìn)，最終小車(chē)的實(shí)際效果基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在這個(gè)過(guò)程中不僅提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能，更重要的是鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，懂得了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。并且體會(huì)到工程設(shè)計(jì)中不能只注重理論而忽視實(shí)踐，理論與實(shí)踐之間往往存在一定的差距。要將所學(xué)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)融入到實(shí)踐中，在零件的制作過(guò)程中，車(chē)、鉗、銑等加工方法用到的最為普遍，同時(shí)也涉及到工序編排等問(wèn)題，有時(shí)因結(jié)構(gòu)需要、材料限制等客觀因素，還采用3D打印技術(shù)來(lái)完成工件加工，通過(guò)親身體驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)及制造過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、提高了工程實(shí)踐能力。

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（責(zé)任編輯：徐興華）