無碳小車設(shè)計(jì)研究

林劍鋒　林偉青

摘 要：針對全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽題目，要求設(shè)計(jì)一輛S型或者8字型無碳小車，競賽命題是以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行裝置。文章主要分別介紹了無碳小車S型與8字型的異同點(diǎn)，使人們對無碳小車有更深入的了解。

關(guān)鍵詞：無碳小車；8字型與S型區(qū)別；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 8字型無碳小車

1.1 設(shè)計(jì)簡圖

8字型無碳小車以重力作為驅(qū)動力，具有自動轉(zhuǎn)向功能。小車的綜合性能以越障能力作為評優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示

1.2 小車整體設(shè)計(jì)

8字型無碳小車結(jié)構(gòu)是由原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成的。其中原動機(jī)構(gòu)的動力是由重物下落時的重力勢能轉(zhuǎn)化而來；傳動機(jī)構(gòu)可以采用齒輪傳動；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是由曲柄搖桿結(jié)合不完全齒輪構(gòu)成；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則通過調(diào)節(jié)螺絲來完成。

1.3 加工制作

車底板因?yàn)椴恍枰惺芎艽蟮膲毫Γ纫蟛皇欠浅８撸紤]到質(zhì)量輕，并且加工方便以及成本低等因素，決定用鋁合金薄板加工制作成三角形式底板?？梢岳?=4mm鋁合金板的邊角廢料，節(jié)約且易加工。

1.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車的關(guān)鍵部分，尤其8字型小車要求十分嚴(yán)格。能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制的機(jī)構(gòu)通常有：曲柄連桿+搖桿，曲柄搖桿，凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿和差速轉(zhuǎn)彎等幾種方式。通過實(shí)際對比分析可得出，凸輪機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，但輪廓軌跡加工和計(jì)算難度較大。而曲柄連桿+搖桿，其工作原理簡單明了，加工和零件設(shè)計(jì)均易實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足實(shí)際要求的往復(fù)直線運(yùn)動，進(jìn)而使得搖桿帶動轉(zhuǎn)向輪做周期性左右轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)拐彎避障功能。為了減少因緊固連接而造成的摩擦損耗，可以在連桿兩段使用萬向節(jié)。萬向節(jié)轉(zhuǎn)向靈活，機(jī)構(gòu)緊湊可購買。既提高了轉(zhuǎn)向精度又降低了成本，此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)易加工，成本低，調(diào)節(jié)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1.5 動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的功能是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為主動輪的驅(qū)動力，從而把重力勢能轉(zhuǎn)換為小車前進(jìn)的動能。其中簡單易行的方案是：利用細(xì)線和定滑落機(jī)構(gòu)，細(xì)線兩段分別繞在卷筒上和栓在重錘上，而卷筒則固定在驅(qū)動輪軸上，使得重錘的重力可以轉(zhuǎn)換為驅(qū)動輪上的扭矩，從而帶動主動輪產(chǎn)生動力。其中卷筒的直徑對車速及小車的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，適合的卷筒直徑是保證小車勻速平穩(wěn)地造成全程的前提。驅(qū)動軸帶動安裝在其兩端的兩個后輪旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動小車前進(jìn)。如果兩個后輪同時驅(qū)動的話，則當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎的時候便會因差速問題導(dǎo)致小車的不穩(wěn)定，容易引起側(cè)翻。即采用與S型無碳小車相同的方法：單輪驅(qū)動。

1.6 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

8字型無碳小車驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由繞線盤、重物、齒輪、定滑輪和鋼絲繩等構(gòu)成。根據(jù)機(jī)械原理相關(guān)方面知識可知，齒輪傳動比較繁瑣，原因是傳動比設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)影響到小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐與理論相結(jié)合的方式得出了以下可行方案：

二級齒輪傳動方案，該方案利用重物下落帶動階梯軸上固定的主動齒輪，再帶動安裝在后輪軸上的齒輪，最后再帶動第二級從動齒輪，將從動齒輪得到的能量轉(zhuǎn)化為后輪驅(qū)動力。如圖2所示。

1.7 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械原理知識可知，齒輪的傳遞效率大約為98%，可以較好的提高能量利用率。為了讓重物下落時的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動能能量損失最少，我們可以選擇以齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動。但是由于剛開始啟動時，需要的力矩大，而在小車進(jìn)入行使?fàn)顟B(tài)后，運(yùn)動逐漸趨于平穩(wěn)，此時需要的力矩較小，所以可以在滾筒軸上安裝一個錐形滾筒。

2 S型無碳小車

2.1 設(shè)計(jì)簡圖

S型無碳小車的設(shè)計(jì)簡圖如圖3所示。其運(yùn)行軌跡為S型，要求小車具有自動轉(zhuǎn)向功能，運(yùn)行軌跡如圖4所示。

2.2 運(yùn)動軌跡分析

根據(jù)比賽規(guī)則，S型無碳小車必須越過不同間距的障礙物。通過分析對比可得出以下兩種方案達(dá)到上述效果：

方案一：采用變傳動比傳動。其驅(qū)動和轉(zhuǎn)向都設(shè)計(jì)為變傳動比。優(yōu)點(diǎn)是能夠在不改變幅值的條件下改變小車的轉(zhuǎn)向周期，在相同的周期內(nèi)所走的路程較多，繞過障礙物的數(shù)目較多。缺點(diǎn)是變傳動比結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工難度大。改進(jìn)的方案是采用分檔變速和無極變速機(jī)構(gòu)。

方案二：采用定傳動比傳動。其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)都采用定傳動比，僅僅通過改變轉(zhuǎn)向的最大轉(zhuǎn)角即可達(dá)到繞過不同間距障礙物的目的。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)比較簡單，傳動效率高。缺點(diǎn)是能夠繞過障礙物的數(shù)目較少。

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

S型無碳小車的軌跡為S型，應(yīng)設(shè)計(jì)前輪導(dǎo)向。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)該小車的關(guān)鍵部分，決定著小車的行走軌跡。其同樣需要滿足結(jié)構(gòu)簡單、加工難度低、減少摩擦損耗等條件，同時還必須具備特殊的運(yùn)動性能：能夠?qū)⒅鲃虞S的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為搖桿的周期性擺動，從而帶動轉(zhuǎn)向車輪相對車身左右轉(zhuǎn)向而實(shí)現(xiàn)S型運(yùn)動軌跡。通過查閱資料可知能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：曲柄搖桿、曲柄連桿+搖桿、凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿以及差速轉(zhuǎn)向。從機(jī)械相關(guān)資料可知，曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡單且加工成本低，故應(yīng)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。如圖5、6所示。

2.4 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于無碳小車是沿著S型軌跡曲線前進(jìn)，那么后輪必定會產(chǎn)生差速問題。如果無碳小車采用的是雙輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)，當(dāng)小車在轉(zhuǎn)彎時就會導(dǎo)致車身的不穩(wěn)定，甚至側(cè)翻，更加難以保證行走軌跡的精確性。為了解決差速問題，建議采用結(jié)構(gòu)簡便且耗能小的方法，即采用單輪驅(qū)動。意思是將從動輪軸上的一個后車輪作為驅(qū)動輪，其與從動軸建立旋轉(zhuǎn)約束，以便于傳遞扭矩。而另一個后車輪則通過軸承套在軸上，不建立與從動軸的旋轉(zhuǎn)約束，在前進(jìn)過程中配合主動輪的轉(zhuǎn)向能夠自動調(diào)節(jié)速度，從而保證無碳小車在前進(jìn)的過程中車身的穩(wěn)定性，提高了運(yùn)行軌跡的精確性。

2.5 微調(diào)機(jī)構(gòu)

S型無碳小車的微調(diào)機(jī)構(gòu)即對連桿長度和曲柄長度的調(diào)整。因?yàn)槲⒄{(diào)機(jī)構(gòu)能夠體現(xiàn)小車的柔性。其中連桿長度決定著轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)角的大小。而曲柄長度決定的是小車行駛的周期即樁距，曲柄的長度越長，繞裝周期就越短，適應(yīng)障礙物的間距就越短。連桿長度與曲柄長度調(diào)整是否適當(dāng)直接影響到比賽時間，又由于軌跡路線對兩者長度較敏感，故應(yīng)精確調(diào)試。通過查閱資料可得出，采用類似絲杠的機(jī)構(gòu)，用帶螺紋的曲柄和連桿，將螺紋鎖死。在調(diào)整長度時，應(yīng)擰松螺母，調(diào)整長度，此做法也精確地調(diào)整其長度。

3 結(jié)束語

文章針對全國大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽中的無碳小車進(jìn)行了分析，分為8字型和S型進(jìn)行闡述。其共同特點(diǎn)就是兩者都是利用單輪驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，以便于解決差速問題。其中8字型小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可由多種方式組成，最好的方法是曲柄連桿加搖桿，而S型小車則采用連桿機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)小車自動轉(zhuǎn)向的。驅(qū)動機(jī)構(gòu)兩者采用齒輪機(jī)構(gòu)為宜。大量實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)構(gòu)簡單，加工難度低，加工成本小，實(shí)用性好，效率高才是我們所要達(dá)到的目的。

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