張洪銘+李建波+李佺

摘 要：針對(duì)第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽要求，設(shè)計(jì)一種能在標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)上饒L型障礙物走8字形軌跡運(yùn)行的小車，要求L形的短邊在300±50mm之間，長(zhǎng)邊在400-500mm之間。應(yīng)大賽要求，小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅滿足軌跡的穩(wěn)定性，同時(shí)整體應(yīng)該便于拆卸，因此設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且軌跡穩(wěn)定的小車，經(jīng)大賽實(shí)踐，該小車結(jié)構(gòu)合理，便于拆卸，取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

關(guān)鍵字：8字；無碳小車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；便于拆卸

設(shè)計(jì)一種小車，驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢(shì)能由競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。

“8”字形軌跡無碳小車競(jìng)賽場(chǎng)地在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)（長(zhǎng)1525mm、寬1370mm）上，有3個(gè)障礙成“L”形放置， “L”形的長(zhǎng)邊在球臺(tái)的中線上，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)公開抽簽，在400～500mm范圍內(nèi)產(chǎn)生“L”形的長(zhǎng)邊值，在300±50mm范圍內(nèi)產(chǎn)生“L”形的短邊值。

小車需繞中線上的兩個(gè)障礙物按“8”字型軌跡運(yùn)行，障礙物直徑20mm、長(zhǎng)200mm的3個(gè)圓棒，圓棒中心分別放置在“L”形的3個(gè)端點(diǎn)上，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來評(píng)定成績(jī)。經(jīng)過第一輪的現(xiàn)場(chǎng)比賽，將進(jìn)行小車的拆裝流程，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)進(jìn)行小車的所有的可拆卸零件，并進(jìn)行重新裝配和軌跡調(diào)試。最后進(jìn)行第二輪的現(xiàn)場(chǎng)比賽。

1 總體思路

根據(jù)能量守恒定律，標(biāo)準(zhǔn)砝碼下落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)動(dòng)能的過程中，由于傳動(dòng)效率的原因，存在著能量的損失。要使小車跑的更遠(yuǎn)，就必須盡量減小能量的損失，盡可能使重力勢(shì)能更多的轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)能。同時(shí)為了小車在障礙物之間能更好的行走，因此盡量將小車做到輕小化。

2 定滑輪設(shè)計(jì)

定滑輪的作用一般是轉(zhuǎn)換力的方向，此小車在設(shè)計(jì)中，在定滑輪上有3個(gè)滑槽，除了改變力的方向還可以到達(dá)一級(jí)變速的效果，3個(gè)滑槽的配合使用有三種降速比，每種降速比配合使用兩個(gè)滑槽，每個(gè)滑槽連接一根繩，如圖1所示，用最左邊的滑槽1和最右邊的滑槽3將產(chǎn)生最大的傳動(dòng)比，有利于小車行走更多的8字，最左邊的滑槽1一端固定于滑槽里，一端纏繞于繞線軸上，繞線軸如圖3所示，繞線軸和大齒輪固定在一根軸上，構(gòu)成傳動(dòng)體系?；?一端固定于滑槽里，一端連接重錘。滑槽2和3配合使用適用于摩擦系數(shù)較大的地面，減少傳動(dòng)比將增大轉(zhuǎn)矩，便于小車前進(jìn)。三個(gè)滑槽的直徑從左到右分別為65mm、50mm、25mm。

3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

重錘繞定滑輪垂直落下轉(zhuǎn)化能量使繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線軸通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)后輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)。期間為使能量消耗最低，選擇傳動(dòng)效率較高的齒輪傳動(dòng)，同時(shí)為了使小車走出更多的“8”字軌跡，在滿足小車正常行走的前提下，盡量增大傳動(dòng)比。最后考慮到小車體積的問題，最終選擇一級(jí)齒輪傳動(dòng)，加上定滑輪的減速效果，很好的增大了整體的傳動(dòng)比，同時(shí)滿足了小車的輕小化，齒輪參數(shù)為大齒輪108齒，小齒輪為18齒。傳動(dòng)比為齒輪傳動(dòng)比乘以定滑輪的傳動(dòng)比：n=（108/18）*（65/25）=15.6

4 轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)

目前的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)中，基本采用凸輪滑槽機(jī)構(gòu)或者空間連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)于凸輪滑槽機(jī)構(gòu)，考慮到加工精度的問題，所以不首先選用。在齒輪的帶動(dòng)下，通過空間四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小車走預(yù)定軌跡，通過調(diào)節(jié)搖桿和連桿的桿長(zhǎng)，來滿足規(guī)定的轉(zhuǎn)向要求，很好的使用標(biāo)準(zhǔn)件做到方便性以及經(jīng)濟(jì)性。轉(zhuǎn)向原理如圖2所示：

5 啟動(dòng)盤設(shè)計(jì)

在小車啟動(dòng)的一瞬間，由于摩擦力的作用，小車很難起步，因此在小車起步的瞬間加大繞線軸的半徑，使其小車獲得更大的力矩，如圖3所示：大的啟動(dòng)盤過渡到小的繞線輪上為溝槽過渡，使其線在大的啟動(dòng)盤上纏繞半圈便過渡到小的繞線軸上，以免啟動(dòng)后速度過快造成翻車，溝槽使其在大的啟動(dòng)盤與小的繞線軸之間能平穩(wěn)過渡，使其小車平穩(wěn)前進(jìn)。

6 底板設(shè)計(jì)

應(yīng)大賽要求，在第一次現(xiàn)場(chǎng)軌跡完成后要進(jìn)行拆裝工作，因此底座不僅要盡量降低重心，而且不適合采用底板加軸承座的形式。直接用數(shù)控銑削的方式將底座加工成一體的形式，此種設(shè)計(jì)不僅能將軸承直接嵌入底板提高軸的同軸度，減小裝配誤差，提高整體穩(wěn)定性，同時(shí)需要考慮小車的拆裝工作，采用一體化設(shè)計(jì)，減少零件的裝配個(gè)數(shù)，能極大的減少拆裝時(shí)間，以便留有更多的時(shí)間進(jìn)行小車軌跡的調(diào)試，為第二輪比賽留有足夠的調(diào)試時(shí)間。

7 微調(diào)裝置設(shè)計(jì)

為了在小車軌跡調(diào)試過程中盡可能精確的調(diào)節(jié)連桿長(zhǎng)度，將連桿的微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為螺紋差的方式，連桿的前端采用4mm的右旋螺紋，后面采用3mm的右旋螺紋，兩端旋合球鉸使其配合，在調(diào)節(jié)螺紋時(shí)，連桿的伸長(zhǎng)量或縮短量為4mm螺紋螺距與3mm螺紋螺距之差，使其調(diào)節(jié)精度足夠的大，便于穩(wěn)定軌跡的調(diào)試。

8 結(jié)束語

齒輪與變級(jí)定滑輪的配合使用很好的達(dá)到了小車降速的目的，同時(shí)很好的避免了多級(jí)齒輪傳動(dòng)帶來的底座占用空間大的問題；底座的一體化設(shè)計(jì)減少了裝配零件的個(gè)數(shù)，大大提高了裝配精度，同時(shí)便于拆卸；利用螺紋差的原理連接的微調(diào)裝置極大的提高了調(diào)節(jié)精度，很好的為小車的穩(wěn)定軌跡提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1]曹斌，張海波，朱華炳.基于槽輪機(jī)構(gòu)的8字軌跡無碳小車設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014.

[2]王斌，王衍，李潤蓮，趙小龍，崔景峰，楊富林.“無碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.

[3]劉金肖，何秋熟，楊延清，張遠(yuǎn)明.無碳小車創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2014.