黃 利， 左義海， 張浩波， 李 勝， 白 意

（太原工業(yè)學(xué)院， 山西 太原 030008）

引言

第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽—合肥賽，命題為“重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車越障競(jìng)賽”，要求自主設(shè)計(jì)一種符合本命題要求的小車，經(jīng)賽場(chǎng)內(nèi)外分步制作完成，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)行考核。題目是在往屆工訓(xùn)競(jìng)賽無(wú)碳小車命題基礎(chǔ)上的修改，保留了重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的特點(diǎn)，增加了自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能，為此賽道也有所變化。

小車設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于小車如何實(shí)現(xiàn)上下坡，同時(shí)要求小車可以有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可以實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的賽道中避過(guò)隨機(jī)擺放的障礙，在障礙平路和上下坡隨時(shí)轉(zhuǎn)換。

小車通過(guò)1 kg的砝碼、高度為400mm的重力勢(shì)能提供前進(jìn)的所有動(dòng)力，要盡可能提高能量利用效率，讓小車可以走得更遠(yuǎn)，這樣才有機(jī)會(huì)得到更多的分?jǐn)?shù)。上坡時(shí)，需要有一部分的能量提供給小車上坡，小車上坡相對(duì)于平路上來(lái)說(shuō)需要耗費(fèi)更多的能量，又考慮到要使小車有較強(qiáng)的適應(yīng)性，所以需要設(shè)計(jì)出一種創(chuàng)新型的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。同時(shí)所有機(jī)構(gòu)都要考慮到能量利用效率問(wèn)題，這就需要巧妙的機(jī)構(gòu)和較高的加工精度。

1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析

1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總體介紹

如圖1所示，通過(guò)滾珠滑槽檢測(cè)坡道，行進(jìn)齒輪組、上坡齒輪組和離合器組合實(shí)現(xiàn)上坡時(shí)的換擋，小車的轉(zhuǎn)向則由舵機(jī)控制小車前輪實(shí)現(xiàn)。

圖1 小車整體簡(jiǎn)圖

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就是將砝碼的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力，從而將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車前進(jìn)的動(dòng)力。如下頁(yè)圖2所示，將魚(yú)線兩端分別連接在砝碼和主動(dòng)軸上，砝碼的重力勢(shì)能可以轉(zhuǎn)換為主動(dòng)軸的扭矩，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生小車前進(jìn)的動(dòng)力。主動(dòng)軸直徑的選擇影響著砝碼重力勢(shì)能的利用率，直徑越小，能量利用率越高。直徑的大小選擇與小車整體摩擦大小有關(guān)，選擇直徑過(guò)大會(huì)使小車行駛過(guò)快，應(yīng)當(dāng)選擇的直徑剛好可以使小車平穩(wěn)前行。

齒輪的傳動(dòng)效率高達(dá)98%[1]，所以在主動(dòng)軸與從動(dòng)軸間選擇齒輪傳動(dòng)，如下頁(yè)圖2所示。傳動(dòng)比選擇同樣影響能量的利用效率，傳動(dòng)比越大，能量利用率越高。傳動(dòng)比的選擇受小車能否平穩(wěn)的前進(jìn)和軸間距的影響。小車平穩(wěn)前進(jìn)使小車可以更加穩(wěn)定，好調(diào)試，出現(xiàn)的突變少；軸間距不宜過(guò)大，過(guò)大時(shí)會(huì)使軸承座太高，從而主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的同軸度會(huì)受到影響，小車的摩擦?xí)龃?。?qū)動(dòng)輪固定在從動(dòng)軸兩端，通過(guò)法蘭盤將其固定。在兩端法蘭盤內(nèi)裝有單向軸承，實(shí)現(xiàn)小車的差速。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 齒輪組的計(jì)算與設(shè)計(jì)

2.1.1 平路齒輪組的計(jì)算與設(shè)計(jì)

在平路齒輪組的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最主要的就是傳動(dòng)比的選擇。為了使在同等的重力勢(shì)能下小車行駛得遠(yuǎn)，我們應(yīng)該選擇相對(duì)較大的傳動(dòng)比。傳動(dòng)比小時(shí)能量利用率低，此時(shí)小車行駛速度快、穩(wěn)定性不夠；傳動(dòng)比很大時(shí)小車啟動(dòng)困難，行走不流暢。在設(shè)計(jì)中我們選擇了如表1所示的幾種傳動(dòng)比，分別測(cè)試了它們行駛中的最大距離和平均速度，然后經(jīng)過(guò)選擇，確定了選用的小車平路行駛傳動(dòng)比7.2∶1。

2.1.2 上坡齒輪組的計(jì)算與設(shè)計(jì)

表1 行進(jìn)齒輪組不同傳動(dòng)比的狀態(tài)

由于上坡的過(guò)程和平路行駛不一樣，如果繼續(xù)使用平路行駛傳動(dòng)比則造成無(wú)法上坡的結(jié)果，所以我們需要設(shè)計(jì)一組上坡齒輪組。根據(jù)能量守恒定律。即

式中：m1是重錘質(zhì)量，h是上坡的高度。m1、h為固定值，所以m2越小，小車上坡需要消耗的能量越小。小車質(zhì)量m2和重錘下降高度h1的關(guān)系如表2所示。

當(dāng)車身質(zhì)量達(dá)到2.5 kg時(shí)，上高度為40mm的坡長(zhǎng)為h的坡時(shí)需要1 J的能量，此時(shí)砝碼需下降100mm。上坡的長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)計(jì)算在573.4～1 146.2mm之間，通過(guò)勾股定理計(jì)算，坡高40mm，當(dāng)坡為2°時(shí)，上坡長(zhǎng)度為1 146.2mm，當(dāng)坡為4°時(shí)，上坡長(zhǎng)度為573.4mm。取坡為3°時(shí)計(jì)算，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪為Φ150mm，通過(guò)小齒輪帶動(dòng)大齒輪實(shí)現(xiàn)能量的大功率的輸出，經(jīng)過(guò)計(jì)算，理論值傳動(dòng)比為1∶3.6，此時(shí)小車剛好可以行駛到坡頂。但實(shí)際情況中，小車的質(zhì)量會(huì)在2.5 kg左右浮動(dòng)，小車傳動(dòng)時(shí)的摩擦也會(huì)存在一定的影響，所以實(shí)際值應(yīng)當(dāng)比理論值大。

表2 小車質(zhì)量和重錘下降高度關(guān)系

因?yàn)槠露葧?huì)存在一定的誤差，通過(guò)實(shí)踐可知：當(dāng)坡度為2°～3°時(shí)，上坡傳動(dòng)比為1∶4.6時(shí)，小車剛好可以穩(wěn)定上坡，到達(dá)坡頂；當(dāng)坡度為3°～4°時(shí)，上坡傳動(dòng)比為1∶4.8時(shí)，小車剛好可以穩(wěn)定上坡，到達(dá)坡頂。考慮到要適應(yīng)賽場(chǎng)上可能出現(xiàn)的變化，應(yīng)當(dāng)以坡度為3°～4°考慮。在后期不斷調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，小車在剛開(kāi)始上坡時(shí)，小車會(huì)以V0初速度、a的加速度做減速運(yùn)動(dòng)（小車沿坡面向下的加速度為a），如圖3所示。當(dāng)小車停止時(shí)，小車會(huì)出現(xiàn)兩種情況：第一種為小車前輪在坡上，后輪在平路上；第二種為小車的前輪和后輪都在坡上。無(wú)論出現(xiàn)哪種情況，在小車出現(xiàn)一定的傾斜角度時(shí)，小車停止，因?yàn)樾≤嚫鱾€(gè)連接的部位存在著一定的摩擦。最大靜摩擦力f0＞滑動(dòng)摩擦力f。所以需要的扭矩應(yīng)當(dāng)比勻速行進(jìn)時(shí)的扭矩大。此時(shí)，1∶4.8的傳動(dòng)比在第一種情況時(shí)，可以上坡；在第二種情況時(shí)扭矩小，無(wú)法啟動(dòng)?？紤]到要適應(yīng)賽場(chǎng)上的各種情況，應(yīng)將傳動(dòng)比再提高。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，當(dāng)傳動(dòng)比為1∶5.1時(shí)，小車可以在任意情況下啟動(dòng)，并且行進(jìn)到坡頂。

圖3 坡度示意圖

2.2 齒輪組轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

小車在平路行進(jìn)時(shí)，行進(jìn)齒輪組傳動(dòng)比以7.2∶1進(jìn)行傳動(dòng)；在上坡過(guò)程中，上坡齒輪組傳動(dòng)比以1∶5.1進(jìn)行傳動(dòng)。兩組齒輪若同時(shí)嚙合時(shí)，會(huì)存在齒輪傳動(dòng)上的干涉，導(dǎo)致齒輪組卡死，無(wú)法繼續(xù)傳動(dòng)。如下頁(yè)圖4所示，假設(shè)沒(méi)有齒輪傳動(dòng)干涉，可以注意到在平路行駛時(shí)，若行進(jìn)齒輪組驅(qū)動(dòng)，上坡齒輪組小齒輪相對(duì)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速快；在上坡時(shí)，若上坡齒輪組驅(qū)動(dòng)，行進(jìn)齒輪組大齒輪相對(duì)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速慢。在這里就可以用到單向軸承。

如圖4所示，在固定上坡小齒輪法蘭盤內(nèi)裝配單向軸承（單向軸承有正反之分）。在平路行駛時(shí)，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為v1，轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)行進(jìn)大齒輪，行進(jìn)齒輪組傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)輪上，小車向前行駛；同時(shí)，上坡大齒輪跟著從動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)上坡小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，上齒輪轉(zhuǎn)速為v2，此時(shí)，v1＜v2，單向軸承則可以使上坡小齒輪相對(duì)于主動(dòng)軸空轉(zhuǎn)。當(dāng)小車上坡時(shí)，以上坡齒輪組驅(qū)動(dòng)小車向前行駛，此時(shí)行進(jìn)齒輪組可通過(guò)離合器不進(jìn)行嚙合，由于上坡小齒輪通過(guò)單向軸承和主動(dòng)軸連接，此時(shí)，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速v1＞上坡小齒輪轉(zhuǎn)速v2，但在單向軸承作用下，主動(dòng)軸會(huì)帶動(dòng)上坡小齒輪實(shí)現(xiàn)同速，此時(shí)行進(jìn)齒輪組不嚙合，上坡大齒輪大功率輸出能量，小車可以穩(wěn)定上坡，到達(dá)坡頂。在行進(jìn)齒輪組和上坡齒輪組轉(zhuǎn)換時(shí)，采用離合器實(shí)現(xiàn)行進(jìn)齒輪組的嚙合與分離。

圖4 齒輪組轉(zhuǎn)換

如圖5所示，離合器用來(lái)固定行進(jìn)大齒輪的同時(shí)還控制著行進(jìn)齒輪組的嚙合。在平路行進(jìn)時(shí)，離合器控制行進(jìn)齒輪組一直屬于嚙合的狀態(tài)，由于上坡小齒輪固定用的單向軸承，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生干涉，只需要克服單向軸承的摩擦，小車就可以穩(wěn)定前行；在平路轉(zhuǎn)為上坡時(shí)，如圖5所示，離合器內(nèi)部也固定有單向軸承，用來(lái)實(shí)現(xiàn)離合器左右滑動(dòng)，在離合器槽口的位置用舵機(jī)連接的小軸承左右撥動(dòng)，實(shí)現(xiàn)齒輪組的分離和嚙合，當(dāng)齒輪分離時(shí)，小車可由上坡齒輪組提供前進(jìn)動(dòng)力，小車可穩(wěn)定上坡。在上坡結(jié)束后，離合器在舵機(jī)控制下時(shí)行進(jìn)齒輪組再次嚙合。（離合器的小法蘭軸承用來(lái)保證離合器所固定的大齒輪與主動(dòng)軸同心）

圖5 離合器

3 檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)于上坡的檢測(cè)傳感器

首先小車支撐底板要保證水平，在小車水平的位置放置滾珠滑槽，滑槽如圖6所示。滑槽通過(guò)檢測(cè)滾珠是否遮擋紅外對(duì)射的接收來(lái)控制離合器的左右撥動(dòng)，滾珠在滑槽內(nèi)滾動(dòng)，滑槽存在3°～4°的坡度，紅外對(duì)射探測(cè)器位于滑槽最高處。當(dāng)小車處于水平時(shí)，滾珠會(huì)一直處于滑槽坡度較低的一端，紅外對(duì)射始終可以接收到信號(hào)，離合器處于初始位置；當(dāng)小車到達(dá)上坡位置時(shí)，小車速度逐漸減為零，停止后滑槽相對(duì)于水平面向后傾斜，滾珠向后滑動(dòng)，此時(shí)，滾珠正好對(duì)紅外對(duì)射的接收產(chǎn)生阻礙，紅外對(duì)射探測(cè)器接收不到信號(hào)，程序處理后執(zhí)行離合器分離命令，行進(jìn)齒輪組分離。

圖6 滾珠滑槽

在小車開(kāi)始上坡時(shí)，計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始工作，計(jì)數(shù)模塊通過(guò)檢測(cè)碼盤來(lái)計(jì)算小車行進(jìn)的路程，其工作原理類似光電式編碼器。碼盤每過(guò)一個(gè)透光區(qū)與不透光區(qū)為一個(gè)完整周期，記一個(gè)數(shù)。每一個(gè)周期代表著碼盤轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，碼盤和從動(dòng)軸固定在一起，從動(dòng)軸帶動(dòng)行進(jìn)輪使小車前行，這就可以通過(guò)采集碼盤計(jì)數(shù)量計(jì)算行進(jìn)輪前進(jìn)量，如圖7所示。由賽題可知上坡路程為573.4～1 146.2mm，考慮到計(jì)數(shù)模塊的局限性，設(shè)計(jì)碼盤線數(shù)為20，當(dāng)采集數(shù)據(jù)為20～27個(gè)完整周期時(shí)，小車可以完成上坡，此時(shí)，程序執(zhí)行離合器往回?fù)艿拿睿羞M(jìn)齒輪組再次嚙合。行進(jìn)小齒輪的齒應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)砂輪機(jī)打磨光滑，減少齒輪組再次嚙合時(shí)出現(xiàn)卡齒的現(xiàn)象。

圖7 計(jì)數(shù)模塊

3.2 對(duì)離合器的控制

舵機(jī)通過(guò)舵盤控制小軸承的左右擺動(dòng)，從而控制離合器的左右滑動(dòng)。如第84頁(yè)圖8所示，在離合器的一端存在槽口，槽口內(nèi)有舵機(jī)控制的小軸承。為了減小摩擦，槽口兩端絕對(duì)豎直并且平行，槽口的寬度應(yīng)當(dāng)比小軸承略大0.3～0.6mm。在平路行駛時(shí)，小軸承使離合器限位在行進(jìn)齒輪組嚙合的狀態(tài)；在上坡時(shí)，舵機(jī)控制小軸承拉動(dòng)離合器，此時(shí)，行進(jìn)齒輪組分離。離合器控制的機(jī)構(gòu)裝配要求非常高，裝配需要每個(gè)部位恰到好處，若過(guò)于緊，摩擦大，小車無(wú)法行進(jìn)；若過(guò)于松，卡齒現(xiàn)象會(huì)非常頻繁。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)根據(jù)無(wú)碳小車電控組的新規(guī)則設(shè)計(jì)了一種上坡和平路齒輪組轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，避免了利用粗繞線軸直接沖坡造成的能量損失。巧妙利用光電傳感器識(shí)別上坡位置，再加上單向軸承的超越離合原理，使得兩套不同傳動(dòng)比的齒輪組可以完美銜接。采用該結(jié)構(gòu)，可避免依靠加粗繞線軸，以增大加速度，通過(guò)行駛3～4m的直線距離，將車速度提高沖到坡頂?shù)脑O(shè)計(jì)，無(wú)需通過(guò)加速度提高車速，即可以在任何時(shí)候?qū)崿F(xiàn)上坡，大大增強(qiáng)了小車的適應(yīng)性。本設(shè)計(jì)在第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力大賽中取得決賽二等獎(jiǎng)的優(yōu)秀名次。

圖8 離合器控制機(jī)構(gòu)