黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心 哈爾濱 150022

1 設(shè)計(jì)背景

無(wú)碳小車是2010年以來(lái)全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽題，競(jìng)賽規(guī)則要求以4 J重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)無(wú)碳小車在給定的賽道上越障礙行駛，障礙樁間的距離可變，越障礙數(shù)越多和行駛距離越長(zhǎng)者獲勝。無(wú)碳小車的唯一動(dòng)力源是4 J重力勢(shì)能，要求無(wú)碳小車行駛方向控制方便、靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，便于制造、裝配、調(diào)試，并且成本要低。

2 工作原理

根據(jù)大賽組委會(huì)給出的外部邊界條件，比賽的障礙樁等間距或不等間距布置在一條直線上，無(wú)碳小車的行駛路徑一般是近似余弦函數(shù)［1］曲線 y=Acos（ωt+φ）。圖1所示為S形軌跡無(wú)碳小車行駛路線。參賽的無(wú)碳小車行駛性能要適應(yīng)賽道表面摩擦因數(shù)特性和障礙樁的布置間距，無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以適應(yīng)拆裝要求。

▲圖1 S形軌跡無(wú)碳小車行駛路線

無(wú)碳小車以4 J重力勢(shì)能克服摩擦力做功，摩擦力包括車輪與賽道間的摩擦阻力和無(wú)碳小車機(jī)構(gòu)的摩擦力，摩擦力對(duì)比賽結(jié)果有重要影響。車輪與賽道間的摩擦力與車輪材料、賽道表面特性及車體的質(zhì)量有關(guān)。車體質(zhì)量大，會(huì)增大車輪與賽道間的摩擦力，影響無(wú)碳小車前行距離。車體質(zhì)量輕，則會(huì)降低無(wú)碳小車行駛的穩(wěn)定性。無(wú)碳小車機(jī)構(gòu)的摩擦力還與無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)和制造精度有關(guān)。無(wú)碳小車的行駛路徑根據(jù)障礙樁的設(shè)置自動(dòng)控制［2］。

3 設(shè)計(jì)方案

實(shí)現(xiàn)S形軌跡無(wú)碳小車有多種方案，對(duì)各種方案進(jìn)行分析、比較、仿真和評(píng)價(jià)，從中選擇最優(yōu)或次優(yōu)的方案。

根據(jù)無(wú)碳小車的工作原理和外部邊界條件，無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)方案如下：無(wú)碳小車采用三輪結(jié)構(gòu)，后輪驅(qū)動(dòng)，前輪控制轉(zhuǎn)向；后輪的驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)自4 J重力勢(shì)能，通過繞線軸、齒輪驅(qū)動(dòng)后輪前進(jìn)；后輪可采用傳統(tǒng)的齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)，或采用一輪驅(qū)動(dòng)、一輪隨動(dòng)；通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制前輪轉(zhuǎn)向。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按無(wú)碳小車設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原則是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、便于裝配，根據(jù)大賽命題要求還要易于拆裝。在總體布局時(shí)，先進(jìn)行零件的三維設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行組裝，在組裝過程中，不斷對(duì)三維零件圖進(jìn)行修改，最后形成完整的三維裝配圖。根據(jù)形成的總體結(jié)構(gòu)裝配圖，再進(jìn)行零部件拆圖。無(wú)碳小車的主要結(jié)構(gòu)有動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行駛機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和底盤。

4.1 動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用定滑輪結(jié)構(gòu)，定滑輪安裝在底盤支架上。為減少能量損失，繞線繩采用高強(qiáng)度的尼龍線，繞線繩的一端連接砝碼，另一端連接繞線軸。繞線軸的直徑直接影響驅(qū)動(dòng)力矩的大小、無(wú)碳小車行駛的距離和運(yùn)行的速度。繞線軸在整個(gè)裝置中起到由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的橋接作用［3］，選擇繞線軸直徑的原則是驅(qū)動(dòng)力矩足以克服摩擦力矩，使無(wú)碳小車行駛且能遠(yuǎn)距離行駛。無(wú)碳小車起步時(shí)的啟動(dòng)力矩較大，在無(wú)碳小車啟動(dòng)后為使無(wú)碳小車勻速及遠(yuǎn)距離行駛，繞線軸為塔輪結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

▲圖2 繞線軸結(jié)構(gòu)

施加在繞線軸上的驅(qū)動(dòng)力矩 M0［4］為：

式中：m 為砝碼質(zhì)量，kg，m=l kg；d為繞線軸直徑，mm。

4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要功能是將運(yùn)動(dòng)從源動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變運(yùn)動(dòng)的方向、速度和力矩。常用的傳動(dòng)方式有機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)有齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)、摩擦輪傳動(dòng)、絲杠螺母副傳動(dòng)等。由于無(wú)碳小車的驅(qū)動(dòng)力較小，因此無(wú)碳小車采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)［5］。

以圖3所示傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，這一結(jié)構(gòu)為兩級(jí)增速齒輪傳動(dòng)。將齒輪Z1安裝在繞線軸上，齒輪Z2安裝在曲柄軸上，為第一級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比i1決定無(wú)碳小車行駛S形軌跡周期的數(shù)量，即無(wú)碳小車前行距離。齒輪Z3安裝在曲柄軸上，齒輪Z4安裝在車輪軸上，為第二級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比i2決定車輪行駛與傳動(dòng)比i1匹配的圈數(shù)。

以圖4所示傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，這一結(jié)構(gòu)為一級(jí)增速傳動(dòng)、一級(jí)減速傳動(dòng)。將齒輪Z1安裝在繞線軸上，齒輪Z2安裝在車輪軸上，為第一級(jí)增速傳動(dòng)，傳動(dòng)比i1決定車輪行駛的圈數(shù)，即無(wú)碳小車前行距離。齒輪Z3安裝在車輪軸上，齒輪Z4安裝在曲柄軸上，為第二級(jí)減速傳動(dòng)，傳動(dòng)比i2決定曲柄旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期軌跡與車輪行駛?cè)?shù)的匹配。

4.3 行駛機(jī)構(gòu)

無(wú)碳小車行駛采用三輪式，后輪為驅(qū)動(dòng)行駛機(jī)構(gòu)，前輪由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制。無(wú)碳小車行駛軌跡始終是曲線軌跡，兩后輪轉(zhuǎn)速是不相等的，即存在所謂轉(zhuǎn)速差。如果轉(zhuǎn)速差的問題不解決，小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，離轉(zhuǎn)彎中心遠(yuǎn)的車輪便會(huì)出現(xiàn)打滑。在汽車上常用差速器實(shí)現(xiàn)左右車輪的轉(zhuǎn)速差，在無(wú)碳小車上也可以采用差速器，但小型差速器制造難度大、成本高，外購(gòu)的小型差速器質(zhì)量又難以保證，所以無(wú)碳小車多采用一輪與車輪軸固定連接，另一輪與車輪軸空套連接的分離驅(qū)動(dòng)方式。與車輪軸固定連接的車輪轉(zhuǎn)速與車輪軸同步，與車輪軸空套連接的車輪轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)彎半徑大小自動(dòng)調(diào)節(jié)。后輪直徑越大，理論行程越長(zhǎng)，但車輪直徑過大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎性能變差，通過兩樁中間區(qū)域的難度增大［6］。后輪直徑的選擇應(yīng)考慮無(wú)碳小車行駛的距離和車輪的滾動(dòng)摩擦力矩。車輪與賽道間的摩擦力是一定的，車輪直徑大，車輪的滾動(dòng)摩擦力矩也大；車輪直徑小，車輪的滾動(dòng)摩擦力矩也小。一般車輪直徑選擇150～200 mm為宜。

▲圖3 兩級(jí)增速齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

▲圖4 一增一減齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

4.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

無(wú)碳小車轉(zhuǎn)向輪為前輪，無(wú)碳小車行駛一個(gè)S形周期曲線長(zhǎng)度，前輪往復(fù)擺動(dòng)一個(gè)恒定的角度。采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向，如圖5所示。曲柄安裝在曲柄軸上，連桿一端由關(guān)節(jié)軸承與曲柄連接，另一段由關(guān)節(jié)軸承與擺桿連接，兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承選用一個(gè)左旋、一個(gè)右旋的螺紋，以適應(yīng)同步微調(diào)［7］。擺桿帶動(dòng)前輪叉架擺動(dòng)。曲柄旋轉(zhuǎn)一圈，前輪擺動(dòng)一個(gè)S形周期。

調(diào)整曲柄、擺桿和連桿長(zhǎng)度，使無(wú)碳小車行駛直線距離近似為2 m。

4.5 底盤

底盤上安裝有無(wú)碳小車的軸承座、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和車輪，各軸通過軸承和軸承座固定在底盤上。底盤尺寸從無(wú)碳小車轉(zhuǎn)向的靈活性考慮［8］，寧小勿大；從無(wú)碳小車穩(wěn)定性考慮，不宜過小。為提高無(wú)碳小車的穩(wěn)定性，無(wú)碳小車的質(zhì)心應(yīng)盡可能低，材料選用鋁合金，厚度5～6 mm為宜。其它無(wú)精度要求的零件可采用三維打?。?］技術(shù)制造，以降低成本。

▲圖5 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

4.6 參數(shù)優(yōu)化

以圖4所示齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

（1）根據(jù)障礙樁距，考慮無(wú)碳小車側(cè)滑和加工精度等因素，初設(shè)無(wú)碳小車擺幅為A，計(jì)算行駛一個(gè)S形路徑的理論長(zhǎng)度l，即行駛一個(gè)S形路徑時(shí)車輪的路程，如圖6所示。當(dāng)A值較大時(shí)，無(wú)碳小車運(yùn)行安全，不易與障礙樁發(fā)生刮碰，但浪費(fèi)路程；當(dāng)A值較小時(shí)，無(wú)碳小車節(jié)省行駛路程，但不安全，易與障礙樁發(fā)生刮碰。綜合后取A=150 mm，則l=2 200 mm。

圖6 行駛路程示意圖

（2）通過預(yù)設(shè)越障樁數(shù)及繞線軸直徑確定傳動(dòng)比i1和i2。若預(yù)設(shè)越40個(gè)障礙樁，行駛20個(gè)S形路徑，則曲柄軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)NⅢ=20。取繞線軸直徑d=8 mm，則繞線軸可旋轉(zhuǎn)圈數(shù) NⅠ=l1/（πd）=15.915 4，其中 l1為繞線繩長(zhǎng)度，即砝碼下降高度，l1=400 mm。由公式i1/i2=NⅢ/NI，取 i1=5，則 i2=i1NI/NⅢ=3.978 9。 車輪軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)NⅡ=i1NI=79.577。

（3）根據(jù) l和 i2確定車輪直徑 D。根據(jù)公式 l=πDi2，得 D=l/（πi2）=176 mm。

（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷修改各預(yù)設(shè)參數(shù)，直到取得滿意結(jié)果為止。

5 運(yùn)行調(diào)試

無(wú)碳小車裝配后在賽道上試運(yùn)行，調(diào)整擺桿、曲柄和連桿長(zhǎng)度，使無(wú)碳小車行駛路徑符合設(shè)計(jì)要求［10］，并做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)對(duì)無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)試。

主要調(diào)試工作如下。

（1）運(yùn)行軌跡調(diào)試。首次裝配的無(wú)碳小車不一定能走出S形軌跡，這是轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的問題。需要對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，主要調(diào)整擺桿、曲柄和連桿長(zhǎng)度，使轉(zhuǎn)向輪左右擺角一致，使無(wú)碳小車行駛出所設(shè)計(jì)的S形軌跡。

（2）發(fā)車起始位置調(diào)整。無(wú)碳小車的S形軌跡調(diào)試好后，選擇好無(wú)碳小車出發(fā)位置及出發(fā)角度，就能使無(wú)碳小車按比賽要求行駛了。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上分析，優(yōu)化選擇繞線軸直徑d，傳動(dòng)比i1、i2和車輪直徑D，使無(wú)碳小車充分利用4 J重力勢(shì)能，在賽道上通過障礙數(shù)越多、行駛距離越長(zhǎng)是一個(gè)較復(fù)雜的問題。按筆者方法設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車，連續(xù)通過38個(gè)障礙樁，獲得了第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽一等獎(jiǎng)的好成績(jī)。