“無碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

王 斌,王 衍,李潤蓮,趙小龍,崔景峰,楊富林

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西大同037003)

本文創(chuàng)新性設(shè)計(jì)“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”,即“無碳小車”,見圖1。小車采用三輪結(jié)構(gòu) (1個轉(zhuǎn)向輪,2個驅(qū)動輪),將給定重力勢能5 J能量 (用?50×65 mm普通碳鋼的重塊,質(zhì)量為1 Kg,鉛垂下降,落差500 mm來獲得)轉(zhuǎn)換為動能驅(qū)動小車行走。小車需要載著一質(zhì)量塊(?60×20 mm的實(shí)心圓柱型鋼件)行駛,繞過直線布置的每隔1 m放置的1個障礙物的彈性障礙圓棒見圖2。并保證質(zhì)量塊和重塊隨車行走而不掉落,以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開障礙的多少來綜合評定成績。具體詳情見第二屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題。

圖1 無碳小車示意圖

1 任務(wù)分解

本命題體現(xiàn)了對“創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際操作能力和工程管理能力”四個方面的綜合性工程能力的要求,但其核心是作品的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。小車雖小卻也是個系統(tǒng)工程,必須綜合考慮各種因素。經(jīng)多次論證,確定小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換 (運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu))、車體的平衡、小車的驅(qū)動及小車的周期性轉(zhuǎn)向等問題。

2 設(shè)計(jì)思路及方案

因競賽組委會要求各參賽隊(duì)必須在各自所在的學(xué)校內(nèi)自主設(shè)計(jì)并制作出全部零件,所以“無碳小車”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一切都應(yīng)從本校的實(shí)際加工工藝能力出發(fā)。設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持原則:整車重心要低；結(jié)構(gòu)盡量簡單；傳動件數(shù)少；質(zhì)量??；足夠的剛度；振動??；操作、調(diào)整方便靈活。

圖2 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖

2.1 運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

小車給定的能量只有重塊下落的重力勢能,要驅(qū)動小車行駛遠(yuǎn),必須將重塊的直線運(yùn)動有效地變換為小車輪軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。選擇質(zhì)地彈性小、強(qiáng)度高且耐磨性好的細(xì)牽引繩一端先固定在滾筒軸 (驅(qū)動軸)上,然后再將牽引繩均勻緊密的纏繞在滾筒軸上,另一端繞過滑輪與重塊連接(即將圖4中滾筒7上的外露繩端通過圖6中滑輪4與重塊連接),這樣重塊下落的移動就可轉(zhuǎn)化為驅(qū)動軸的回轉(zhuǎn),完成重力勢能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動小車行走的動能,這是小車的外聯(lián)系傳動鏈,對傳動精度要求不高,只要能將重塊的勢能有效地轉(zhuǎn)化為動能即可,主要是繩子的纏繞方法要得當(dāng)、方向要正確。當(dāng)然可將牽引繩繞過動滑輪與定滑輪組成的滑輪組以使小車行走更遠(yuǎn),不過,由于使用滑輪組會使小車的啟動力矩減小,不便于小車的啟動,最終還是采用了繞過一個定滑輪的方案。

2.2 車體的平衡

底板作為最重要的支承件,是其他支承件連接的基礎(chǔ),其結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)巧妙、合理。由于所承載的負(fù)荷比較小,選用厚度為4 mm的鋁合金板料,為避免發(fā)生薄壁振動,減少能量損耗,薄壁面積應(yīng)小于400 mm×400 mm[1]。如圖1所示,小車的重塊在車上重物支撐桿上方開始下落,距離車底板上面約600 mm多。而小車為了節(jié)省能量及避障性好,車底板一般又不能選得面積太大,兩后輪距 (定為132 mm)不能太大,限制底板的寬度不能大,底板尺寸定為208 mm×100 mm,剛度好。整個小車就是一個立式的結(jié)構(gòu),小車運(yùn)行起來按避障要求左右轉(zhuǎn)向,牽引繩帶動重塊在重力的作用下將大幅擺動,導(dǎo)致小車傾覆不能行走。因此,將重物支撐桿設(shè)計(jì)成由三根中空管按等邊三角形布置,圍成一個中間恰好通過?50 mm的重塊,限制了重塊在小車運(yùn)行中的擺動,達(dá)到車體運(yùn)行中良好的平衡。另外,也可以通過降低小車底板距離地面的高度來降低整車的重心,達(dá)到良好的動態(tài)平衡,為此將小車底板折彎,滿足整車重心降低的需要,在滾筒軸上安裝大齒輪的

圖3 無碳小車底板

對應(yīng)部位將小車底板銑出長孔,使得大齒輪轉(zhuǎn)動不與底板干涉。整個車(包括重塊及負(fù)載重量塊)的重心最好應(yīng)居于小車三個輪構(gòu)成的三角形的形心上,保證小車的平穩(wěn)運(yùn)行，見圖3。

2.3 小車的驅(qū)動及小車的周期性轉(zhuǎn)向

2.3.1 小車的驅(qū)動

齒輪傳動效率可高達(dá)98%,因此可以很好的提高能量利用率。依據(jù)重塊下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為使小車前進(jìn)的動能能量損失最少的原則,選擇以齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動,驅(qū)使小車行駛,使小車行駛的更遠(yuǎn)?？紤]到啟動時(shí),需要的力矩大,而在小車行駛的過程中,運(yùn)動平穩(wěn)有慣性,需要的力矩小,因此在滾筒軸上設(shè)計(jì)一個錐形滾筒。

內(nèi)聯(lián)系傳動鏈容易保證傳動鏈與執(zhí)行件之間的嚴(yán)格傳動比,盡量縮短內(nèi)聯(lián)系傳動鏈,減少傳動件的個數(shù),縮小傳動誤差[1],盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)會有效地提高能量利用率。實(shí)現(xiàn)小車的周期性轉(zhuǎn)向,小車的內(nèi)傳動鏈必須準(zhǔn)確,否則會“失之毫厘謬以千里”,小車很快脫離預(yù)定的軌跡,退出比賽。必須將滾筒軸的動力輸出用嚴(yán)格的定傳動比輸出到后輪軸及前輪的轉(zhuǎn)向裝置上,實(shí)現(xiàn)后輪的行程與前輪的轉(zhuǎn)向相匹配,這也是選擇用齒輪副來完成滾筒軸到后輪軸的動力傳動的主要原因。另外還要注意齒輪的設(shè)計(jì)、加工精度要嚴(yán)格保證，各傳動軸及輪軸的材料,應(yīng)有較高的支承剛度,減少受載后的彎曲變形,在布置上也要考慮軸的兩支承跨距盡量要小,軸伸尺寸盡量短,齒輪盡量靠近支承處 (如滾筒軸的設(shè)計(jì)),來提高內(nèi)傳動鏈的運(yùn)動精度。

2.3.2 小車的周期性轉(zhuǎn)向

按照命題要求小車必須具有方向自控功能,繞過直線布置的每隔1米1個障礙物的要求。小車必須左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)再左轉(zhuǎn)地周期性轉(zhuǎn)向,在速度一定的前提下,必須要保證小車的運(yùn)動軌跡曲率是連續(xù)變化的,小車才能平穩(wěn)行駛,否則,曲率突然改變,小車容易晃動甚至傾覆。因此,曲柄勻速轉(zhuǎn)動,搖桿左右勻速擺動的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)應(yīng)該是最好的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)了,小車運(yùn)行軌跡接近正弦曲線,曲率變化連續(xù)。

從滾筒軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動到控制前輪轉(zhuǎn)向的搖桿的水平擺動,需要把豎直平面的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為水平面運(yùn)動,以實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。要實(shí)現(xiàn)把豎直平面的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為水平面運(yùn)動,可以采用錐齒輪傳動、凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪傳動、皮帶傳動等傳動機(jī)構(gòu),在考慮到安裝精度、傳動效率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及成本高低后,最后選用了變形的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的方案，見圖4。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的曲柄回轉(zhuǎn)中心 (即滾筒軸軸心)應(yīng)與搖桿的擺動平面等高,保證機(jī)構(gòu)無急回特性,曲柄作等速轉(zhuǎn)動,搖桿擺動時(shí)左右行程的平均速度相等,即使得前輪左右擺幅相同,按照指定軌跡行駛。

把鉛垂平面的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為水平面運(yùn)動是個三維空間的運(yùn)動轉(zhuǎn)換,通用的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)不能完成三維空間的運(yùn)動轉(zhuǎn)換,因此必須采用雙球型關(guān)節(jié)的連桿,使得水平與垂直方向的自由度都不受約束。但考慮到我校工程訓(xùn)練中心的加工能力有限,加工較高精度的球型關(guān)節(jié)解決不了,只好設(shè)計(jì)成四個圓柱關(guān)節(jié),安裝成水平和豎直形式(如圖4所示),代替雙球型關(guān)節(jié),最終實(shí)現(xiàn)了與滾筒軸連接的曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為搖桿的水平運(yùn)動,搖桿在水平面內(nèi)擺動,使得前輪左右擺幅相同,實(shí)現(xiàn)了小車前輪的轉(zhuǎn)向問題,且保證了傳動的準(zhǔn)確。通過控制連桿和曲柄長度,使得連桿推動搖桿水平直線移動距離僅為36 mm,減少了能量消耗。

圖4 無碳小車驅(qū)動及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖

另外,見圖6,在前輪軸上增加了1盤軸承,適當(dāng)保持兩盤軸承的距離,顯著增強(qiáng)了前輪軸的支承剛度,大大提高了前輪軸的運(yùn)動精度,使前輪轉(zhuǎn)向更準(zhǔn)確。

利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)控制小車自動轉(zhuǎn)向,原理是“單手握龍頭”。這樣小車結(jié)構(gòu)簡單、容易加工、能量利用率高，且便于前輪擺動角度的調(diào)節(jié)。

2.4 參數(shù)的確定

2.4.1 齒輪副參數(shù)的確定

根據(jù)圖2行走示意圖,采用正弦函數(shù):Y＝0．35 sinπx,周期T＝2 m的曲線擬合小車行駛路徑較為合理。求導(dǎo)得到在每個位置的轉(zhuǎn)角的正切大小:Y′＝0．35 πcosπx,實(shí)驗(yàn)?zāi)M,可以得到前輪的最大轉(zhuǎn)角為 36°。

此函數(shù)的路徑總長度不好求,因此可以將小車的1個周期路徑用細(xì)繩進(jìn)行擬合,得到1個周期的路徑長度2 433 mm,也就是滾筒軸回轉(zhuǎn)一周,擺桿要往復(fù)一次,后輪行駛 2 433 mm,即 π·i·d＝2 433 mm。確定滾筒軸到后輪軸的傳動比i與后輪直徑d的關(guān)系如表1所示。

表1 傳動比與后輪直徑的關(guān)系

經(jīng)分析比較,i＝5時(shí),d＝155 mm,滿足采用一級變速,傳動比較小,后輪直徑也比較適中,重心較低的要求。確定后輪直徑為155mm,前輪直徑36mm。

采用小模數(shù)齒輪,增加齒數(shù),增大齒輪嚙合重合度,可提高傳動精度,彌補(bǔ)齒輪制造精度差[2]。因此選擇齒輪模數(shù)為1,大齒輪Z1＝100,小齒輪Z2＝20,中心距為50 mm。

2.4.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定

圖5 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)前輪的左右均勻擺動,見圖5。必須滿足φ12＝180°的條件。 按最小傳動角設(shè)計(jì)行程速比系數(shù) k＝1(φ12＝180°)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)[3－5]。根據(jù)已知的φ12、ψ12及選定的最小傳動角γmin及β角,然后查表及結(jié)合下列公式計(jì)算各構(gòu)件相對長度。

其中:

a-曲柄長度;b-連桿長度;c-搖桿長度;d-機(jī)架長度;ψ12-搖桿C兩極限位置間的夾角;φ12-搖桿C由極限位置1到極限位置2時(shí)主動曲柄轉(zhuǎn)過的角度;γmin-最小傳動角;β-搖桿在遠(yuǎn)極限位置時(shí)曲柄與機(jī)架間的夾角。

初定各桿的長度為:

a＝18 mm;b＝119．5 mm;c＝58 mm;d＝132 mm(已知)。

考慮到可調(diào)性,設(shè)置微調(diào)結(jié)構(gòu),在搖桿處設(shè)置調(diào)長螺桿 (如圖6中序23),在連桿處使用了長度調(diào)節(jié)螺栓 (如圖4中序5,即圖6中序18),使得搖桿、連桿長度的調(diào)節(jié)變得方便、精確,保證了軌跡的準(zhǔn)確。

2.5 小車的總體方案

依據(jù)上述設(shè)計(jì),確定小車的總體設(shè)計(jì)方案。無碳小車的設(shè)計(jì)總圖見圖6。后經(jīng)過調(diào)試,不斷調(diào)整曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿及連桿的長度,小車獲得了理想的運(yùn)行軌跡。

3 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)的小車?yán)镁€牽引實(shí)現(xiàn)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動；利用齒輪副將運(yùn)動傳遞給后輪軸實(shí)現(xiàn)后輪驅(qū)動；并利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向。前輪轉(zhuǎn)向的角度與后輪的轉(zhuǎn)速相匹配,結(jié)構(gòu)簡單,傳動件少,質(zhì)量小,大大地降低了能量的損耗,小車行駛平穩(wěn)且更遠(yuǎn)。

圖6 無碳小車總圖

[1]李慶余,孟廣耀.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)(第二版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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