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      無碳小車設(shè)計(jì)及誤差補(bǔ)償?shù)奶接?/h1>
      2014-12-23 07:14:32趙鵬飛孫庭偉賈雨超常昊天
      科技視界 2014年14期
      關(guān)鍵詞:主動(dòng)輪齒條前輪

      趙鵬飛 孫庭偉 賈雨超 常昊天

      (1.天津大學(xué) 實(shí)踐教學(xué)中心,中國(guó) 天津300072;2.天津大學(xué),中國(guó) 天津300072)

      設(shè)計(jì)一種三輪小車,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)換來的。 給定重力勢(shì)能為4 焦耳(取g=10m/s2),落差400±2mm。 小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)(長(zhǎng)1525mm、寬1370mm)上,繞相距一定距離的兩個(gè)障礙沿8 字形軌跡繞行,以小車完成8 字繞行圈數(shù)的多少來綜合評(píng)定成績(jī)。(詳細(xì)規(guī)則和圖片見《第三屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽比賽規(guī)則》)

      1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      圖1 小車路徑示意圖

      小車的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1 所示, 圖中圓弧ABC 和圓弧DEF 為以兩個(gè)樁點(diǎn)為圓心的圓弧,弧FOA 和COD 為兩段優(yōu)弧的過渡弧段。 由路徑可知,圓弧ABC 和圓弧DEF 路徑的車輪擺角不變,而弧FOA 和弧COD 路徑的車輪擺角為變化的,故可選擇凸輪結(jié)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。 在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中,因齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)、瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定等優(yōu)點(diǎn),故選擇齒輪傳動(dòng)作為減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

      根據(jù)題目,凸輪旋轉(zhuǎn)一周小車行走一個(gè)八字路線,所以凸輪和主動(dòng)輪的減速比的計(jì)算公式為:

      其中:D 為主動(dòng)輪直徑,D0為主動(dòng)輪路線的圓的直徑,公式左邊為凸輪轉(zhuǎn)過一周后主動(dòng)輪走過的路程, 公式右邊為小車路線的總長(zhǎng)度。由此式根據(jù)比賽要求的樁距可以大致算出凸輪和主動(dòng)輪之間的傳動(dòng)比。

      重錘減速比的計(jì)算:根據(jù)三個(gè)輪子的材質(zhì)由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查出三個(gè)輪子的滾動(dòng)摩擦系數(shù),由摩擦系數(shù)算出小車的的最大靜摩擦的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,再由重錘的重力轉(zhuǎn)化為合適的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,由此可以計(jì)算出重錘的大致減速比, 因?yàn)樾≤嚨淖枇夭粌H受到地面的阻力的作用,傳動(dòng)的阻力,各個(gè)傳動(dòng)之間的摩擦力和裝配的精度也對(duì)小車的精度影響很大,所以這里的重錘減速比的計(jì)算只是一個(gè)大概值的估算,另外小車還應(yīng)該設(shè)置為調(diào)整車速而設(shè)計(jì)的裝置比如繞線軸的階梯形設(shè)計(jì)等。

      前輪擺角的計(jì)算:tanα=2L/D0; 其中α 為前輪的擺角,L 為前后輪之間的距離,D0為主動(dòng)輪軌跡的直徑。 小車車輪采用的是一個(gè)主動(dòng)輪一個(gè)從動(dòng)輪的設(shè)計(jì),所以小車在走八字路線的時(shí)候兩側(cè)的線路不太一樣,而只有前輪與主動(dòng)輪保持在一條直線上時(shí)才能最大限度的保證凸輪曲線的準(zhǔn)確性。 而作為小車的三輪機(jī)構(gòu),前輪偏向主動(dòng)輪一側(cè)必然會(huì)導(dǎo)致小車運(yùn)行的不穩(wěn)定,重心必然要向主動(dòng)輪一側(cè)傾斜,為了盡量避免這個(gè)問題影響小車的運(yùn)行,我們采用了小車主動(dòng)輪在前,轉(zhuǎn)向輪在后的措施,這樣既可以避免小車側(cè)翻,還能提高小車運(yùn)行的平穩(wěn)性。

      2 誤差補(bǔ)償措施

      2.1 誤差來源

      我們認(rèn)為此無碳小車小車的誤差來源主要來自以下三個(gè)方面。

      2.1.1 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)誤差

      這里主要是指三輪小車在設(shè)計(jì)的過程中為了滿足小車的使用要求而導(dǎo)致小車自身的誤差,如小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)凸輪的選用,凸輪的選用本身就有系統(tǒng)誤差的存在,在理論情況下,凸輪的曲線使用matlab 軟件模擬出來時(shí)小車的曲線就不可能是完全閉合的,只能通過優(yōu)化凸輪曲線使小車的曲線近似于無限閉合狀態(tài);另外齒輪傳動(dòng)的選用,齒輪齒條作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的選擇也會(huì)因?yàn)辇X間間隙的存在而導(dǎo)致傳動(dòng)的不穩(wěn)定。

      理想狀態(tài)下主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖(行駛?cè)?shù)N=40)

      圖2

      從圖2 中可以看出,最理想的狀態(tài)下只能保證小車在指定的圈數(shù)范圍內(nèi)可以保證不會(huì)積累過大的偏差,但是仍然難以避免軌跡會(huì)有一定的偏移。 使用Matlab 軟件對(duì)小車軌跡的仿真主要就是為了優(yōu)化軌跡,使其如保證主動(dòng)輪大圈重合度要求要高于小圈等。

      2.1.2 零件的加工誤差

      在設(shè)計(jì)自身的系統(tǒng)誤差存在的條件下,零件的加工誤差也是誤差來源的一個(gè)重要方面,如凸輪盤的曲線,如果銑出來的曲線和理論值不一樣的話,將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)小車出現(xiàn)較大的誤差,左右兩個(gè)軸承座的孔的位置如果出現(xiàn)誤差的話就會(huì)導(dǎo)致軸的同軸度很差,也必然會(huì)導(dǎo)致小車的傳動(dòng)出現(xiàn)誤差。

      如圖3、4 所示,為主動(dòng)輪尺寸誤差引起的軌跡對(duì)比圖。 同樣設(shè)小車行駛40 圈。

      圖3 (D=96.8mm)

      圖4 (D=97.2mm)

      如圖所示,紅色圖線顯示由于主動(dòng)輪直徑加工公差對(duì)小車軌跡的影響結(jié)果,藍(lán)色圖線則仍為理想狀態(tài)下的40 圈小車軌跡。如圖可見無論主動(dòng)輪直徑略微偏大還是略微偏小,都會(huì)對(duì)小車的軌跡產(chǎn)生很大的側(cè)向偏移積累??梢钥闯?,即使誤差僅有0.2mm,小車的軌跡積累誤差都是相當(dāng)大的,而且這個(gè)結(jié)論還是不考慮其他零件的誤差對(duì)小車的影響下得出的,可以想象各個(gè)零件的加工誤差綜合起來對(duì)小車軌跡的影響是十分復(fù)雜的。

      2.1.3 裝配精度誤差

      裝配精度誤差是一種必然誤差,軸承的安裝,軸承座的緊固等都會(huì)導(dǎo)致裝配后小車的主動(dòng)輪軸與前輪、凸輪軸與從動(dòng)件齒條等相對(duì)位置的誤差。 (圖5、6 為小車齒輪節(jié)圓半徑變化對(duì)小車軌跡的影響變化圖)

      圖5 r=19.9mm

      圖6 r=20.1mm

      從圖5、6 對(duì)比可以看出,由于前輪(轉(zhuǎn)向輪)齒輪與凸輪從動(dòng)件(齒條)之間安裝的相對(duì)距離誤差,也會(huì)對(duì)小車軌跡產(chǎn)生影響。 由于前輪擺角alpha=s/r(r 為齒輪節(jié)圓半徑),可知r 的改變其實(shí)是使前輪擺角產(chǎn)生了變化,從而使小車完成一個(gè)8 字時(shí)產(chǎn)生了角度位置與前一個(gè)周期不同的結(jié)果。也就是說,小車由于前輪擺角的變化,使每個(gè)周期向順時(shí)針(或向逆時(shí)針)多轉(zhuǎn)向了一定角度,結(jié)果造成每一個(gè)八字的兩圓心連線會(huì)隨著圈數(shù)增多而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

      2.2 補(bǔ)償措施

      作為對(duì)精度要求比較高的無碳小車,首先要從設(shè)計(jì)上防止零件加工后出現(xiàn)較大的誤差的可能性,如增加車體關(guān)鍵零件的剛度。 其次應(yīng)避免由于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成裝配的誤差積累, 比如在零件上多加一些銷,鍵等保證定位的零件,多做一些較精確的定位基準(zhǔn)面等措施,零件加工時(shí)盡量一次成型,不進(jìn)行二次加工,減少因多個(gè)基準(zhǔn)而造成誤差。

      盡管如此,如何補(bǔ)償不能避免的誤差仍然是關(guān)鍵問題。 其中最重要的措施就是微調(diào)機(jī)構(gòu)的使用,也就是在便于使用調(diào)整裝配法的零部件之間加入微調(diào)機(jī)構(gòu),從而能夠補(bǔ)償上述誤差的影響。此小車采用的調(diào)整機(jī)構(gòu)最主要的是加在前輪轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)上的微調(diào)機(jī)構(gòu), 該微調(diào)裝置只是前后的直線微調(diào),操作簡(jiǎn)便,也更加實(shí)用有效。 其原理是通過調(diào)節(jié)小車齒條與凸輪盤的距離,齒條與小車前輪轉(zhuǎn)向的齒輪相連,改變齒條的位置就間接的改變了小車左右擺角的分配, 從而達(dá)到調(diào)節(jié)小車軌跡的目的。

      3 總結(jié)

      本文對(duì)無碳小車的設(shè)計(jì),是通過多次的理論計(jì)算與實(shí)際相結(jié)合而得到的結(jié)論,理論設(shè)計(jì)結(jié)合了機(jī)械設(shè)計(jì),裝備設(shè)計(jì),理論力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí), 具體的小車的題目由CAD,solidworks,matlab,solidcam 等多個(gè)軟件相結(jié)合的產(chǎn)物,實(shí)際的作品經(jīng)由天津市,全國(guó)比賽的考驗(yàn),既有理論知識(shí)保證小車的整體框架,軌跡路線;又有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)保證小車的必然誤差,偶然誤差,糾正實(shí)際與理論值的誤差。結(jié)構(gòu)新穎,制作精細(xì),計(jì)算準(zhǔn)確,誤差小精度高,可操作性好,具有很高的參考價(jià)值。

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