8字形無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)

李云濤 程攀峰 劉旭鋒 任立新 劉華羿

摘?要：?針對(duì)2015年第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車”，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。設(shè)計(jì)一種小車，該小車特點(diǎn)是：為了小車的綜合運(yùn)行能力，將小車的重心盡量的降低，使小車運(yùn)行更加平穩(wěn)。在小車轉(zhuǎn)向部分增加指針，方便觀察轉(zhuǎn)角，準(zhǔn)確地對(duì)小車進(jìn)行調(diào)整。采用不完全齒輪實(shí)現(xiàn)間歇。利用滑塊頂絲使曲柄長(zhǎng)度連續(xù)可調(diào)，從而改變轉(zhuǎn)角。本設(shè)計(jì)在實(shí)際生活中也會(huì)用到，有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：8字形;不完全齒輪;單級(jí)齒輪驅(qū)動(dòng);擺動(dòng)導(dǎo)桿

1.總體分析

采用尼龍線連接重物和原動(dòng)軸，重物的下降會(huì)拉動(dòng)尼龍線然后帶動(dòng)原動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)重物落到車板上的時(shí)候會(huì)對(duì)車板產(chǎn)生撞擊，造成能量損失。①通過(guò)理論分析讓重物的能量盡可能的轉(zhuǎn)化小車的行進(jìn)的動(dòng)能。為了達(dá)到這一目的我們需要實(shí)現(xiàn)重物下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：由靜止開(kāi)始加速下落，然后開(kāi)始勻速下落，最后進(jìn)入減速階段，以接近速度為零的速度落到車板上。本作品采用錐形軸原動(dòng)軸，錐形軸可以很好的做到以上運(yùn)動(dòng)規(guī)律，達(dá)到減小能量損失的目的。②根據(jù)本大賽的要求，小車需要自動(dòng)控制其轉(zhuǎn)彎，為了實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)轉(zhuǎn)彎，首先后輪的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該傳給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)以一種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前輪的間歇行工作。③為了保證小車行駛的距離最遠(yuǎn)，必須將不必要的損失降到最小。可以設(shè)計(jì)出一種機(jī)構(gòu)讓小車在需要轉(zhuǎn)彎的地方是走弧線，在不需要轉(zhuǎn)彎的地方走直線。還可以在保證小車正常行駛的情況下將小車打孔，減輕小車的質(zhì)量。本作品利用重物的重力勢(shì)能做能量，通過(guò)單級(jí)齒輪驅(qū)動(dòng)后輪進(jìn)行前進(jìn);利用不完全齒輪實(shí)現(xiàn)間歇;利用擺動(dòng)導(dǎo)桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車的8字形運(yùn)動(dòng)。

2.運(yùn)動(dòng)軌跡分析

AB、CD階段間歇（細(xì)實(shí)線），AD、BC階段轉(zhuǎn)向（粗實(shí)線）。小車從D點(diǎn)起車，起車時(shí)小車間歇機(jī)構(gòu)處于間歇狀態(tài)，小車前輪以一定的擺角行駛，并保持這一狀態(tài)由D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)（細(xì)實(shí)線），到C點(diǎn)后開(kāi)始轉(zhuǎn)向，到B點(diǎn)轉(zhuǎn)向結(jié)束（粗實(shí)線），從B點(diǎn)到A點(diǎn)（細(xì)實(shí)線）小車間歇機(jī)構(gòu)再次進(jìn)入間歇狀態(tài)，小車前輪以一定擺角運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)結(jié)束，A點(diǎn)到D點(diǎn)（粗實(shí)線）小車前輪轉(zhuǎn)向，到D點(diǎn)后和開(kāi)始起車一樣，即到此完成一個(gè)8字周期。

圖1

3.小車的主要結(jié)構(gòu)

本作品主要由4部分構(gòu)成，包括原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向間歇機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中原動(dòng)機(jī)構(gòu)靠重錘的重力勢(shì)能工作，原動(dòng)軸帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng);傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用單級(jí)齒輪傳動(dòng);轉(zhuǎn)向間歇機(jī)構(gòu)由不完全齒輪和擺動(dòng)導(dǎo)桿構(gòu)成;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1?原動(dòng)機(jī)構(gòu)

小車啟動(dòng)的時(shí)候，由于阻力力矩大于驅(qū)動(dòng)力矩，小車很難啟動(dòng)，為了讓小車正常啟動(dòng)需要直徑大一點(diǎn)的軸，然后當(dāng)小車勻速行駛時(shí)阻力力矩等于驅(qū)動(dòng)力矩，這時(shí)原動(dòng)軸的直徑需要變細(xì)一點(diǎn)，最后小車處于減速階段，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩小于阻力力矩，但是由于慣性重物依然會(huì)運(yùn)動(dòng)，重物減速落到車板板上，這樣重物接觸車板碰撞產(chǎn)生的能量會(huì)很小。本作品設(shè)計(jì)出錐形軸作為原動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖2）。

圖2

3.2?傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為小車很重要的一部分，需要把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上，本作品為了讓小車行駛的更穩(wěn)定、更遠(yuǎn)，精確的計(jì)算出了小車的行進(jìn)軌跡。并且所用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的具有效率高、穩(wěn)定、節(jié)省能量等特點(diǎn)。本作品采用單級(jí)齒輪傳動(dòng)并和差速器結(jié)合實(shí)現(xiàn)了小車的高效傳動(dòng)，減少不必要的能量損耗。

3.3?轉(zhuǎn)向間歇機(jī)構(gòu)

3.3.1本作品采用非標(biāo)準(zhǔn)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，兩個(gè)齒輪相互垂直，將豎直方向上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平方向。

3.3.2本作品采用不完全齒輪實(shí)現(xiàn)小車前輪擺角的固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作可靠，從動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和靜止時(shí)間的比例可在較大。

3.3.3本作品采用的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小車周期性的間歇，并且急回很小，可以保證小車的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4?調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

對(duì)與經(jīng)過(guò)理論計(jì)算的機(jī)構(gòu)，加工出來(lái)，裝配上之后一定會(huì)有誤差產(chǎn)生，小車需要很高的精度，因此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是一輛優(yōu)秀的小車不可缺少的機(jī)構(gòu)，對(duì)小車產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正。這是采用微調(diào)機(jī)構(gòu)的原因之一，其二是為了調(diào)整小車的軌跡，使小車走一條最優(yōu)的軌跡。調(diào)節(jié)方法：

3.4.1通過(guò)滑塊調(diào)節(jié)擺桿到旋轉(zhuǎn)中心的距離，調(diào)節(jié)小車轉(zhuǎn)向角度的大小。

3.4.2指針，方便觀察調(diào)節(jié)范圍，提高調(diào)節(jié)精度。

4.結(jié)語(yǔ)

本作品更加注重實(shí)用，通過(guò)大量的理論計(jì)算，并且結(jié)合其它已經(jīng)取得成功的小車的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出本作品。根據(jù)需要本作品可以由8字向s型轉(zhuǎn)變：將垂直使用的非標(biāo)準(zhǔn)齒輪換為兩個(gè)相互垂直的摩擦輪，將不完全齒輪換為標(biāo)準(zhǔn)齒輪或去掉即可實(shí)現(xiàn)8字向s型的轉(zhuǎn)變。通過(guò)調(diào)整摩擦輪實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，再通過(guò)調(diào)整曲柄長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)小車的s型軌跡。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫恒，陳作模，葛文杰.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室（第八版）[M].高等教育出版社.

[2]趙長(zhǎng)發(fā).機(jī)械制造工藝學(xué)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社.