基于不完全齒組合機(jī)構(gòu)“8字形”無碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

郝小峰,劉賈鉉,張振軍（西安石油大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院,西安　710300）

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基于不完全齒組合機(jī)構(gòu)“8字形”無碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

郝小峰,劉賈鉉,張振軍
（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710300）

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)賽的命題“無碳小車?yán)@8字組”的要求，經(jīng)過任務(wù)分析，初步選定幾種可行方案后，通過進(jìn)一步探討了提高小車運(yùn)行平穩(wěn)的方法與措施,影響小車運(yùn)行的平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)換向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)及周期性轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵性問題, 為了提高了小車的運(yùn)行精度, 最后選定了一種小車的結(jié)構(gòu)參數(shù)及總體方案。實(shí)踐表明，小車結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行軌跡符合“8字形”的要求，小車運(yùn)行平穩(wěn)，能量損失較少，設(shè)計(jì)方案正確，取得了不錯(cuò)的競(jìng)賽成績(jī)。

關(guān)鍵詞：無碳小車； 8 字行；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；不完全齒輪

0　引言

本文主要介紹的是利用自身重力驅(qū)動(dòng)的小車，也就是無碳小車，并且要求小車具有按照一定的軌跡轉(zhuǎn)向的功能。小車在一定面積的平整桌面上，繞相距400mm兩個(gè)障礙物沿8字型軌跡繞行，按照規(guī)定，小車要求可以成功繞開障礙物，同時(shí)繞的半徑不能過大以防掉下桌面。障礙物為一定直徑和一定長(zhǎng)度的2個(gè)圓棒，相距要求的距離放置在桌面的中線上，完成的8字型圈數(shù)越多成績(jī)?cè)礁?。在比賽中同時(shí)設(shè)置有小車挑戰(zhàn)賽，要求小車具有高度的可調(diào)整性。

1　任務(wù)分析

2015年第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽延續(xù)上一屆的設(shè)計(jì)要求，即重力原動(dòng)力自動(dòng)換向無碳小車，相比于往屆比賽，這一屆比賽同時(shí)增加了更多的靈活性，要求小車具有高度的可調(diào)整性。小車是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)以及調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，在比賽中每一個(gè)機(jī)構(gòu)都要高度協(xié)調(diào)一致，如果其中一個(gè)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題都會(huì)讓比賽失敗。其中最主要的部分必定是轉(zhuǎn)向方案的選擇和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的調(diào)整方案，不同的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)其轉(zhuǎn)向半徑以及軌跡都不相同。

2　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

小車的整體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件容易加工，傳動(dòng)方案合理，能量損失最小化，變向機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確。

（1）主動(dòng)輪分析。當(dāng)小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，后輪一定會(huì)產(chǎn)生差速，即兩個(gè)后輪轉(zhuǎn)速不一樣，若采用雙輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，其中一個(gè)車輪必定會(huì)與地面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，導(dǎo)致軌跡發(fā)生變化，不能按照設(shè)計(jì)的軌跡前進(jìn)。結(jié)合生活中常見的單邊摩托車，我們想到了單輪驅(qū)動(dòng)和將轉(zhuǎn)向輪置于與驅(qū)動(dòng)輪同側(cè)的結(jié)合方案。這樣可以有效的解決以上提到的問題，即小車的側(cè)滑和偏移。但是，單輪驅(qū)動(dòng)的唯一不足就是速度過快的時(shí)候容易失去平衡發(fā)生翻車現(xiàn)象。因此，將小車的重心置于靠近驅(qū)動(dòng)輪的那一側(cè)，可以有效解決這個(gè)問題，同時(shí)降低小車重錘的下落速度也很有必要；（2）驅(qū)動(dòng)輪軌跡的確定。根據(jù)單輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)原理，小車在運(yùn)動(dòng)中，小車的驅(qū)動(dòng)輪必定繞的是一個(gè)規(guī)則的左右對(duì)稱的圖形。因此，在研究小車?yán)@行軌跡的時(shí)候只需要研究小車的驅(qū)動(dòng)輪的軌跡即可。但是，在小車運(yùn)動(dòng)軌跡模擬中，我們發(fā)現(xiàn)如果將轉(zhuǎn)向輪置于小車的中線上，那么轉(zhuǎn)向會(huì)帶來極大的不便，如果假設(shè)左后輪就是驅(qū)動(dòng)輪，那么左轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪在旋轉(zhuǎn)半徑內(nèi)側(cè)，右轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪在旋轉(zhuǎn)半徑外側(cè)，所以軌跡與理論軌跡發(fā)生出入。所以我們?yōu)榱吮苊獬霈F(xiàn)理論計(jì)算的繁瑣，我們將小車的前輪置于與驅(qū)動(dòng)輪同側(cè)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)軌跡模擬，證明這要的方案是可行的；（3）間歇機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。無碳小車在物任何外界輔助的情況下可以按照8字型軌跡運(yùn)動(dòng)，其最主要的機(jī)構(gòu)就是間隙機(jī)構(gòu)。因此在選擇間隙機(jī)構(gòu)的時(shí)候我們仔細(xì)斟酌，機(jī)械結(jié)構(gòu)中常見的間隙機(jī)構(gòu)有：槽輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)等。經(jīng)過對(duì)比我們選擇了不常見的不完全齒輪機(jī)構(gòu)，主要原因就是，不完全齒輪機(jī)構(gòu)都有標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)標(biāo)，我們需要做的就是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇合適的齒輪，這樣為我們節(jié)省了很大一部分時(shí)間；（4）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因?yàn)?字的左右是對(duì)稱點(diǎn)，所以我們只要保證其中一半的軌跡是準(zhǔn)確的便能保證小車的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡是正確的?？紤]到小車的換向是周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以我們想到了利用不完全齒輪的停歇比來控制轉(zhuǎn)向輪的換向時(shí)間，再通過齒條框?qū)⑦\(yùn)動(dòng)傳遞到前輪，使前輪發(fā)生一定角度且左右對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)， 從而達(dá)到小車按預(yù)先設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)的目的；（5）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。齒輪有很高的傳動(dòng)效率，因此可以更高的提高小車能量的利用率。為了使重錘在下降過程中更大化的轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)力，我們選擇了傳動(dòng)比為1比5,模數(shù)均為0.5的齒輪副作為小車動(dòng)力的傳遞機(jī)構(gòu)。為了減輕小車的整車質(zhì)量，使小車走的更遠(yuǎn)，我們選擇工程塑料作為小車齒輪的材料。而考慮到小車的啟動(dòng)階段需要的動(dòng)力較大，為了增大力矩，我們將繞線筒設(shè)計(jì)為一個(gè)錐形，避免小車無法正常啟動(dòng)的問題。

3　整車的設(shè)計(jì)與組裝

小車最重要的部分就是底板了，為了加強(qiáng)小車的承載強(qiáng)度，減輕小車的重量，我們選擇5MM厚的鋁板作為車身架構(gòu)，然后用細(xì)線繞過頂部的定滑輪連接在小車的主軸上，再用齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到后輪上以驅(qū)動(dòng)小車前行。通過計(jì)算得出，小車的后輪越大時(shí)，受到的摩擦力越小，再結(jié)合小車轉(zhuǎn)向時(shí)的角度和轉(zhuǎn)向的半徑問題，最終計(jì)算得出主動(dòng)輪D=152mm。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過一對(duì)停歇比為 1:3 的不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)組合，使前輪達(dá)到周期往復(fù)換向的效果。

4　整車的模擬運(yùn)動(dòng)軌跡

經(jīng)過前期的計(jì)算，我們已基本確定了小車的各個(gè)參數(shù)。運(yùn)用SolidWorks將小車的各個(gè)零部件按照之前計(jì)算出的尺寸繪制出來，進(jìn)行裝配。再用插件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并將發(fā)現(xiàn)的一些問題進(jìn)行了修改。因?yàn)?字的左右兩邊是對(duì)稱的，所以我們只需要保證其中一半的軌跡是準(zhǔn)確的，便可保證整個(gè)8字的軌跡無誤。

5　結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的小車通過重錘下落拉動(dòng)主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，再用齒輪把動(dòng)力傳遞給后輪，使后輪成為驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)小車前行。前輪換向時(shí)的角度是通過計(jì)算兩個(gè)后輪的輪距與前后軸間距的比值得出，而換向的時(shí)間則是通過不完全齒輪的間歇比來控制的。通過不斷優(yōu)化和改進(jìn)，最終本次設(shè)計(jì)的小車具有，整車質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)向靈活，可調(diào)范圍大等特點(diǎn)。 最終，經(jīng)過不斷的調(diào)試和修整，小車可實(shí)際繞8字3圈。

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國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目201410705020

作者簡(jiǎn)介：郝小峰（1994-），男，陜西榆林人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造等。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.211