S型越障無碳小車設(shè)計(jì)

康小云

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

S型越障無碳小車設(shè)計(jì)

康小云

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

在設(shè)計(jì)階段初期，根據(jù)第四屆“全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”比賽規(guī)則，確定了無碳小車的設(shè)計(jì)要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)小車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件建立了小車的三維模型，并加工出了實(shí)體模型，為無碳小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

無碳小車；三維模型；實(shí)體模型

第四屆“全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”比賽命題的主題為“無碳小車越障競(jìng)賽”，要求設(shè)計(jì)的小車可以利用提供的能量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化并可以使小車按照一定的軌跡行駛，此過程中要小車可以自動(dòng)避開設(shè)置在跑道上的障礙物。本屆比賽與往屆比賽不同之處在于本次比賽增加了調(diào)距比賽環(huán)節(jié)，同時(shí)減少了給定的重力勢(shì)能，這就要求在以往的基礎(chǔ)上能夠更進(jìn)一步優(yōu)化小車，以達(dá)到用更少的能量行駛更遠(yuǎn)的要求。

1 小車設(shè)計(jì)要求

根據(jù)比賽規(guī)則，用給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的前進(jìn)動(dòng)能，這就要求參賽作品根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)化裝置。要求小車實(shí)現(xiàn)以下的功能：①給定的重力勢(shì)能為4焦耳（取g=10m/s2），比賽采用統(tǒng)一的重錘，質(zhì)量M=1kg，規(guī)格為Φ50×65mm普通碳鋼，能量由此重物鉛垂下落400±2mm獲得，落下后由小車承載并一起運(yùn)動(dòng)；②要求小車在行走的過程中能夠自動(dòng)避開跑道上預(yù)先設(shè)置好的一定距離的障礙物；③要求實(shí)現(xiàn)調(diào)距跑在比賽時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)抽簽方式確定決賽障礙物的距離，通過現(xiàn)場(chǎng)規(guī)定時(shí)間的調(diào)試，使小車適應(yīng)該障礙物距離的跑道；④要求小車采用三輪結(jié)構(gòu)，具體造型及布置形式等由參賽組自行設(shè)計(jì)，過程中除重力勢(shì)能以外不得有其他任何形式的能量為小車提供動(dòng)力。

2 小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用主要是將重錘下降的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為無碳越障小車前進(jìn)的動(dòng)能，在這一過程中，能量傳遞的效率取決于原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和精度。設(shè)計(jì)的原動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：①確保小車的驅(qū)動(dòng)力大小恰當(dāng)，車速平穩(wěn)，使小車在轉(zhuǎn)向時(shí)不會(huì)因重錘慣性或擺動(dòng)而失穩(wěn)，甚至傾翻；②地面影響輪子的摩擦系數(shù)，在不同的場(chǎng)地，小車需要的動(dòng)力不一樣，故應(yīng)考慮如何克服過大的摩擦力；③機(jī)構(gòu)要輕便可靠，低碳環(huán)保。運(yùn)動(dòng)過程分析如下：重錘下落——細(xì)線通過定滑輪帶動(dòng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)——繞線輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)——大齒輪與小齒輪嚙合，帶動(dòng)小齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)——齒輪軸帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)——曲柄推動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)——連桿推動(dòng)搖桿運(yùn)動(dòng)——搖桿與前插相連，前插與前輪相連，從而實(shí)現(xiàn)s型軌跡運(yùn)動(dòng)。

（2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳動(dòng)類型為：直齒輪傳動(dòng)，齒輪為硬齒面的漸開線齒輪，開始傳動(dòng)。保證傳動(dòng)鏈與執(zhí)行件之間的嚴(yán)格傳動(dòng)比，盡量縮短傳動(dòng)鏈，減少傳動(dòng)件的個(gè)數(shù)，縮短傳動(dòng)誤差，盡量減少能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)，有效提高能量的利用率。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是減速傳動(dòng)，前軸大齒輪與后軸小齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)1：5的傳動(dòng)比。為了小車的周期性轉(zhuǎn)向，必須將繞線軸的動(dòng)力按精確的傳動(dòng)比輸出到后軸和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使前進(jìn)與轉(zhuǎn)向嚴(yán)格協(xié)調(diào)。齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定，齒輪的傳動(dòng)效率最高可達(dá)98%，因此可以很好地提高能量利用率，且齒輪傳動(dòng)采用一級(jí)傳動(dòng)比，這樣能量損失小，便于安裝調(diào)試。

（3）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也同樣需要盡可能地減少摩擦耗能，同時(shí)還需要有特殊的運(yùn)動(dòng)特性，能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿等。曲柄連桿+搖桿運(yùn)動(dòng)副單位面積受的壓力較小，便于潤(rùn)滑，磨損較小，制造方便，且已獲得較高的精度，兩構(gòu)件之間的接觸是通過本身的幾何封閉來保持的，不需要像凸輪機(jī)構(gòu)一樣用彈簧力封閉來保持接觸。因此選擇曲柄連桿+搖桿作為小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案。

（4）微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。微調(diào)機(jī)構(gòu)屬于無碳越障小車的控制核心部分，因?yàn)榍B桿機(jī)構(gòu)對(duì)加工制作和裝配的誤差很敏感，所以必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)來對(duì)誤差進(jìn)行適量修正。采用微調(diào)機(jī)構(gòu)另一方面的原因就是為了調(diào)整小車的行走軌跡、幅值、周期和方向等，使無碳越障小車的行走的軌跡更加理想。微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)方式為：調(diào)整曲柄、連桿、搖桿的長(zhǎng)度，連桿采用螺旋千分尺來進(jìn)行微調(diào)使精度達(dá)到更高。

圖1 小車三維模型圖

3 結(jié)語

在設(shè)計(jì)階段初期，根據(jù)第四屆“全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”比賽規(guī)則，確定了小車的設(shè)計(jì)要求包括動(dòng)力的來源是鉛錘塊的重力勢(shì)能，小車要繞過一定距離的障礙物，必須采用三輪結(jié)構(gòu)。通過三維軟件的輔助設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)的修改，基本確定小車運(yùn)動(dòng)軌跡方程，最終確定小車的各結(jié)構(gòu)參數(shù)。運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件建立了小車的三維模型如圖1所示，并加工出了實(shí)體模型。

康小云（1991-），男，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及其理論。