黃 翔,元二波,許童童,王康民,劉紅霞,張翔宇
(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300222)
基于工程訓(xùn)練自控小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
黃 翔,元二波,許童童,王康民,劉紅霞,張翔宇
(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300222)
第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的設(shè)計(jì)作品為無碳小車,在往屆的題目上加入了“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車越障競(jìng)賽”,保留了重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的特點(diǎn),增加了自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能(以下簡(jiǎn)稱為“自控小車”)。一般的自控小車行走距離30 m左右,避障10多個(gè)(比賽賽道1圈多一些),而使用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的控能機(jī)構(gòu)后,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最高值可以行走80 m左右,避障30多個(gè)(比賽賽道可以行走2.8圈)。簡(jiǎn)要探討自控小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新設(shè)計(jì),以期為日后的相關(guān)研究提供參考。
無碳小車;自控小車;控能裝置;單向軸承
此賽題是2017年全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽提出的,在往屆工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“無碳小車”命題基礎(chǔ)上修改的,保留了重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的特點(diǎn),增加了自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能,賽道也有所改變。賽道簡(jiǎn)圖如圖1所示。競(jìng)賽時(shí),統(tǒng)一用質(zhì)量為1 kg的重塊(Φ(50×65) mm,普通碳鋼)鉛垂下降,獲得動(dòng)力,落差為(400±2)mm,重塊下落是唯一的動(dòng)能來源,小車上安裝的電控裝置必須確保不能增加小車的行進(jìn)能量。比賽題目規(guī)定小車為三輪結(jié)構(gòu),其中一輪為轉(zhuǎn)向輪,另外二輪為行進(jìn)輪,允許二行進(jìn)輪中的一個(gè)輪為從動(dòng)輪,小車應(yīng)具有賽道障礙識(shí)別、軌跡判斷、自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能和制動(dòng)功能,這些功能可以由機(jī)械或電控裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn),不允許使用人工交互遙控。
圖1 賽道簡(jiǎn)圖
根據(jù)比賽規(guī)則,由賽道簡(jiǎn)圖可以分析出,小車在半圓弧賽道,行走方式與“8字”小車相似;在避障賽道,行走方式大體與“S”小車相似;再加上賽道有1/2的直線跑道,3 m左右的上下坡跑道。因此,在設(shè)計(jì)方案時(shí),應(yīng)充分考慮小車在各個(gè)賽道段的運(yùn)動(dòng)分析、受力分析和理論行走距離分析等。經(jīng)分析計(jì)算,要使小車平穩(wěn)運(yùn)行,小車至少應(yīng)具有五大關(guān)鍵組成部分,即傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、電控裝置、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和重物支撐部件,還應(yīng)具有某些附屬部件,具體如圖2所示。
機(jī)構(gòu)主要是將重物下落過程中產(chǎn)生的動(dòng)能通過機(jī)構(gòu)能量的轉(zhuǎn)換傳遞給車輪部分。經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換,能量必然有損失,所以,采用傳動(dòng)效率較高的一級(jí)齒輪(漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪)傳動(dòng)。競(jìng)賽文件[1]中指明要求2個(gè)行進(jìn)輪用1.5 mm厚度的鋼板或可用激光切割加工且不超過8 mm厚度的非金屬板制作。理論上行進(jìn)輪的大小會(huì)直接影響行走距離,行進(jìn)輪越大,理論行走距離越遠(yuǎn),但行進(jìn)輪太大有以下幾點(diǎn)壞處:①在激光切割時(shí),就容易發(fā)生變形;②輪子太大,勢(shì)必抬高軸承支座高度,使小車整體重心上移,影響小車的平穩(wěn)性;③輪子太大,小車速度緩慢,對(duì)自控小車的上坡不利;④輪子太大,會(huì)影響小車避障性能。
綜合考慮以上影響要素,應(yīng)合理選擇輪徑,選擇合理的雙聯(lián)輪(具有傳動(dòng)比的定滑輪)傳動(dòng)比,配合合理的繞線輪加大起步扭力,讓小車在短時(shí)間完成起步、加速的動(dòng)作,以便上坡。將小車的行進(jìn)輪設(shè)計(jì)為單輪驅(qū)動(dòng),作為差速結(jié)構(gòu),可以避免在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生打滑現(xiàn)象。
圖2 小車軸測(cè)圖
當(dāng)自控小車前進(jìn)時(shí),采用前輪導(dǎo)向,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車行走時(shí)最重要的一部分。在設(shè)計(jì)制作時(shí),應(yīng)考慮小車在碰撞后而不易損壞的問題。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要盡可能滿足減少摩擦阻力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏轉(zhuǎn)動(dòng)和與電子元器件配合無干涉(漏電)等條件。該車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足在賽道任意合理的變化下完成行走的要求。
表1 上坡消耗的能量(單位:mm)
經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn),自控小車在上坡時(shí)所耗費(fèi)的能量是最多的,具體數(shù)據(jù)值如表1所示,但上坡后,小車到達(dá)坡頂,小車馬上會(huì)進(jìn)入下坡。根據(jù)能量守恒定律,小車上坡消耗多少能量,如果不計(jì)摩擦消耗,小車下坡就能省多少能量,所以,在小車下坡時(shí),不提供能量,小車也會(huì)自己行走,而且能行走很長(zhǎng)的一段距離。通過上述設(shè)想,設(shè)計(jì)出控能裝置,控能裝置可以使砝碼在下坡時(shí)不繼續(xù)下落,不能提供能量,完全符合賽題要求??啬苎b置是由機(jī)械部分和電子元器件組成,主要零件由棘輪、舵機(jī)、單向軸承和陀螺儀等組成。圖3為控能裝置的示意圖。
調(diào)試過程是一個(gè)漫長(zhǎng)而又煩瑣的過程,是校驗(yàn)整個(gè)小車的設(shè)計(jì)和制作的過程。當(dāng)小車行走直線賽道時(shí),紅外傳感器采集兩邊電壓值,將信號(hào)反饋到單片機(jī)上,單片機(jī)向前輪舵機(jī)發(fā)出指令,使小車在賽道中間行走。小車上坡前,如果傳感器位置不合理,紅外傳感器會(huì)將坡道視為障礙,在坡前轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致小車側(cè)翻或上坡失敗。這時(shí),陀螺儀應(yīng)檢測(cè)到角度變化,鎖住棘輪,使繞線輪不動(dòng),小車會(huì)由慣性下坡,小車下坡后,小車的速度會(huì)非??欤瑏淼?80°圓弧賽道時(shí),因重物砝碼還在200多毫米的位置,而轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)提前平緩轉(zhuǎn)動(dòng),否則很容易造成側(cè)翻。來到避障賽道,障礙交錯(cuò)擺放,小車采集障礙物距離,做出判斷,棘輪在指定時(shí)間內(nèi)打開,小車?yán)^續(xù)行進(jìn)。自控小車上安裝控能機(jī)構(gòu),行走距離大幅度上升,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最高值可行走80 m左右,過30多個(gè)障礙(比賽賽道2.8圈)。
圖3 控能裝置示意圖
[1]全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽秘書處.第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽(合肥賽)命題說明及實(shí)施方案[S].2016-06-07.
[2]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)(Ⅰ)[M].第7版.北京:高等教育出版社,2009.
[3]郭剛.基于TRIZ理論的無碳小車創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2015(8):31-33.
[4]張杰,譚晨佼,朱建鑫.基于工程訓(xùn)練的無碳小車變距行走的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2016(2):26-28.
[5]張春林,曲繼芳,張美麟.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.
TH122
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.119
2095-6835(2018)02-0119-02
黃翔(1994—),男,浙江寧波人,本科生,主修專業(yè)為機(jī)械制造設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。元二波(1994—),男,山西晉城人,本科生,主修專業(yè)為機(jī)械工藝技術(shù)。許童童(1996—),女,河南焦作人,本科生,主修專業(yè)為機(jī)械工藝技術(shù)。
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