自動(dòng)繞障“無碳小車”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

王守達(dá)，閆建新，林昱隆，王　鴿，張　程

(太原科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，山西　太原　030021)

0　引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)也逐漸提升，環(huán)保問題越來越被人們所關(guān)注，從而“無碳”理念也逐漸成為眾多學(xué)者的研究課題。第五界全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽要求的“無碳小車”利用重塊下降時(shí)的重力勢(shì)能作為動(dòng)力來源，將重力勢(shì)能通過定滑輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)所需的動(dòng)能。為了提高小車的性能，需要合理設(shè)計(jì)小車機(jī)構(gòu)以及其中實(shí)現(xiàn)正確轉(zhuǎn)向并繞過障礙的機(jī)械裝置。另外，本小車依照現(xiàn)代工程師的標(biāo)準(zhǔn)，注重設(shè)計(jì)的巧妙、制作的精良、調(diào)試的可靠等，小車的結(jié)構(gòu)參數(shù)中應(yīng)用了諸多數(shù)學(xué)理論以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，最終設(shè)計(jì)制造出最為合理的車體結(jié)構(gòu)。

1　設(shè)計(jì)要求

“無碳小車”應(yīng)滿足以下要求：①用重塊的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，并且具有周期轉(zhuǎn)向功能；②重塊安裝在車體上，并隨小車一起運(yùn)動(dòng)；③小車在競(jìng)賽過程中可以自動(dòng)繞過賽道上等距離設(shè)置的障礙物。在競(jìng)賽中，小車自起點(diǎn)出發(fā)，自動(dòng)完成曲線行駛，整體穿過賽道中線放置的障礙物且不可撞到障礙物，重復(fù)此過程，直至小車重力勢(shì)能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后停止，最終根據(jù)繞過的障礙物的多少來評(píng)定成績(jī)。

因此，為使小車順利避開障礙物，根據(jù)小車功能的要求，按照現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將小車分為：車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)部分。對(duì)小車每個(gè)機(jī)構(gòu)采用擴(kuò)展性思維的方法制定出多種可行方案，并針對(duì)小車功能實(shí)現(xiàn)能力、加工裝配、加工成本等因素綜合考慮進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在小車結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)中，使用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法，通過MATLAB軟件建模，進(jìn)行能耗規(guī)律和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并使用SolidWorks軟件仿真分析，繪制小車裝配圖。

2　設(shè)計(jì)思路

2.1　原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車前行的動(dòng)力，需要合理設(shè)計(jì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)。分析多種方案，得出采用滑輪機(jī)構(gòu)這一方案效率和可操作性最好。同時(shí)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還應(yīng)該滿足以下要求：①動(dòng)力傳遞要均勻、適中，以免在轉(zhuǎn)彎過程中速度過大或重塊晃動(dòng)，使小車傾翻；②重塊的重力勢(shì)能盡可能地轉(zhuǎn)化為小車前行的動(dòng)能以提高能量轉(zhuǎn)化效率，因此，重塊下落到最低點(diǎn)時(shí)的速度要盡可能小，避免與底板發(fā)生撞擊，造成能量損失；③機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高。

2.2　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)性能。為使該小車可以沿設(shè)定的路線前進(jìn)，并可以達(dá)到最遠(yuǎn)距離，此傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、可靠。

2.3　行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)有兩種可采用的方案：雙輪同步驅(qū)動(dòng)和雙輪差速驅(qū)動(dòng)。采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)，在轉(zhuǎn)彎過程中一側(cè)的輪子會(huì)與地面發(fā)生滑移，而車輪滑動(dòng)摩擦?xí)葷L動(dòng)摩擦損失更多的能量，并且小車在前進(jìn)過程中方向需要時(shí)刻改變，無法確定其軌跡，故不能有效避免與障礙物相撞。

綜上，行走機(jī)構(gòu)采用雙輪差速驅(qū)動(dòng)，該方案可有效避免采用雙輪同步驅(qū)動(dòng)時(shí)的問題。為實(shí)現(xiàn)雙輪差速驅(qū)動(dòng)，可以采用單向軸承或差速器機(jī)構(gòu)。差速器可以滿足最小能耗原理，既能減少摩擦損耗，又可以實(shí)現(xiàn)小車預(yù)定的路線。而采用單向軸承來實(shí)現(xiàn)差速則是指：使其中一個(gè)速度較大的輪子作為從動(dòng)輪，而速度較慢的輪子作為主動(dòng)輪，這樣前進(jìn)過程中主從動(dòng)輪交替變換來實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡。但由于單向軸承存在間隙，在主動(dòng)輪與從動(dòng)輪交替變換過程中存在誤差，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偏離預(yù)定軌跡。通過實(shí)驗(yàn)分析，我們最后選擇一個(gè)輪作為主動(dòng)輪、另一個(gè)輪子作為從動(dòng)輪的方案，由于輪子與地面存在摩擦，從動(dòng)輪與主動(dòng)輪之間自然實(shí)現(xiàn)差速，該方法能量利用率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。

2.4　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照競(jìng)賽的要求，小車在行進(jìn)的過程中必須可以自動(dòng)地周期性地避開障礙物，否則將導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)的失敗。本文分析以下3種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：①采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；②采用平底凸輪機(jī)構(gòu)；③采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。由于第2種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的凸輪曲面需要光滑過渡，凸輪理論輪廓曲線的加工有難度，而且小車車輪兩側(cè)存在間隙，在主動(dòng)輪與從動(dòng)輪交替變換過程中其間隙大小不相等且為變量，采用凸輪曲面轉(zhuǎn)向并不容易實(shí)現(xiàn)，因此沒有采用此種機(jī)構(gòu)。第1和第3種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相對(duì)易于加工。綜合考慮，最終采取第1種曲柄滑塊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

3　“無碳小車”的部分參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照競(jìng)賽要求，沿直線方向每隔一定距離放置1個(gè)障礙物，障礙物間距在此距離之間隨機(jī)變化，“無碳小車”行走軌跡如圖1所示。

圖1　“無碳小車”行走軌跡

該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是依靠關(guān)節(jié)軸承連接的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的?；瑝K帶動(dòng)轉(zhuǎn)向桿往復(fù)擺動(dòng)，改變小車前輪的偏轉(zhuǎn)角度，使小車轉(zhuǎn)向，從而避開障礙物。根據(jù)其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)特性，小車行走軌跡方程為：

(1)

其中：x為小車前進(jìn)方向的位移，mm;y為小車偏離中心的位移，mm。

從設(shè)定行走軌跡圖(如圖1所示)可知：小車行走軌跡應(yīng)滿足三角函數(shù)曲線，預(yù)定曲線的幅值應(yīng)為半個(gè)車身的寬度。綜合考慮加工誤差以及設(shè)計(jì)原理誤差等因素，需要對(duì)曲線的幅值進(jìn)行修正：設(shè)計(jì)幅值B=1/2車身寬度+安全裕量。小車設(shè)計(jì)總寬度為220 mm，取安全裕量為40 mm，修正后的曲線幅值為B=150 mm，計(jì)算出小車在1個(gè)周期內(nèi)行走的距離為2 108 mm。

為實(shí)現(xiàn)周期性的轉(zhuǎn)向，小車采用正弦機(jī)構(gòu)式的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來避開中線上的障礙物。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示，機(jī)構(gòu)關(guān)系示意圖如圖2(b)所示，其中，S為小車轉(zhuǎn)向搖桿移動(dòng)的位移；α為轉(zhuǎn)向搖桿擺動(dòng)轉(zhuǎn)角；R為曲柄半徑。

小車的轉(zhuǎn)向角度受曲柄半徑R大小的影響。為使小車轉(zhuǎn)向更加順暢，避免發(fā)生傾翻，根據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)對(duì)曲柄半徑R進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)v為小車行走速度，設(shè)計(jì)速度取v=50 mm/s。小車在x、y軸方向上的分速度為：

vx=vcosα.

(2)

vy=vsinα.

(3)

由圖2可知：

(4)

S=Rsin(ωt).

(5)

圖2　“無碳小車”轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)關(guān)系示意圖

根據(jù)α、S的變化范圍，使用MATLAB軟件分析得出小車曲柄半徑R=25 mm時(shí)可滿足預(yù)定的行駛軌跡要求，一個(gè)周期內(nèi)所行駛的路程為2 108 mm。設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)比為4，后輪輪徑為225 mm。通過MATLAB繪制出小車在x軸和y軸方向上位移隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

圖3　小車的時(shí)間—位移曲線

由以上參數(shù)可知：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)正弦式周期性的轉(zhuǎn)向，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

“無碳小車”傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。由于小車重塊質(zhì)量一定，其所提供的重力勢(shì)能也是不變的，其轉(zhuǎn)化的動(dòng)能是一定的，因此采用合理的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是提高小車能量轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。在機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，齒輪的傳動(dòng)效率最高，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)的方式。小車能量流動(dòng)示意圖見圖5。在輕繩拉力的作用下帶動(dòng)原動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在摩擦力的作用下使小車向前行駛。另外，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過連桿往復(fù)移動(dòng)使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車達(dá)到正弦式周期性轉(zhuǎn)向目的。

綜上，重塊的重力勢(shì)能傳遞過程越簡(jiǎn)單，能量的損耗也就越小。在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過SolidWorks軟件進(jìn)行小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維仿真，通過軟件分析，并未發(fā)現(xiàn)干涉和死點(diǎn)等問題，判斷小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，可以實(shí)現(xiàn)小車的預(yù)定軌跡。小車整體三維模型如圖6所示。

圖4　“無碳小車”傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖5　“無碳小車”整體能量流動(dòng)示意圖

圖6　“無碳小車”的三維模型

4　小車的選材、平衡與調(diào)試

為減少能量損失，定滑輪采用輕質(zhì)的硬質(zhì)塑料，支撐架采用輕質(zhì)鋁合金，底盤采用輕質(zhì)且強(qiáng)度較好的硬鋁，主、從動(dòng)軸均采用合金鋼，牽引繩采用輕質(zhì)彈性小的高密度復(fù)合纖維，搖桿、曲柄、轉(zhuǎn)向軸和連桿等均采用輕質(zhì)且強(qiáng)度較好的鋁棒。小車行駛時(shí)的阻力大小受主動(dòng)輪與地面的摩擦力影響，使用適當(dāng)?shù)牟牧蠈④囕喤c地面的摩擦力降至最小，才能使小車的行駛距離達(dá)到最遠(yuǎn)，因此前向輪和后向輪的材料均選用硬鋁。

小車底盤支撐著整個(gè)結(jié)構(gòu)，是其他部件連接的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的底盤采用輕質(zhì)且強(qiáng)度較好的硬鋁，以便平穩(wěn)轉(zhuǎn)向；小車行走時(shí)需要左右轉(zhuǎn)向，應(yīng)避免重塊在下降過程中出現(xiàn)過大擺動(dòng)，因此應(yīng)盡量降低底盤的高度，從而保證各構(gòu)件具有良好的平衡性。

小車在理論上可以按照預(yù)定軌跡前進(jìn)，由于加工誤差和裝配誤差的存在，在實(shí)際運(yùn)行中還需要不斷地調(diào)試和修改才能使小車按預(yù)定軌跡前進(jìn)。小車的調(diào)試包括以下內(nèi)容：①小車平穩(wěn)前進(jìn)需要調(diào)節(jié)小車車速，車速過快容易打滑傾翻，車速過慢容易停車；②應(yīng)保證小車整體的靈敏度及協(xié)調(diào)性，在小車勻速行駛后，可根據(jù)小車軌跡，分別調(diào)整小車后輪輪距、前輪與滑塊的垂直度、曲柄位置來讓小車實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡。

5　結(jié)語(yǔ)

本小車通過平面曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來控制前輪周期性轉(zhuǎn)向，使前、后輪轉(zhuǎn)向具有更好的穩(wěn)定性，進(jìn)而達(dá)到避開障礙物的目的。本文根據(jù)最新機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，對(duì)小車關(guān)鍵的零部件進(jìn)行了具體的參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)小車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SolidWorks運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，表明小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在理論上是合理的。

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