“S”型無碳小車的設(shè)計(jì)

徐軍委 安春橋 何璇 謝鑫

摘 要：第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽要求自主設(shè)計(jì)并制造一種并具有方向控制功能的自行小車，并能實(shí)現(xiàn)避障功能。本文針對(duì)這一要求，設(shè)計(jì)了一種以曲柄雙滑槽機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能的無碳小車。本文主要從能量轉(zhuǎn)換、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)三部分對(duì)該小車進(jìn)行介紹，并給出了無碳小車傳動(dòng)比、尺寸等參數(shù)。

關(guān)鍵詞：無碳小車;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);曲柄雙滑槽機(jī)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.018

0 引言

根據(jù)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的要求，參賽選手要自主設(shè)計(jì)一種具有方向控制功能的自行小車，要求其行走過程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來源的能量。本文則根據(jù)大賽要求設(shè)計(jì)一種帶有曲柄雙滑槽機(jī)構(gòu)的S型無碳小車，相比帶有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的小車，參數(shù)計(jì)算更加簡單。

1 小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，小車結(jié)構(gòu)為三輪結(jié)構(gòu)，前輪為轉(zhuǎn)向輪，為減少行進(jìn)阻力，后輪采用一輪驅(qū)動(dòng)，一輪隨動(dòng)的形式。設(shè)計(jì)的小車要能夠在圖2所示指定賽道上按照類似路線繞障行駛，障礙物的間距為。

1.1 能量轉(zhuǎn)換部分

為了使重錘的重力勢能能有效地轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能，采用定滑輪結(jié)構(gòu)。使用細(xì)繩，使細(xì)繩一端固定在重錘上，另一端纏繞在繞線軸上，重錘下落帶動(dòng)繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)。由于小車行駛前的靜摩擦大于行駛中的動(dòng)摩擦，需要給予小車一個(gè)較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而穩(wěn)定行駛過程則需要較小的轉(zhuǎn)矩，故啟動(dòng)時(shí)細(xì)線所繞直徑取20mm，穩(wěn)定行駛時(shí)細(xì)線所繞直徑取8mm，繞線軸三維模型圖如下圖3所示：

1.2 傳動(dòng)部分

小車通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)后輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車前行。齒輪傳動(dòng)比需選擇合適，傳動(dòng)比過大則小車難啟動(dòng)，過小將導(dǎo)致小車行進(jìn)速度過快，不穩(wěn)定且傳動(dòng)效率低。經(jīng)初步計(jì)算，選取傳動(dòng)比為，齒輪模數(shù)為，大齒輪齒數(shù)，小齒輪齒數(shù)。

設(shè)定小車的運(yùn)行軌跡方程為，根據(jù)光滑曲線定積分公式：

式中，得到一個(gè)周期內(nèi)小車行駛距離為，一個(gè)周期內(nèi)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為圈，故后輪直徑，取后輪直徑為。偏差部分利用后面轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)齒輪來彌補(bǔ)。

1.3 轉(zhuǎn)向部分

為減少計(jì)算量，轉(zhuǎn)向部分利用曲柄雙滑槽機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向部分包括調(diào)節(jié)齒輪、偏心槽、豎滑槽、導(dǎo)向軸、關(guān)節(jié)軸承、直線軸承、固定夾塊和轉(zhuǎn)向軸等。偏心槽的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)豎滑槽和導(dǎo)向軸的平移，它們的平移運(yùn)動(dòng)又通過關(guān)節(jié)軸承帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸的偏轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖4即為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的三維模型示意圖。

其中調(diào)節(jié)齒輪的作用是保證小車行進(jìn)一個(gè)周期的同時(shí)前輪剛好左右擺動(dòng)一個(gè)周期。根據(jù)所取后輪直徑，小車行進(jìn)一個(gè)周期長度時(shí)，后輪軸上的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)5圈，繞線軸上的大齒輪和下調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)0.9圈。又上調(diào)節(jié)齒輪需轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，故上、下調(diào)節(jié)齒輪的傳動(dòng)比為1：1.11，利用UG建立三維裝配模型，最終確定上、下調(diào)節(jié)齒輪的模數(shù)，齒數(shù)分別為，。

該機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)偏心槽中連桿的偏心量來改變小車行駛幅度，導(dǎo)向軸兩端分別為左旋螺栓和右旋關(guān)節(jié)軸承，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)向軸部分來保證小車行進(jìn)路線的軸線為直線。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是便于拆裝和調(diào)試，可調(diào)性好，裝配精度高。

1.4 其余結(jié)構(gòu)參數(shù)

用UG對(duì)小車進(jìn)行建模和虛擬裝配，確定小車底板尺寸為，底板距地面距離為，前輪直徑。

2 小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為減輕小車重量以降低行進(jìn)阻力，無碳小車所用齒輪、底板和軸承座均采用較輕的鋁合金材料加工，并將小車后輪、底板多處鏤空以減輕重量。另外為降低小車重心，在地板上開齒輪槽，調(diào)整結(jié)構(gòu)可降低大齒輪和上、下調(diào)節(jié)齒輪距地面的高度，使小車行進(jìn)更平穩(wěn)。圖5為小車整體結(jié)構(gòu)示意圖。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的無碳小車符合大賽要求，完全依靠重塊的重力勢能驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，整體質(zhì)量較輕，重心低，行駛平穩(wěn)。選用曲柄雙滑槽機(jī)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)較簡單，能有效保證小車按規(guī)定路線行走。不足之處為尺寸設(shè)計(jì)存在一定偏差，對(duì)后面的裝配調(diào)試有一定影響。

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作者簡介：徐軍委（1997-），男，河南商丘人，本科，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。