S型無碳小車的設(shè)計與優(yōu)化

李淑萍 柴小云 李晨

摘 要：根據(jù)全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題文件指導(dǎo)，通過文獻(xiàn)查詢與自發(fā)探索設(shè)計制作出了能實現(xiàn)預(yù)定功能的小車。依靠計算與軟件輔助，驗證與改進(jìn)了小車各結(jié)構(gòu)的設(shè)計。最終經(jīng)過調(diào)試，使小車平穩(wěn)運行。

關(guān)鍵詞：無碳小車;結(jié)構(gòu)設(shè)計;連桿機(jī)構(gòu);微調(diào)機(jī)構(gòu)

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0081-02

0 引言

伴隨著人類對自然環(huán)境無止境的開采，隨踵而來的環(huán)境惡化問題也日益加重。經(jīng)濟(jì)發(fā)展是無止境的，但人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)卻是無法再生的。全球氣候變化、能源消耗和生態(tài)破壞等現(xiàn)象現(xiàn)在都是全人類無法規(guī)避的問題。近年來，低碳生活的理念應(yīng)運而生，開始在全球大規(guī)模地傳播，以期望引起大家對環(huán)境的重視，改善我們的生態(tài)系統(tǒng)。無碳小車就是這一波潮流中的號召者之一。它所要實現(xiàn)的就是在除了自身重力外不依靠其他任何能量就能自主完成繞障行走的功能。

1 設(shè)計思路

根據(jù)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題要求，S型無碳小車只能采用由重力勢能轉(zhuǎn)化而來的動能進(jìn)行驅(qū)動，其中，重力勢能由1kg砝碼提供，從400±2mm的高度下落。行走過程中還要由轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)操控小車進(jìn)行自動避障運動，障礙物之間的距離由現(xiàn)場抽簽來決定。由上述要求可分析出小車所需要完成的運動軌跡為正弦曲線。為實現(xiàn)以上功能，可將小車整體結(jié)構(gòu)分為原動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)、車身六大部分。

2 各部分設(shè)計

2.1 原動機(jī)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化

此部分是將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，為無碳小車提供前進(jìn)的動力的機(jī)構(gòu)。小車在初期啟動時有靜摩擦力因素，為使小車順利啟動，原動機(jī)構(gòu)一開始提供的啟動力矩要大于小車的靜摩擦力力矩。即小車初期運行時所需的啟動力矩：

而在小車行進(jìn)過程中，由于慣性的作用使得小車前行所需力矩減小，為了避免能量的浪費以及由于速度過快而可能引起的翻車等問題，繞線輪設(shè)計為了塔輪結(jié)構(gòu)，在小車啟動初期時將線繞在大端，行進(jìn)過程中繞至小端。以此來保證小車前期能順利啟動，以及后期平穩(wěn)低速地運行。

考慮到要減輕小車整體質(zhì)量，繞線輪可采用3D打印，同時為了保證繞線軸能帶動齒輪嚙合，可在繞線輪底部打印三個沿圓周均勻分布的小樁，齒輪上加工出與之配合的三個小孔，使繞線軸與齒輪緊密相連。為了防止摩擦打滑，可在繞線軸軸身上打印出螺旋線路，用于卡住繩子。

2.2 傳動機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化

砝碼下落帶動繞線軸所在的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，通過齒輪嚙合傳遞給后輪軸，從而帶動后輪前進(jìn)。在能量傳遞為了提高傳動效率，所以采用一級齒輪傳動，傳動比為1：4，即繞線軸轉(zhuǎn)動1圈，后輪行走4圈。小車的行駛路線為：Y=Acos（πx），一周期內(nèi)行駛的路程為：

小車前行機(jī)構(gòu)分有三個車輪，一個前輪，兩個后輪。在轉(zhuǎn)彎時，相同時間內(nèi)由于內(nèi)圈和外圈行駛路程不同，會使兩個輪子產(chǎn)生不同的差速，為了避免拖拽情況發(fā)生，應(yīng)該將一個設(shè)計成主動輪，另一個為從動輪。

在固定后輪時，由于螺紋本身存在有傾斜度，會使車輪相對車身有個傾斜角，所以安裝過程中要盡量避免螺紋連接。在軸與輪子的連接處，為了避免應(yīng)力集中，可采用法蘭盤。

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化

為了保證小車能可靠連續(xù)地實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，可采用對心曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。圖1為對心曲柄搖桿機(jī)構(gòu)示意圖。

2.4 微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化

為了彌補(bǔ)加工及裝配過程中所產(chǎn)生的加工誤差，所以要安裝有微調(diào)機(jī)構(gòu)對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)上的調(diào)整。本研究為了精確控制數(shù)據(jù)調(diào)整數(shù)值，特在連桿上安裝了微分頭，以此來精密控制連桿的調(diào)整數(shù)值。同時在曲柄盤上銑出了u型槽，可對曲柄數(shù)值進(jìn)行自由調(diào)控，如圖2所示。

3 調(diào)試

小車在設(shè)計裝配后，由于各部分存在的誤差，在累加后會使小車實際運行軌跡與理論運行軌跡有較大的出入，所以要對小車進(jìn)行調(diào)試，使它最終跑出理論計算軌跡。

3.1 小車出發(fā)定位

先用激光筆配合亞克力板找到車身初始位置，因出發(fā)時我們選用在軌跡幅值處發(fā)車，所以此時曲柄盤指針指向剛好平行于車底板。在對發(fā)車位置有了精確定位后，再進(jìn)行之后的多次調(diào)試。

3.2 小車左右偏移

當(dāng)小車進(jìn)行左偏時，需加長連桿;右偏時，減短連桿長度。連桿長度對小車運行軌跡的影響極為敏感，所以調(diào)節(jié)連桿長度時一定要耐心。

3.3 小車幅值不夠

小車行駛周期不夠時，可以調(diào)整曲柄長，它控制著周期的長短。曲柄長度調(diào)長，小車行駛周期變短。

4 結(jié)語

無碳小車行駛軌跡最大的影響因素就是加工精度，即使是兩輛設(shè)計完全相同的小車最后行駛的軌跡也可能千差萬別。所以一定要注重微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計，確保它能精確彌補(bǔ)加工誤差所帶來的影響。

對于小車機(jī)構(gòu)，整體設(shè)計注重平穩(wěn)和減輕質(zhì)量，所以小車底盤高度設(shè)計不宜偏高，小車整體質(zhì)量分布要均勻，不然易出現(xiàn)翻車現(xiàn)象。盡量選用不易變形易加工且輕量的材料，并對零件進(jìn)行一定鏤空以減輕質(zhì)量。

雖然小車整體設(shè)計大致類似，但細(xì)節(jié)上仍有很大的優(yōu)化空間，所以還是要注重細(xì)節(jié)方面的設(shè)計。本文對繞線軸、微調(diào)機(jī)構(gòu)、后輪固定等方面都做了一定程度的優(yōu)化。最終調(diào)試出了理論計算路徑，如圖3所示。

參考文獻(xiàn)

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