S形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無碳小車改進(jìn)研究

李烽 賴迎春 魏正陽

摘?要：近幾年來無碳小車在我國各個(gè)地區(qū)甚至是全國的大型比賽當(dāng)中都有涉及到。在本次研究中針對(duì)S形無碳小車初始設(shè)計(jì)的問題提出相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策，旨在幫助優(yōu)化其性能，可以發(fā)揮更大的作用。

關(guān)鍵詞：S形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng);無碳小車;初始設(shè)計(jì);改進(jìn)

無碳小車在機(jī)械設(shè)計(jì)比賽當(dāng)中是比較常見的，其設(shè)計(jì)需要滿足相關(guān)的條件[1]。如三輪結(jié)構(gòu)，具有方向控制功能，轉(zhuǎn)向控制功能等，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速更換以及功能的快速調(diào)節(jié)。關(guān)于S形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無碳小車在設(shè)計(jì)中存在的問題需要提出相應(yīng)的優(yōu)化對(duì)策給予改進(jìn)。

1?初始設(shè)計(jì)方法分析

1.1?驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

小車在遇到障礙物時(shí)需要完成轉(zhuǎn)向。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛過程中后軸外側(cè)移動(dòng)的距離必然比內(nèi)側(cè)輪移動(dòng)距離更大，為了避免出現(xiàn)車輪脫滑的問題，車輪要實(shí)現(xiàn)輪速的不同。無碳小車采用單輪驅(qū)動(dòng)的方法，斷開兩輪驅(qū)動(dòng)軸，左后輪將其設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，右后輪設(shè)計(jì)成從動(dòng)輪的模式，把軸承直接嵌入到主動(dòng)輪的軸內(nèi)孔當(dāng)中，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)確保這兩輪之間不會(huì)互相干涉。

驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)是無碳小車動(dòng)力裝置的保障，在小車啟動(dòng)的過程中，靜摩擦力比動(dòng)摩擦力更大，小車需要更大力矩，力矩M公式可以表示為：M=Gr1=mgr1，在這個(gè)公式當(dāng)中，質(zhì)量為m，重力加速度用g表示，驅(qū)動(dòng)軸的半徑用r1來表示。把驅(qū)動(dòng)軸和輪設(shè)計(jì)成為一體，后輪也可以得到一個(gè)專門的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M，公式為：M=F0r2，小車后輪半徑采用r2表示，后輪等效力采用F0來表示。在小車啟動(dòng)當(dāng)中，右后輪以及前轉(zhuǎn)向輪所受到的總靜摩擦力可以采用Ff1來進(jìn)行表示。下圖為設(shè)計(jì)的無碳小車驅(qū)動(dòng)力情況：

無碳小車驅(qū)動(dòng)力情況分析圖

1.2?轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

小車導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)為是前輪，前輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的實(shí)現(xiàn)是借助于連桿機(jī)構(gòu)[2]。在設(shè)計(jì)中的齒輪副結(jié)構(gòu)是下邊為大齒輪，上邊為小齒輪。連接桿的長度調(diào)節(jié)可以通過螺紋副來實(shí)現(xiàn)，使調(diào)節(jié)的精度得到大大提升，也讓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)變得更加方便和簡單。轉(zhuǎn)向軸承可以直接在市場(chǎng)上購買，屬于標(biāo)準(zhǔn)件。

1.3?載物架的設(shè)計(jì)分析

車身需要全部承受重物從載物架支撐桿400mm左右的高度降落帶來的沖力。只需要考慮支撐桿的相關(guān)位置。小車支撐桿具體表現(xiàn)為一前一后兩種螺紋桿，和小車的載物架底板以及車身構(gòu)成比較完整的螺紋副。

1.4?車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

研究中提到的小車，其車身就是來承受力和力矩。所以，為了可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以把車身設(shè)計(jì)成粗軸的方式，然后再打孔。

2?優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析

在按照最初的方案設(shè)計(jì)以及制作完成小車之后，在小車具體的使用當(dāng)中卻出現(xiàn)了一些問題。針對(duì)在S型無碳小車運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，基于原本設(shè)計(jì)方案提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)對(duì)策。

2.1?針對(duì)前輪運(yùn)行不穩(wěn)優(yōu)化方法

在分析初始設(shè)計(jì)當(dāng)中的轉(zhuǎn)向部分內(nèi)容是，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樘^于重視讓前輪自由轉(zhuǎn)向度提升沒有關(guān)注到轉(zhuǎn)向軸孔和轉(zhuǎn)向軸之間在孔隙方面的配合情況，使得前輪出現(xiàn)了運(yùn)行不穩(wěn)定的情況。針對(duì)這種問題，提出了以下優(yōu)化方案;因?yàn)榍拜喫褂玫降霓D(zhuǎn)向軸屬于標(biāo)準(zhǔn)件，軸承的內(nèi)徑尺寸不適合進(jìn)行改變，相反比較容易加工的是小車的車身，所以在基于原方案的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在車身當(dāng)中采用過盈配合的方式直接將一個(gè)軸承嵌入其中，幫助解決孔隙之前存在的配合不到位問題。

2.2?碳鋼重塊下降的速度過于快帶來問題

根據(jù)上文的分析內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，在本次研究中所設(shè)計(jì)的無碳小車，所此阿勇的齒輪減速方案是一級(jí)方案，齒輪速度的比例為1∶3.8，也就代表著大齒輪和小齒輪之間轉(zhuǎn)動(dòng)的速度比例也是這個(gè)數(shù)據(jù)。但在實(shí)際運(yùn)作的過程中和重塊相互連接以及牽引的線是和小齒輪軸所連接在一起的，使得碳鋼重塊以比較快速的方式下降。針對(duì)這一方面存在問題提出的改進(jìn)對(duì)策與方案是：為了讓這個(gè)問題得到解決，需要把連接碳鋼重塊的牽引線轉(zhuǎn)移到大齒輪周上，同時(shí)還可以將大齒輪軸繞線的位置進(jìn)行處置，讓其變成錐形樣子，這樣的措施都可以幫助重塊下降的速度得到進(jìn)一步的緩解。

2.3?載物架的支撐軸和牽引線之間出現(xiàn)相互干涉問題

在初始的設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，在控制重物速度的過程中，采用了斜拉的方式，但是效果并不是十分明顯。而且還會(huì)出現(xiàn)載物架支撐軸與牽引線彼此之間相互干渉問題。與此同時(shí)，把重物支撐桿設(shè)計(jì)成等邊三角形的方式，再把它圍成一個(gè)空間，為Φ50mm，針對(duì)牽引線提出相關(guān)的空間。

針對(duì)這一問題提出的解決方式為，選擇大齒輪作為其中的驅(qū)動(dòng)軸，在大齒輪軸的右端纏繞上牽引線。在這種情況下再了解驅(qū)動(dòng)軸和后輪之間的半徑比例，公式如下：

r1r2=m1mη2（v2rg）2+f2

2.4?優(yōu)化改進(jìn)后的驗(yàn)證結(jié)果

在對(duì)S型無碳小車的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)之后，需要再次開展相應(yīng)的試驗(yàn)，把小車放置在標(biāo)準(zhǔn)跑道上，可以借助于標(biāo)準(zhǔn)重物來給小車提供相關(guān)的動(dòng)力。經(jīng)過多次的試驗(yàn)結(jié)果顯示，小車的運(yùn)動(dòng)軌跡與規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡相比吻合程度比較高。

綜上，結(jié)合理論方面的分析以及相關(guān)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，設(shè)計(jì)和制作專門的S型無碳小車。但是在初始設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)了一定的問題，又結(jié)合這些問題來提出優(yōu)化改進(jìn)方案，在優(yōu)化之后讓小車可以達(dá)到最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)，按照S形的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)作。

參考文獻(xiàn)：

[1]李浩.S形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無碳小車的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].明日風(fēng)尚，2017：11.

[2]鄧醒陽，王豪，張子悅，等.S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無碳小車設(shè)計(jì)及調(diào)試[J].卷宗，2017（27）.