一種無(wú)碳小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)

【摘要】文章主要根據(jù)第三屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題“無(wú)碳小車”的要求，對(duì)無(wú)碳小車進(jìn)行了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過ADAMS， Solidworks等軟件對(duì)無(wú)碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了最優(yōu)化分析，并最終測(cè)試結(jié)果表明，小車?yán)@障效果好，運(yùn)行穩(wěn)定。

1、設(shè)計(jì)思路及方案

無(wú)碳小車完全靠物體的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能來驅(qū)動(dòng)小車向前繞障行走。賽事規(guī)定，比賽中給予小車的能量是固定的5J，如何最大化的將這重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車?yán)@障前行的動(dòng)能是本設(shè)計(jì)的核心。無(wú)碳小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開賽道上設(shè)置的障礙物（每間隔1米，放置一個(gè)直徑20mm、高200mm的圓棒）。以小車前行距離的遠(yuǎn)近、以及避開障礙的多少來綜合評(píng)定成績(jī)。小車要求采用三輪結(jié)構(gòu)（1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪），具體結(jié)構(gòu)造型以及材料選用均由參賽者自主設(shè)計(jì)完成。要求滿足：①小車上面要裝載一件外形尺寸為ψ60×20mm的實(shí)心圓柱型鋼制質(zhì)量塊作為載荷，其質(zhì)量應(yīng)不小于750克；在小車行走過程中，載荷不允許掉落。②轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于ψ30mm。

無(wú)碳小車的最終效果圖如上圖1所示，小車主要包含行走機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)，動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是無(wú)碳小車運(yùn)動(dòng)的核心，很大程度上決定了無(wú)碳小車整體的運(yùn)動(dòng)路程和繞障效果，因此我們對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。

2、無(wú)碳小車轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定著小車的功能。 能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滿足要求的來回?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等。

凸輪：凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但是凸輪加工不方便，對(duì)加工精度要求高，摩擦磨損較大。

差速轉(zhuǎn)彎：差速拐是利用兩個(gè)偏心輪作為驅(qū)動(dòng)輪，由于兩輪子的角速度一樣而轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不一致，使兩個(gè)輪子的速度不同，產(chǎn)生差速。小車通過差速實(shí)現(xiàn)拐彎避障。差速轉(zhuǎn)彎，是理論上小車能走的最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)方案，但是加工精度要求高，比較難實(shí)現(xiàn)。

曲柄搖桿：曲柄搖桿是通過偏心輪的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的來回?cái)[動(dòng)帶動(dòng)前輪的周期性轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。最后選擇了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為無(wú)碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并最終的調(diào)試表明，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，精度較好。為了對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)化分析，我們對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行ADAMS仿真。其中圖3為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的整體建模，由于搖桿機(jī)構(gòu)存在急回特性，會(huì)導(dǎo)致前輪在轉(zhuǎn)向過程中會(huì)出現(xiàn)顫動(dòng)，每一個(gè)周期產(chǎn)生顫動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生誤差，無(wú)碳小車持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)后誤差會(huì)積累，影響無(wú)碳小車的繞障效果，因此，既要使轉(zhuǎn)向保證周期性，又要盡量的減少四桿機(jī)構(gòu)的急回特性帶來的誤差影響。仿真設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角度范圍是0～40度（在實(shí)際中要綜合支撐機(jī)構(gòu)的基本尺寸來設(shè)計(jì)）。

圖2中為搖桿的，最大半徑處的加速度隨時(shí)間變化，圖中加速度連續(xù)變化，加速度也在小范圍內(nèi)周期性變化，急回夾角小，無(wú)碳小車的轉(zhuǎn)向的誤差小。轉(zhuǎn)向的具體效果反映到實(shí)際調(diào)試中就是無(wú)碳小車的運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)向的完整性，本設(shè)計(jì)的最終實(shí)物如圖1所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，能精確地繞障。

3、無(wú)碳小車傳動(dòng)分析

由于給無(wú)碳小車提供的能量是有限的，在傳動(dòng)過程中最大化的把能量傳到前后輪是無(wú)碳車工作性能的一個(gè)關(guān)鍵。傳動(dòng)部分可以用齒輪傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，同步帶帶傳動(dòng)等方案。

齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)的效率高，可達(dá)到95%，并且能保證傳動(dòng)比，但是齒輪加工精度和費(fèi)用高，并且齒輪重量大，會(huì)增大整車和地面之間的摩擦，浪費(fèi)能量。

同步帶傳動(dòng)：同步帶傳動(dòng)效率較高，能夠輪齒連續(xù)嚙合保證傳動(dòng)比，但是同步帶在保證傳遞效率的前提下要保證帶的包角，無(wú)碳小車中兩傳動(dòng)軸的中心距小，不容易保證包角。

鏈輪傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)使用廣泛，能夠精確保證傳動(dòng)比，在較小的中心距也能平穩(wěn)傳動(dòng)，而且質(zhì)量較輕，傳動(dòng)部分主視圖如圖3所示。

具體實(shí)物如圖1所示，在調(diào)試中，鏈輪并不會(huì)出現(xiàn)大的顫動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)部分采用鏈傳動(dòng)，質(zhì)量輕，整車重量較輕，保證了轉(zhuǎn)向，傳動(dòng)，行走機(jī)構(gòu)的工作。

結(jié)語(yǔ)

本無(wú)碳小車通過對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，使無(wú)碳小車的質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，傳動(dòng)比得到保證，有很好的可靠性，大大的降低了能量的損耗。預(yù)先通過Solidworks的三維仿真，分析了可行性，這種仿真提高了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和可靠性。最終測(cè)試結(jié)果中，能平穩(wěn)的繞過15個(gè)樁，和預(yù)期的設(shè)計(jì)相符合。

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由市教委“PXM2013_014224_000058 教育教學(xué)-本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目”（市級(jí)）、北京信息科技大學(xué)2013年大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（市級(jí)）經(jīng)費(fèi)支持。