無碳小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計?

豆龍江，詹長庚，龐晨露，萬書亭

（1.華北電力大學(xué) （保定）機(jī)械工程系，河北 保定 071003；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

競賽小車依照現(xiàn)代工程師的標(biāo)準(zhǔn)，注重設(shè)計的巧妙、制作的精良、調(diào)試的可靠性。針對第二屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽主題“無碳小車”的要求，對無碳小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計。與其他類似的模型小車相比，本小車更注重能量的利用、車體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)涉及了諸多數(shù)學(xué)理論的驗證，且使小車控制轉(zhuǎn)彎更省力，小車躲避障礙物的周期容易實現(xiàn)與控制，亦降低了整車質(zhì)量。

1 小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 無碳小車示意圖

驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的能量根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而來。給定重力勢能為5J（取g＝10m/s2），競賽時統(tǒng)一采用質(zhì)量為1kg的重塊鉛垂下降而獲得，落差為（500±2）mm，同時小車需要載著一質(zhì)量塊（Φ60×20的實心圓柱型鋼件）行駛，繞過直線布置的每隔1m放置1個障礙物的彈性障礙圓棒，并保證質(zhì)量塊和重塊隨車行走而不掉落。競賽以小車前行距離的遠(yuǎn)近以及避開障礙的多少來綜合評定成績。小車自動行走路線如圖2所示。

圖2 小車自動行走路線

1.1 小車的動力機(jī)構(gòu)設(shè)計

將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)換為小車動能的方案很多，但是考慮到小車的質(zhì)量以及選用材料和地面之間摩擦力的不確定等因素，所以需反復(fù)調(diào)試。為方便調(diào)試和更改，決定采用繩輪機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 小車動力機(jī)構(gòu)的設(shè)計

為減少能量損失，采用了高強(qiáng)度的尼龍線。由于繞線輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)決定了小車的行駛距離，因此為增加驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，在繞線輪和驅(qū)動輪之間加設(shè)一組齒輪，傳動比為25∶14。

繞線輪在整個裝置中起到重力勢能到動能轉(zhuǎn)換的橋接作用，繞線輪的粗細(xì)決定了小車前進(jìn)的距離和運(yùn)行的速度。由于小車起步時應(yīng)處于加速狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到一定的速度時過渡為勻速行駛，因此繞線輪的直徑也由大到小呈緩慢變化。

1.2 小車的行駛機(jī)構(gòu)設(shè)計

小車行駛時的阻力由驅(qū)動輪與地面的摩擦力決定，使用合適的材料將車輪與地面的摩擦力降至最低才能保證小車的行駛距離，因此驅(qū)動輪的材料選用硬鋁。

在保證剛度的前提下，為減小質(zhì)量采取了設(shè)置減重孔的辦法。由于驅(qū)動輪的直徑大小直接影響了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的周期以及小車對地摩擦力的大小，而在設(shè)計之初驅(qū)動輪的直徑為Φ120mm，試驗發(fā)現(xiàn)由于原材料的限制，小車在行駛過程中加速度較大，出現(xiàn)了左右晃動的情況，最終將驅(qū)動輪的直徑設(shè)計為Φ150mm，小車行駛平穩(wěn)。驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)示意圖

小車需要轉(zhuǎn)向，根據(jù)轉(zhuǎn)動方向的不同，兩后輪會在轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生速差。因此，設(shè)計小車左輪為驅(qū)動輪，右輪為自由輪，保證了小車的平穩(wěn)行駛。

1.3 小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動力起初采用了齒輪傳動，因為在常用的機(jī)械傳動中，齒輪傳動的效率最高，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，齒輪傳動不方便調(diào)整小車的行走周期。經(jīng)過研究最終采用了摩擦傳動，即通過橡膠圈與圓盤的摩擦來提供驅(qū)動圓盤的動力，這樣可通過改變驅(qū)動輪的直徑方便地調(diào)整小車的行走周期。

小車的轉(zhuǎn)向通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，見圖5。轉(zhuǎn)向過程要確保小車前行時按照1m繞一個樁的周期要求，則要適當(dāng)調(diào)整最大轉(zhuǎn)向角，最大角又受曲柄長度、連桿長度和搖桿長度等因素的影響。為方便調(diào)節(jié)，首先確定曲柄長度a，然后將連桿長度和搖桿長度設(shè)計成可調(diào)的。連桿長度的調(diào)節(jié)通過粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種調(diào)節(jié)方式來實現(xiàn)，即在連桿的一端設(shè)置不同位置的定位孔與曲柄連接實現(xiàn)粗調(diào)，而在連桿的另一端通過螺紋連接實現(xiàn)細(xì)調(diào)，通過螺紋轉(zhuǎn)動的角度來改變連桿長度，而搖桿的長度通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。

圖5 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)示意圖

在平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，傳動角γ的大小標(biāo)志著傳動性能的好壞，傳動角越大對機(jī)構(gòu)傳動性能越有利。為了使機(jī)構(gòu)具有良好的機(jī)械性能，要求機(jī)構(gòu)的最小傳動角必須大于其許用值。

按最小傳動角設(shè)計行程速比數(shù)K＝1（α1＝180°）的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)已知的α1，φ及選定的最小傳動角γmin和β角，然后查表并結(jié)合下列公式計算連桿和搖桿的長度。

其中：b為連桿長度；c為搖桿長度；d為機(jī)架長度；φ為搖桿C兩極限位置間的夾角。通過計算最終確定的機(jī)構(gòu)尺寸為：a＝29mm；b＝193mm；c＝75mm；d＝190mm。

1.4 小車的穩(wěn)定性設(shè)計

影響小車穩(wěn)定性的因素較多，其中支撐架的剛度、底板的結(jié)構(gòu)和整體重心高度對小車的穩(wěn)定性影響較大。

小車在左右轉(zhuǎn)向時，重塊會隨之晃動，支撐架若不牢固將會導(dǎo)致小車的重心偏移，隨之影響小車的壓力、摩擦力，甚至發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象，不僅降低了小車的穩(wěn)定性，還造成能量損失，因此小車支撐架的設(shè)計應(yīng)合理、剛度應(yīng)足夠強(qiáng)。支撐架結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

支撐架應(yīng)選取強(qiáng)度高、彈性小、質(zhì)量輕的原材料，在產(chǎn)生彎矩的位置優(yōu)化設(shè)計，減少誤差，保持穩(wěn)定。

圖6 支撐架結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 小車的底板結(jié)構(gòu)設(shè)計

底板作為小車的載體，與其他結(jié)構(gòu)相連接，是無碳小車極其重要的結(jié)構(gòu)部件，因此底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須合理、巧妙?？紤]到小車承重較小，將底板設(shè)計成框式結(jié)構(gòu)。為避免底板發(fā)生振動造成能量損失，將邊框橫截面設(shè)計成T字型。邊框的寬度為10mm，厚度為4 mm，這樣小車的剛性得到了保證。

底板的寬度決定了兩后輪的軸距，由于小車一直在做曲線運(yùn)動，因此兩輪行走時存在速差。軸距的大小影響兩輪差速的大小以及運(yùn)行的平穩(wěn)性。軸距太小會降低小車運(yùn)行的平穩(wěn)性，軸距太大又會加大轉(zhuǎn)向難度。所以綜合考慮以上因素，將底板的寬度設(shè)計為105mm，長度設(shè)計為220mm。小車底板結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 小車底板結(jié)構(gòu)示意圖

重塊的落差為500mm，為降低整體小車的重心要求重塊的起始高度盡可能低，所以將重塊托盤設(shè)計在底板下面并處于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)連桿的上面，托盤設(shè)計成鏤空結(jié)構(gòu)且其四角用螺栓與底板連接。

2 總結(jié)

本文設(shè)計的無碳小車?yán)美@線牽引實現(xiàn)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，利用摩擦傳動為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)提供動力，利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。實踐證明該無碳小車機(jī)構(gòu)設(shè)計合理、巧妙，性能優(yōu)越，小車行駛平穩(wěn)，創(chuàng)造了繞樁40個的記錄，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國參賽隊平均繞樁11個的成績，并取得了全國第一的優(yōu)異成績。

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