工程訓(xùn)練大賽無碳小車的研究

周 威

(東北電力大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)中心，吉林吉林132012)

根據(jù)第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的主題，設(shè)計(jì)基于齒輪齒條傳動(dòng)的無碳小車。大賽設(shè)計(jì)要求:驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得到的。如圖1所示。該給定砝碼重力勢(shì)能為4 J，要求砝碼的可下降高度為400±2 mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。競(jìng)賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)繞過賽道上設(shè)置的障礙物［1］。障礙物為直徑20 mm、高200 mm的圓棒，沿賽道中線等距離擺放，如圖2所示。由于這項(xiàng)賽事已經(jīng)在全國各大高校開展了四年，老師和學(xué)生都在這項(xiàng)賽事中得到充分的鍛煉，取得了學(xué)校師生的高度認(rèn)可。所以，多年來學(xué)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)賽事的命題進(jìn)行研究，取得了一些成果。

圖1 無碳小車示意圖

圖2 無碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖

1 設(shè)計(jì)思路及方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低小車穿越障礙時(shí)刮碰圓棒的概率，并且盡量減小車體的質(zhì)量。小車的寬度設(shè)計(jì)變窄，將小車制造的材料選用鋁材料。防止重心太靠前造成小車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)困難，導(dǎo)致小車無法啟動(dòng)運(yùn)行，將重物下落位置設(shè)計(jì)在兩個(gè)后輪軸線稍微靠前的位置［2］。提高小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性，將小車的底座設(shè)計(jì)靠近地面。

1.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車驅(qū)動(dòng)繞線部分:利用重物下落的重力勢(shì)能，通過細(xì)繩帶動(dòng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成動(dòng)能。為了減少動(dòng)能損耗提高傳動(dòng)效率，減少加工難度和裝配難度，繞線輪帶動(dòng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)。要使小車運(yùn)行距離增長，繞線輪直徑要小。繞線輪上要加一個(gè)直徑大于它的啟動(dòng)輪，確保小車啟動(dòng)時(shí)可以得到足夠的動(dòng)能運(yùn)行。

小車驅(qū)動(dòng)部分:采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)形式。小車后軸承座安裝差速器進(jìn)行小車運(yùn)行差速功能的實(shí)現(xiàn)。模數(shù)m=0.5，傳動(dòng)比1∶6。小車驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)采用差動(dòng)輪系，以減小轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)輪打滑產(chǎn)生的能量損和過大的行走誤差。

根據(jù)大賽要求模擬畫好小車行走圖，近似認(rèn)為是正弦曲線軌跡，根據(jù)小車設(shè)計(jì)寬度120 mm及小車行駛繞過障礙柱子的余量間隙80 mm。得出:小車正弦軌跡的振幅為A=10(障礙柱半徑)+80(余量間隙)+60(小車一半寬度)=150 mm;周期T=2 000 mm。

則利用曲線積分公式得到半個(gè)周期曲線的長度為:

設(shè)計(jì)按照模數(shù):m=0.5，齒輪傳動(dòng)比1∶6，設(shè)計(jì)出大齒輪齒數(shù)為Z大=120小齒輪齒數(shù)為Z小=20。計(jì)算要求小車前行1 056 mm時(shí)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向一個(gè)方向，根據(jù)小車的行走軌跡，當(dāng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)3圈計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪直徑為:D=1 056÷3.14÷3=112 mm。由已知驅(qū)動(dòng)輪軸的小齒數(shù)20，大齒輪齒數(shù)120，計(jì)算出齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為:N=20×3÷120=0.5圈。后輪每轉(zhuǎn)動(dòng)3圈，大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)0.5圈，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)一個(gè)方向，正好符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 傳動(dòng)示意圖

1.3 小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條和滑塊機(jī)構(gòu)相結(jié)合。利用在大齒輪上連接一個(gè)滑塊，改變滑塊位置起到改變偏心位置的目的?；瑝K相對(duì)一個(gè)滑道在上下方向移動(dòng)，而滑道則進(jìn)行直線的前后方向移動(dòng)?；狼昂蠓较蛞苿?dòng)推動(dòng)齒條移動(dòng)，從而達(dá)到齒條帶動(dòng)半個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)前輪實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)示意圖3所示。

根據(jù)大賽要求，設(shè)計(jì)的小車多以S形路線進(jìn)行周期轉(zhuǎn)向。這種以齒輪齒條和滑塊機(jī)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)要優(yōu)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雖然設(shè)計(jì)制造簡單方便，但是轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定性是在原理上無法解決的問題［3］。凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向雖然準(zhǔn)確，但是計(jì)算軌跡非常困難，難有成功的競(jìng)賽隊(duì)伍，而且小車制造精度要求特別高。齒輪齒條和滑塊結(jié)構(gòu)結(jié)合的設(shè)計(jì)，不但運(yùn)行精度高，而且制造工藝比凸輪機(jī)構(gòu)簡單，所以采用這種方式實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向是一個(gè)合理的選擇。

2 小車重要部件工藝分析

保證小車平穩(wěn)準(zhǔn)確運(yùn)行除了巧妙的設(shè)計(jì)，還有合理的制造工藝安排。小車上的構(gòu)件非常多，后軸承座是小車上重要的構(gòu)件之一，其工藝簡圖圖4所示。

后輪軸承座的精度要求較高，其與軸承配合的孔必須保證同軸度。所以采用一次裝夾、鉆孔、鉸孔，并用線切割切開軸承座上半部分，用螺絲連接。這樣做是在保證軸承孔與軸承密切配合，同時(shí)不用加工臺(tái)階孔［4］。工藝上涉及到交叉孔的加工，根據(jù)加工工藝原則先加工螺紋孔，后加工軸承配合孔。

圖4 工藝簡圖

2.1 基準(zhǔn)選擇

根據(jù)“粗基準(zhǔn)”選擇原則和結(jié)構(gòu)工藝分析可知，對(duì)于單件小批量生產(chǎn)，銑件時(shí)以第一加工表面為基準(zhǔn)［5］，所以軸承座以第一步加工的大平面為基準(zhǔn)平面，并用壓板定位裝夾加工四周輪廓以及上表面。

2.2 工藝路線

后軸承座加工工藝步驟如下:

(1)選料:選擇毛坯;

(2)銑床:銑基準(zhǔn)面，并以此為基準(zhǔn)銑外輪廓;

(3)鉆床:鉆螺紋孔攻絲;一次裝夾，鉆軸承配合孔、鉸孔;此步驟最為關(guān)鍵涉及到交叉孔的加工，必須先加工螺紋孔然后加工軸承配合孔，反之若次序顛倒，鉆螺紋孔的時(shí)候極易斷刀，還保證不了垂直度。另外6個(gè)φ2.5深孔由于絲錐長度不夠不能完成攻絲，這6個(gè)孔放到步驟五之后攻絲。

(4)銑床:銑減料區(qū)域;

(5)線切割:線切割軸承配合孔，分成上下兩個(gè)配合蓋;

(6)攻絲:步驟五中工件被切開后用M3絲錐對(duì)工件下半部分6個(gè)φ2.5孔進(jìn)行攻絲。

3 小車運(yùn)行效果

按照小車設(shè)計(jì)圖紙加工組裝小車，通過反復(fù)探索試驗(yàn)，調(diào)整小車的運(yùn)行狀態(tài)。最終實(shí)現(xiàn)重物下落400 mm時(shí)候繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)20.53圈，根據(jù)大小齒輪傳動(dòng)比1∶6，后輪Φ112 mm轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為120.23圈，重量塊下落過程中，加上慣性等因素，小車最好成績是小車行走41 m，繞柱36個(gè)。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的小車，利用齒輪齒條和滑塊替代桿傳動(dòng)或凸輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。新的設(shè)計(jì)解決了桿傳動(dòng)本身無法改變的運(yùn)行缺陷，同時(shí)保留了桿傳動(dòng)加工、運(yùn)行方便的優(yōu)點(diǎn)。由于車輪與地面之間的摩擦系數(shù)無法解定，所以小車內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)仍然需要微調(diào)，保證小車運(yùn)行的準(zhǔn)確性?？傊略O(shè)計(jì)的小車，設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)簡單，加工和裝配小車零件的難度下降，這些都順應(yīng)未來無碳小車設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］季元進(jìn).利用變心齒輪傳動(dòng)的無碳小車的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31(4):71－75.

［2］付大鵬.基于離心泵半開式葉輪的五軸數(shù)控加工技術(shù)研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(3):47－49.

［3］鄒光明.基于不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)的小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械工程師，2014(1):120－122.

［4］傅水根.創(chuàng)建有中國特色的工程實(shí)踐教學(xué)體系［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2004，(7):24－26.

［5］楊英杰，欽鵬明.一種改進(jìn)的GPS微弱信事情捕獲算法［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(5):57－60.

［6］馮國亮，于天暝.超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的前端電絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(3):83－87.