S字形無(wú)碳小車(chē)的分析

李云濤　劉曉飛　侯偉青　賈路媛　程攀峰

摘要2015年第四屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽主題為“無(wú)碳小車(chē)”，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量，是由給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換得到的。通過(guò)對(duì)以往參賽作品的借鑒以及指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出本作品。本作品的特點(diǎn)是：①小車(chē)的整體性能出色；②小車(chē)各個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；③小車(chē)設(shè)計(jì)合理能量浪費(fèi)少，可以走更遠(yuǎn)的距離。為了使小車(chē)運(yùn)行更加平穩(wěn)，設(shè)計(jì)本作品的重心盡量靠近車(chē)身底部。通過(guò)對(duì)小車(chē)行駛路線的模擬，得到小車(chē)行駛的大致路線，對(duì)后期小車(chē)行進(jìn)路線的分析有了可以參考的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵字：S形 差速原理 單輪驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

1.整車(chē)預(yù)覽

通過(guò)對(duì)小車(chē)的整體數(shù)據(jù)和機(jī)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì)出本作品，小車(chē)的整體圖如圖1所示。

圖 1

2.運(yùn)動(dòng)軌跡分析

通過(guò)查閱資料得知無(wú)碳小車(chē)越過(guò)不同間距的障礙物可以通過(guò)改變以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：①定傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)采用定的傳動(dòng)比，只通過(guò)改變轉(zhuǎn)向的最大轉(zhuǎn)向角從而實(shí)現(xiàn)越過(guò)不同間距的障礙物。采用該方案不用變傳動(dòng)比機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。但是每個(gè)周期內(nèi)繞樁相對(duì)所走的路程較采用變傳動(dòng)比的多很多且轉(zhuǎn)向角度變化較大，故所能繞樁數(shù)較少。②變傳動(dòng)比。變傳動(dòng)比可以改變轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)比，即可以在不改變幅值的情況下改變轉(zhuǎn)向周期，縮短完成一個(gè)周期內(nèi)所走的路程，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向角變化也較小，故所能繞樁數(shù)較多。但是，變傳動(dòng)比結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不容易實(shí)現(xiàn)?？梢圆捎脽o(wú)級(jí)變速和分檔變速機(jī)構(gòu)。由于所學(xué)知識(shí)和時(shí)間有限，我們決定先采用定傳動(dòng)比方案，在以后制作過(guò)程中可以再加上變傳動(dòng)比結(jié)構(gòu)，以顯著提高繞樁數(shù)量。如圖2是對(duì)小車(chē)行走路線的模擬。

圖2

3.方案設(shè)計(jì)

本作品由三部分構(gòu)成，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)靠重錘的下落帶動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用單級(jí)齒輪傳動(dòng)，效率高；轉(zhuǎn)向間歇機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄搖桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

為了能使小車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行，本作品的驅(qū)動(dòng)軸采用錐形軸結(jié)構(gòu)，錐形軸可以實(shí)現(xiàn)讓小車(chē)啟動(dòng)時(shí)容易啟動(dòng)，在啟動(dòng)后的行駛過(guò)程中小車(chē)可以勻速行駛，在小車(chē)快運(yùn)行結(jié)束的時(shí)候減速行駛。錐形軸的優(yōu)點(diǎn)在于讓小車(chē)的能量盡可能的充分利用，當(dāng)重錘下落的車(chē)板上時(shí)速度不會(huì)過(guò)快，由此造成的能量損失會(huì)降到最低。如圖3所示為錐形軸結(jié)構(gòu)。

圖3

3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是小車(chē)最重要的一個(gè)機(jī)構(gòu)，需要?jiǎng)恿鬟f給其它各個(gè)機(jī)構(gòu)，為了能讓小車(chē)傳動(dòng)時(shí)具有高效、穩(wěn)定、節(jié)能的特點(diǎn)，本作品采用單級(jí)齒輪傳動(dòng)并和差速器結(jié)合實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的高效傳動(dòng)，減少不必要的能量損耗。

3.3 轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

本作品的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向。如圖4所示為小車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

圖4

由于小車(chē)加工出來(lái)，在完成裝配后會(huì)

圖5

產(chǎn)生誤差，因此需要調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，本作品采用可調(diào)擺長(zhǎng)搖桿，通過(guò)對(duì)搖桿長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)小車(chē)軌跡的調(diào)整，使小車(chē)走出一條最優(yōu)的軌跡。如圖5所示為小車(chē)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

4.差速原理

要實(shí)現(xiàn)差速的方法比較多，能夠應(yīng)用在無(wú)碳小車(chē)上的通常有2種：?jiǎn)屋嗱?qū)動(dòng)和使用差速器。單輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)和加工。但是，易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，更重要的是，會(huì)導(dǎo)致小車(chē)左右行程不對(duì)稱(chēng)。由于是采用單輪驅(qū)動(dòng)，且車(chē)體的寬度不能忽略，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪在內(nèi)側(cè)和外側(cè)行駛時(shí)，同樣的轉(zhuǎn)速，必然導(dǎo)致所行駛的路程不一樣，要消除這種影響，只能通過(guò)提前給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一個(gè)調(diào)整角度，這樣給調(diào)試帶來(lái)了嚴(yán)重的困擾，因此不采用單輪驅(qū)動(dòng)來(lái)差速。差速器原理較簡(jiǎn)單，采用最常用的一種差速結(jié)構(gòu)是用4個(gè)錐形齒輪，倆倆垂直嚙合的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的差速。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫恒 陳作模 葛文杰.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室（第八版）[M].高等教育出版社

[2] 趙長(zhǎng)發(fā).機(jī)械制造工藝學(xué)[M]. 哈爾濱工程大學(xué)出版社