新型“無碳小車”的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

陳波 蘭健 曹偉龍 于奎東 孫玉恒

摘 要： 通過對現(xiàn)有無碳小車的評價與分析，在小車結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，力求在滿足命題要求基礎(chǔ)上，達(dá)到結(jié)構(gòu)最簡、車體最輕、好加工、易操作等特點(diǎn)。文章主要從車身、能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等幾方面入手，詳細(xì)介紹了小車結(jié)構(gòu)重新設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化的具體方案及工作原理。實(shí)踐結(jié)果表明，改進(jìn)后的新型無碳小車整體性能有了很大提高，無論是行走距離，還是繞障數(shù)量都有了明顯的增加。該設(shè)計優(yōu)化對實(shí)訓(xùn)教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 無碳小車； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化；工程實(shí)踐能力

中圖分類號： TH 122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）06-0099-03

0 引 言

無碳小車就是對“無碳”理念的探索與開發(fā)，它最初來源于“挑戰(zhàn)杯”省賽作品，屬于科技發(fā)明B類，機(jī)械與控制方面作品，后推廣為全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽主題，即無碳小車越障競賽。競賽命題要求參賽者設(shè)計一種小車，利用給定勢能而不能使用其他能源，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理來驅(qū)動和控制小車行走，小車應(yīng)具有轉(zhuǎn)向和微調(diào)機(jī)構(gòu)，三輪著地[1]。該賽事的舉辦讓更多的學(xué)生關(guān)注并參與到其中，尤其對機(jī)械專業(yè)及相關(guān)學(xué)科的學(xué)生受益良多，在小車的設(shè)計、制造、調(diào)試各個環(huán)節(jié)中，極大地鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

1 無碳小車的組成及工作原理

根據(jù)競賽命題要求及小車各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，無碳小車的組成可劃分為車身、能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個部分[2-3]。它的工作原理是利用能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將重錘下降的勢能轉(zhuǎn)換成動能，通過傳動機(jī)構(gòu)將動能傳給驅(qū)動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)可使小車行走，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制小車實(shí)現(xiàn)繞障功能[4]。

2 無碳小車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖1所示，原小車?yán)碚撋暇邆涿}中所有要求，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，原理淺顯易懂，但該結(jié)構(gòu)小車在調(diào)試過程中，運(yùn)行不夠平穩(wěn)，行走距離短，繞障數(shù)量、繞障軌跡均不理想。基于上述諸多問題，經(jīng)過仔細(xì)分析，周密考慮，決定對小車結(jié)構(gòu)中許多關(guān)鍵部件重新設(shè)計，改進(jìn)后的小車如圖2所示。下面將逐一介紹小車各部分改進(jìn)后的功能。

2.1 車身

由于車體質(zhì)量直接影響小車啟動難易程度、行走距離遠(yuǎn)近，故在車身部分做了一些改進(jìn)：小車底板原采用的是6 mm矩形鋁板，現(xiàn)改為厚度3 mm鋁板，為盡量去除多余部分形狀改為近三角形，這樣不僅質(zhì)量減輕，看起來也很美觀。

2.2 能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的功能是將重錘下降的勢能轉(zhuǎn)換成動能。其結(jié)構(gòu)包括：立柱、定滑輪支架、定滑輪、繞線輪、繞線繩。它的工作原理：在小車啟動前先將重錘升至立柱頂端，松開重錘小車啟動，在重錘下降過程中，重錘通過繞線繩、定滑輪、繞線輪帶動與繞線輪緊固配合的動力軸，在動力軸右側(cè)緊固安裝有大皮帶輪，在動力軸左側(cè)緊固安裝有飛輪，隨著重錘的下降，動力軸的旋轉(zhuǎn)，帶動大皮帶輪、飛輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)將勢能轉(zhuǎn)換成動能。該結(jié)構(gòu)在實(shí)際調(diào)試中出現(xiàn)的問題是重錘在下降過程中隨著小車的運(yùn)行重錘晃動比較大，從而影響小車運(yùn)行的穩(wěn)定性，極易造成跑偏和翻車現(xiàn)象。因此，將小車的立柱由原來的單根改成三根，三根立柱之間的距離以重錘剛好能夠通過即可，而且立柱的材質(zhì)選取質(zhì)量較輕的鋁合金，為增加其穩(wěn)定性每根立柱折成角鋁形。通過改進(jìn)重錘在下降過程中不再晃動，因此產(chǎn)生的跑偏和翻車現(xiàn)象消除了。

2.3 傳動機(jī)構(gòu)優(yōu)化

傳動機(jī)構(gòu)的主要功能是將動能傳遞給驅(qū)動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由主動輪、從動輪及皮帶組成。它的工作原理是當(dāng)重錘下降通過繞線繩帶動繞線輪轉(zhuǎn)動時，與繞線輪同在一軸的主動輪、飛輪與之一同運(yùn)轉(zhuǎn)，主動輪通過皮帶帶動小車后輪軸的上的從動輪，進(jìn)而驅(qū)動小車行走，飛輪通過銷釘驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制小車?yán)@障。該機(jī)構(gòu)在小車運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)皮帶打滑現(xiàn)象，為提高傳遞效率，將小車的皮帶傳動改為齒輪傳動，在齒輪材質(zhì)的選擇上，力求質(zhì)量更輕、耐磨性好、價格低廉，因此選擇了塑料齒輪。

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車的關(guān)鍵部分，它的性能好壞直接決定了小車能否成功繞障功能的實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組成包括：飛輪、銷釘、連桿、橫梁四部分。其中飛輪沿徑向方向上開有條形槽，在條形槽上配有銷釘，銷釘可以在條形槽內(nèi)滑動，銷釘與連桿相連，連桿上開有凹槽卡在橫梁上，橫梁貫穿于前叉軸。在實(shí)際調(diào)試過程中，連桿與橫梁是通過卡槽連接，間隙過小容易造成連桿與橫梁相互卡死，間隙過大轉(zhuǎn)向控制不準(zhǔn)確，況且連桿與橫梁實(shí)之間為滑動摩擦，在運(yùn)行過程中能量損失大，實(shí)踐證明該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，如圖4所示。原來的飛輪由于其主要功能就是將動力傳給連桿并實(shí)現(xiàn)連桿與動力軸半徑可調(diào)，現(xiàn)在將飛輪上的條形槽連同飛輪軸孔一同銑削下來變成曲柄，這樣既可以減重又可以節(jié)約裝配空間，效果較好。連桿由原來的有凹槽條形板改為組合件，即連桿由兩側(cè)的萬向節(jié)和中間帶有螺紋內(nèi)孔的鋁管連接而成，由于萬向節(jié)的使用既消除了間隙，又避免了連接件之間轉(zhuǎn)換角度不同步造成卡死現(xiàn)象。橫梁由原來的圓棒改為圖4中槽形結(jié)構(gòu)，當(dāng)連桿上的萬向節(jié)與橫梁通過銷釘連接時，銷釘在橫梁槽中位置可調(diào)，這樣在控制前輪擺角時更準(zhǔn)確、更精細(xì)。經(jīng)過改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，在軌跡控制精確程度方面有較大提高。

2.5 驅(qū)動機(jī)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要指小車兩后輪，由于小車需要繞障故而存在差速問題，因此在一側(cè)車輪裝有軸承作為從動輪，另一側(cè)車輪與軸緊固連接作為動力輪[5]。原來后輪采用直徑150 mm的棒料加工成厚度為8 mm的車輪，現(xiàn)改為由厚度僅有4 mm鋁板銑削而成，此舉在加工時省料省時，車輪直徑也由原來的145 mm改為200 mm，雖然車輪直徑增加了，但車輪質(zhì)量沒有增加，隨著車輪直徑的增大，在重錘下降同樣的高度小車會比原來走得更遠(yuǎn)。

2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)機(jī)構(gòu)在原小車中是指銷釘在飛輪條形槽內(nèi)的位置的移動，通過銷釘位置的改變來控制連桿半徑的大小，達(dá)到控制前輪擺角大小。改進(jìn)后的小車微調(diào)機(jī)構(gòu)包括兩部分：一是曲柄上的銷釘位置可調(diào)，功能與飛輪上的銷釘相同，另一處是連桿上的萬向節(jié)與橫梁銷釘連接處，通過移動橫梁上的銷釘位置可以調(diào)節(jié)小車?yán)@障間距。因此，改進(jìn)后的小車調(diào)節(jié)功能增強(qiáng)，在控制小車行走軌跡上變得更加精確。

3 無碳小車優(yōu)化前后對比

通過圖5和圖6 對比可以看出 ，前后兩車有明顯差別的地方體現(xiàn)在：立柱由單變?nèi)④嚭筝営尚∽兇?、皮帶傳動變齒輪傳動、飛輪變曲柄，橫梁由圓棒變槽形等，同時還可以看到改進(jìn)后的小車底盤更低，重錘停放位置也較低，使小車整體重心降低，增加了小車運(yùn)行穩(wěn)定性。車底板由矩形改為三角形鋁板、軸承座、車底板上打孔，這些小改動不僅可以給車體減重還使得加工變得容易。尤其是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，由原來轉(zhuǎn)向調(diào)控不準(zhǔn)確，到現(xiàn)在的無間隙軌跡精確調(diào)節(jié)，可以說在性能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

4 結(jié)束語

通過對無碳小車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強(qiáng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的能力。因此該新型無碳小車更適合理工科機(jī)械類專業(yè)學(xué)生研究與制作，不僅有利于學(xué)生理解機(jī)械原理中機(jī)構(gòu)間組合、配合和執(zhí)行件的運(yùn)動軌跡，以及機(jī)械設(shè)計中零件間的連接、潤滑、軸承壽命設(shè)計和傳動軸剛度、強(qiáng)度設(shè)計與校驗等理論知識在實(shí)際中的應(yīng)用，而且還可用做機(jī)械專業(yè)學(xué)生親自試驗、拆裝和調(diào)試的模型，從而加深對專業(yè)課知識的理解與運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張金玲，肖坤，邊普陽，等. “8”字型無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015（3）：69-72.

[2] 戴海燕，蔡鍇文，吳鈅烺，等. 基于工程訓(xùn)練的無碳小車的設(shè)計[J]. 汽車零部件，2014（11）：26-27.

[3] 姜帥琦. 基于無碳小車的優(yōu)化設(shè)計[J]. 硅谷，2014，23（5）：14-16.

[4] 徐巖. 基于工程訓(xùn)練大賽作品無碳小車進(jìn)行實(shí)物仿真的研究[J]. 現(xiàn)代企業(yè)教育，2011（21）：5.

[5] 徐巖，佟岳軍，陳彥國. 自動繞障無碳小車的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代企業(yè)教育，2012（8）：281.

Abstract： By evaluation and analysis to existing carbon free car， the car structure is optimized in order to achieve characteristics， such as simplest structure、lightest body、good manufacturability and operability etc. on the condition that the proposition requirement is met. Starting from car body，energy transformation mechanism，transmission mechanism，steering mechanism and drive mechanism etc.， this paper details the further optimized project and working principle for car structure re-design. Practice result shows that the overall performance of carbon free car was greatly improved after optimization， no matter in driving distance or bypassing obstacle. And this design optimization means guiding significance to practical training.

Key words： carbon free car； structure optimization； engineering practice ability

（責(zé)任編輯：徐興華）