無碳小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫秋霞

[摘 要]本文對(duì)小車驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了探究，有效解決了小車的平穩(wěn)運(yùn)行及自動(dòng)躲避障礙物等諸多問題，明確了小車設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計(jì)材料。設(shè)計(jì)出來的小車不但行駛非常平穩(wěn)、性能極其優(yōu)越，而且結(jié)構(gòu)還非常合理，達(dá)到了持續(xù)繞樁42圈的成果。

[關(guān)鍵詞]無碳小車 機(jī)械結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）10-0005-02

無碳小車根據(jù)目前工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注了調(diào)試的可靠性、制作的精確性、設(shè)計(jì)的精巧性等。根據(jù)我國(guó)無碳小車的設(shè)計(jì)要求，筆者對(duì)支持無碳小車正常運(yùn)行的機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過同其他一些類似小車模型進(jìn)行比較后可知，此小車的設(shè)計(jì)更重視結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和能力的應(yīng)用，所使用的搖桿機(jī)構(gòu)關(guān)系到很多數(shù)學(xué)理論，更加容易的控制小車轉(zhuǎn)彎，躲避障礙物，也就是整個(gè)小車質(zhì)量都有所降低。

一、設(shè)計(jì)小車的結(jié)構(gòu)

如圖1是由重力勢(shì)能來驅(qū)動(dòng)能夠控制方向的小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)小車轉(zhuǎn)向和行走過程中所花費(fèi)的能量按照能量轉(zhuǎn)換原理來分析，應(yīng)該是從重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲取的。假如重力勢(shì)能是5J，重力取值是10m/s2，小車在競(jìng)賽時(shí)需要承載一塊質(zhì)量是1千克質(zhì)量快行駛，并繞過事先布置的障礙物，障礙物沿直線一米布置1個(gè)，同時(shí)還確保質(zhì)量塊始終在車上[1]。在競(jìng)賽以后根據(jù)小車的行駛距離和所躲避的障礙物數(shù)量來對(duì)成績(jī)進(jìn)行評(píng)定。小車的行走路線具體如圖2。

二、設(shè)計(jì)動(dòng)力機(jī)構(gòu)

有很多方案都能夠把重塊所具有的重力勢(shì)能變成小車動(dòng)能，就可考慮是地面摩擦、設(shè)計(jì)材料、小車質(zhì)量等諸多因素的影響，因此一次又一次的進(jìn)行調(diào)試，為了使調(diào)試與更改變得更加方便筆者對(duì)繩輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用。繩輪機(jī)構(gòu)具體如圖3。

為了使能量損失被控制在最小范圍內(nèi)，筆者應(yīng)用了強(qiáng)度非常高的尼龍線。因?yàn)樾≤噷?shí)際行駛距離取決于繞線輪的具體轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，所以，為了使驅(qū)動(dòng)輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)更多的圈數(shù)，筆者便在驅(qū)動(dòng)輪與繞線輪間多設(shè)置了一組齒輪，轉(zhuǎn)動(dòng)和傳動(dòng)的比是12：23[2]。

繞線輪的主要作用就是把重力勢(shì)能變成動(dòng)能，繞線輪的實(shí)際粗細(xì)程度會(huì)應(yīng)用到小車的運(yùn)行速度與前進(jìn)距離。因?yàn)樾≤噭偲鸩綍r(shí)的狀態(tài)是加速的，當(dāng)增加到某速度時(shí)就會(huì)變成勻速運(yùn)行，所以，應(yīng)該選擇直徑大小不同的繞線輪，按照從大到小的順序進(jìn)行安排設(shè)計(jì)。

三、設(shè)計(jì)行駛機(jī)構(gòu)

小車在行駛過程中所受到的阻力主要來自于地面和驅(qū)動(dòng)輪間的摩擦，所以，應(yīng)該選取良好的車輪材料，讓其與地面間摩擦減少，進(jìn)而使小車行駛更遠(yuǎn)的距離，筆者選擇了硬鋁來制作車輪。

在剛度得到保證的同時(shí)，可以應(yīng)用設(shè)置減重控這種方式來減小質(zhì)量。因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪直徑的大小情況會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪周期和地面摩擦力造成影響，而開始設(shè)計(jì)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的直徑是122毫米，通過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)因?yàn)槭艿皆牧系挠绊?，小車?shí)際行駛時(shí)加速度非常大，發(fā)生了左右搖擺的現(xiàn)象，最后通過研究和探討筆者把車輪直徑定為了155毫米后再次試驗(yàn)，小車可以平穩(wěn)行駛[3]。驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)如圖4。

因?yàn)樾≤囋谛旭傔^程中需要轉(zhuǎn)彎，所以按照動(dòng)力方向差別，在轉(zhuǎn)彎時(shí)兩個(gè)后輪間表現(xiàn)出不同的速度。因此，應(yīng)將小車的左輪設(shè)作驅(qū)動(dòng)輪，把右輪設(shè)作自由輪，進(jìn)而使小車能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

四、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

開始轉(zhuǎn)向動(dòng)力通過齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，由于通常情況下，齒輪在機(jī)械傳動(dòng)當(dāng)中可以起到非常高的傳動(dòng)效率，可是將其應(yīng)用到實(shí)踐中會(huì)發(fā)現(xiàn)，利用齒輪傳動(dòng)很難對(duì)小車的實(shí)際行走周期進(jìn)行調(diào)整，通過大量的探究和實(shí)踐最后筆者對(duì)摩擦傳動(dòng)進(jìn)行了引用，也就是利用圓盤和橡膠圈間的摩擦力為圓盤提供驅(qū)動(dòng)力，這樣就能通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪直徑來對(duì)小車具體行走周期進(jìn)行調(diào)整。

一般情況下小車轉(zhuǎn)向是由曲柄遙桿控制的，如圖5。轉(zhuǎn)向時(shí)一定要保證小車是根據(jù)1米繞一樁的需要行駛的，這就需要將轉(zhuǎn)向角調(diào)整到最大，而最大角是由連桿長(zhǎng)度、搖桿長(zhǎng)度、曲柄長(zhǎng)度等諸因素一同決定的。為了可以自由的進(jìn)行調(diào)節(jié)，其一，明確曲柄的實(shí)際長(zhǎng)度，之后把搖桿和連桿的長(zhǎng)度設(shè)成能夠進(jìn)行調(diào)整的。通常情況下可以應(yīng)用細(xì)調(diào)與錯(cuò)調(diào)這兩種方式來調(diào)節(jié)連桿的長(zhǎng)度，也就是在連桿一頭設(shè)置曲柄和定位孔以進(jìn)行粗調(diào)，在另外一頭利用螺紋來連接并進(jìn)行細(xì)調(diào)，同時(shí)還可以通過改變螺紋的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度來對(duì)連桿長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而滿足需求。

在平面的曲柄搖桿這個(gè)機(jī)構(gòu)當(dāng)中，傳動(dòng)性能由傳動(dòng)角γ決定。為了讓機(jī)構(gòu)可以具備非常好的性能，最小傳動(dòng)角一定要比允許值大。

根據(jù)最小傳動(dòng)角來對(duì)行程速比進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照已知的φ、ɑ1、γmin、β角，之后在查表的基礎(chǔ)上根據(jù)以下公式對(duì)搖桿與連桿的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。

其中b代表連桿的長(zhǎng)度；c代表搖桿的長(zhǎng)度；d代表機(jī)架的長(zhǎng)度；φ代表搖桿C間的夾角。經(jīng)過計(jì)算可知機(jī)構(gòu)a、b、c、d的尺寸分別是29毫米、193毫米、75毫米、190毫米。

五、對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)

通常情況下很多因素都會(huì)對(duì)小車穩(wěn)定性造成影響，其中對(duì)小車穩(wěn)定性影響較大的因素包括：整體重心高度、地板結(jié)構(gòu)、支撐架剛度[4]。

小車在進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時(shí)候，重塊將會(huì)來回晃動(dòng)，假如不能將支撐架固定，那么小車重心就很容易發(fā)生偏移，然后就會(huì)對(duì)小車的摩擦力和壓力造成影響，還極有可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻的情況，這不但使小車失去了穩(wěn)定性，還使小車消耗掉大量的能量，所以，一定要對(duì)小車支撐架進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

支架不能與質(zhì)量輕、彈性小和強(qiáng)度高的一些原材料接觸，因此在彎矩處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使誤差被控制在最小范圍內(nèi)，進(jìn)而使小車穩(wěn)定性得到保障。

六、對(duì)地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)

實(shí)際上地板主要就是通過和其余一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，進(jìn)而起到承載小車的作用，是無碳小車主要的組成部件，所以，一定要對(duì)地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)、巧妙、合理的設(shè)計(jì)。因?yàn)樾≤嚥恍枰休d過重的東西，所以可以把地板設(shè)計(jì)成一個(gè)簡(jiǎn)單的框式結(jié)構(gòu)，為了防止因?yàn)榈匕逭駝?dòng)而損失掉大量的能量，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)T型的邊框橫截面，通常邊框?qū)挾葢?yīng)該是12毫米，厚度應(yīng)該是6毫米，這樣就能夠保證小車具有極強(qiáng)的剛度。

一般，兩個(gè)后輪間的實(shí)際距離是有底板寬度來決定的，因?yàn)樾≤囀冀K都處在曲線運(yùn)行的狀態(tài)上，所以，小車在行走的過程中兩個(gè)后輪的速度是不一樣的。假如軸距非常小，那么小車在運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性就無法得到保證，假如軸距非常大，那么就很難進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作。因此，在對(duì)以上這些因素進(jìn)行綜合考了后，筆者把底板寬度定位110毫米，長(zhǎng)度定位230毫米。小車的地板結(jié)構(gòu)如圖6。

重塊的實(shí)際落差是520毫米，為了可以使小車的中心降低，所以重塊的實(shí)際起重高度一定不能過高，這就需要把重塊托盤安裝到底板下邊，也就是安置在曲柄機(jī)構(gòu)的上邊，而托盤應(yīng)該被設(shè)計(jì)成為鏤空的結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用螺栓將其四個(gè)頂角固定在底板上，以防止小車在行駛過程中托盤脫落。

結(jié)語：

上文在對(duì)無碳小車進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要應(yīng)用了繞線線牽的方式來促使驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)用摩擦傳動(dòng)來促進(jìn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)作，應(yīng)用曲柄搖桿來控制前輪轉(zhuǎn)向。通過大量的實(shí)踐可以充分證實(shí)，筆者設(shè)計(jì)的無碳小車結(jié)構(gòu)非常的巧妙、合理、科學(xué)，并且性能還非常優(yōu)越，使小車在行駛過程中能夠達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行，打破了歷史上的繞樁記錄，可以稱作是一個(gè)完美的設(shè)計(jì)。

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