應用轉(zhuǎn)向梯形的雙前輪無碳小車創(chuàng)新設計及優(yōu)化

摘 要：為了提高大學生科技創(chuàng)新及工程實踐能力，參加大學生工程訓練綜合能力競賽，設計了一種利用重物下降勢能通過曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動小車轉(zhuǎn)向并沿S形自動繞樁的無碳小車。提出了采用轉(zhuǎn)向梯形的雙前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，巧妙地避免了小車繞樁時的差速問題，參考汽車轉(zhuǎn)向梯形，最大程度上減小了由于前輪轉(zhuǎn)向半徑不同所產(chǎn)生的側(cè)滑現(xiàn)象。文章對轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設計及計算進行了分析推導，并采用MATLAB進行計算及仿真分析優(yōu)化，利用有限的勢能，使小車盡可能準確繞過最多樁數(shù)，行駛距離最遠。

關(guān)鍵詞：無碳小車；轉(zhuǎn)向梯形；尺寸鏈計算；曲柄滑塊機構(gòu)

1 概述

為了提高大學生科技創(chuàng)新與實踐動手能力，由北京市教育部財政部資助的一項綜合性工程訓練能力競賽，鼓勵學生以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車為載體進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計，小車需要沿s形繞過不同間距（70cm～130cm）的樁桿，以行走最遠距離和最多繞樁數(shù)為目標。經(jīng)過三屆國賽和四屆北京市比賽，出現(xiàn)了多種多樣的設計，主要有曲柄滑塊機構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)、凸輪滑塊轉(zhuǎn)向機構(gòu)、空間連桿機構(gòu)[1]-[5]，小車都是以一個前輪進行轉(zhuǎn)向，兩個后輪行走的三輪結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)都存在一個問題，即小車轉(zhuǎn)向過程中左右后輪轉(zhuǎn)速不同，需要采用差速器或采用單輪驅(qū)動另一個輪子自由轉(zhuǎn)動。采樣差速器結(jié)構(gòu)復雜，成本高，單輪驅(qū)動則容易側(cè)滑。針對小車設計要求及行進特點，本文提出了三種雙前輪轉(zhuǎn)向單后輪行走的曲柄滑塊機構(gòu)小車，巧妙地解決了小車轉(zhuǎn)向時的差速問題，并設計了兩種連桿機構(gòu)形成轉(zhuǎn)向梯形，減小了小車側(cè)滑。

2 傳動鏈設計

小車的動力來自重物下降過程中勢能轉(zhuǎn)化為動能，重物通過繩子向繞繩軸施加拉力帶動其旋轉(zhuǎn)，采用齒輪傳動帶動后輪行走，同時驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向。小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)設計方案多種多樣，采用最多的是連桿機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，效率高，但連桿尺寸需要經(jīng)過精確計算，微小偏差都會帶來小車軌跡偏斜及運動的不靈活。項目采用了曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，運動精度較高，尺寸鏈計算簡單，提出了三種方案，平行連桿機構(gòu)、六桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形及四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形。參考汽車轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向梯形原理即各個車輪的軸線相交于一點便可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向時車輪只發(fā)生純滾動而不會打滑，設計了兩種采用轉(zhuǎn)向梯形理論的前輪轉(zhuǎn)向方案[6][7]。（1）平行連桿機構(gòu)如圖1所示，繞繩軸通過十字導軌滑塊機構(gòu)前后移動，驅(qū)動中間軸旋轉(zhuǎn)，通過連桿機構(gòu)同時帶動左右輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)往復轉(zhuǎn)向[8][9]。該方案經(jīng)試驗后發(fā)現(xiàn)要保證左右輪轉(zhuǎn)向的同步性需要連桿機構(gòu)的加工精度非常高，且容易側(cè)滑。（2）六桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形。如圖2所示，十字導軌的前后移動帶動右前輪轉(zhuǎn)動，右前輪通過連桿機構(gòu)帶動左前輪同步轉(zhuǎn)向。該機構(gòu)加工簡單，效率高，但要實現(xiàn)同步精確轉(zhuǎn)向，計算較復雜。（3）四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形 如圖3所示，通過曲柄滑塊機構(gòu)帶動十字導軌前后移動，導軌上安裝有連桿，驅(qū)動右前輪轉(zhuǎn)向，左前輪與右前輪采用四桿機構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)向梯形，帶動左邊前輪同步轉(zhuǎn)向。該方案計算、加工簡單，效率高，傳動精確，同步性好，可以有效避免小車轉(zhuǎn)向過程中的側(cè)滑。經(jīng)過以上分析，項目采用了方案三中的四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形設計。

為了使結(jié)構(gòu)緊湊，運動平穩(wěn)，為方案三中的右前輪驅(qū)動采用了齒輪齒條轉(zhuǎn)向驅(qū)動機構(gòu)[10]，如圖4所示，與導軌連接的連桿換為齒條，通過與齒輪嚙合驅(qū)動前輪進行轉(zhuǎn)向，并且設計了中心距微調(diào)機構(gòu)，調(diào)節(jié)齒條位置以保證前輪左右擺動時保持對稱。整車示意圖如圖5所示。

圖4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向驅(qū)動機構(gòu)

3 小車結(jié)構(gòu)尺寸計算

小車結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如6所示。

當重物下降dh驅(qū)動軸即繞繩軸轉(zhuǎn)過的角度為dθ1，則有：

y0=A，A為幅值，兩個相鄰的x值為樁距p。在此A為定值，p為可調(diào)的值（0.5～1.0）m

尺寸鏈計算公式推導[11]：

5 結(jié)束語

項目對無碳小車在轉(zhuǎn)向差速及側(cè)滑問題上進行了深入思考，對其轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行了創(chuàng)新設計，提出了平行連桿機構(gòu)、六桿轉(zhuǎn)向梯形及四桿轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)，對其進行了分析，并對采用四桿轉(zhuǎn)向梯形的整車尺寸鏈進行了分析，應用matlab進行了仿真分析優(yōu)化，得到了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)了樁距0.7m～1.3m可調(diào)的重物驅(qū)動自動轉(zhuǎn)向小車，可以實現(xiàn)31根樁的精確繞樁。

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作者簡介：孟玲霞（1980-），女，漢族，山西永濟人，碩士研究生，實驗師，主要研究方向為機械設計制造及其自動化。