“S”無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

劉旭勤

摘 要：全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng)。利用重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車，需驅(qū)動(dòng)小車行走和轉(zhuǎn)向。本文以全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)爭(zhēng)中的“S型無(wú)碳小車”設(shè)計(jì)為例，介紹了小車的設(shè)計(jì)方案及主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并針對(duì)理論設(shè)計(jì)方案的不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化后的小車，能夠最大程度地滿足競(jìng)賽的要求，為今后小車的設(shè)計(jì)及調(diào)試提供了指導(dǎo)意義，也為相關(guān)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)碳小車設(shè)計(jì)；能量轉(zhuǎn)換；方向控制；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： V462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2017）06-156-2

1 無(wú)碳小車研究意義

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng)，是基于國(guó)內(nèi)各高校綜合性工程訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)，為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開展的一項(xiàng)公益性科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。

開展大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽旨在促進(jìn)各高校提高工程實(shí)踐和工程訓(xùn)練教學(xué)改革和教學(xué)水平，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)、綜合工程應(yīng)用能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)與綜合能力的培養(yǎng)、理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，養(yǎng)成良好的學(xué)風(fēng)，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。

2 無(wú)碳小車設(shè)計(jì)的要求

競(jìng)賽要求設(shè)計(jì)一種小車，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。該給定重力勢(shì)能由競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來(lái)獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。

在比賽中要求小車在行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來(lái)源的能量。小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。小車為三輪結(jié)構(gòu)。其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外二輪為行進(jìn)輪，允許二行進(jìn)輪中的一個(gè)輪為從動(dòng)輪。小車在1000±200～300mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)“S”型賽道第一輪障礙物間距變化值和變化方向。

競(jìng)賽中小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物，賽道寬度為2m，障礙物為直徑20mm、高200mm的圓棒，沿賽道中線從距出發(fā)線1m處開始按間距1m擺放，擺放完成后，將偶數(shù)位置的障礙物按抽簽得到的礙物間距變化值和變化方向進(jìn)行移動(dòng)（正值遠(yuǎn)離，負(fù)值移近），形成的即為競(jìng)賽時(shí)的賽道。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來(lái)評(píng)定成績(jī)。

3 無(wú)碳小車設(shè)計(jì)方案

根據(jù)競(jìng)賽要求分析，可以知道無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何將重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)小車行走的距離最長(zhǎng)和小車前行時(shí)如何避開道路上設(shè)置的障礙物。設(shè)計(jì)思路為：查閱相關(guān)資料，擬定將給定重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的結(jié)構(gòu)和小車自動(dòng)避障的機(jī)構(gòu)，確定小車一個(gè)周期行進(jìn)的路線和長(zhǎng)度，確定后輪尺寸和前后輪的傳動(dòng)比，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，小車車架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，小車各零件的設(shè)計(jì)（包括材料和結(jié)構(gòu)），主要零件配合部分尺寸及公差的確定、形狀、位置的確定。

由于是第一次制作，很多因素?zé)o法預(yù)知，我們考慮相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)方案，重物下落時(shí)直接帶動(dòng)小車行走，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，成本也較低。繞在小車軸上線的一端通過(guò)定滑輪連接在重物上，重物下落直接通過(guò)繩子帶動(dòng)小車前行。為了避免重物下落時(shí)因?yàn)樾≤嚨男凶叨鴶[動(dòng)，影響小車行進(jìn)的軌跡，甚至使小車傾翻，因此在小車上設(shè)計(jì)了阻止小車擺動(dòng)的3根豎桿，3根豎桿由套圈固定，桿與下落重物圓周相切，形成一個(gè)圓柱形狀，使之下落穩(wěn)定。

小車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方面，采用較簡(jiǎn)單的直齒齒輪傳動(dòng)，由于下落高度只有400±2mm，要想跑的遠(yuǎn)，要么加大驅(qū)動(dòng)輪直徑，要么增加傳動(dòng)比。綜合考慮，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)采用空間四桿機(jī)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目要求分析可知小車的前進(jìn)路線，我們可以將它近似地看成余弦函數(shù)

y=Acosωx

其中，A為振幅，ω為頻率。函數(shù)的圖像就類似于小車前進(jìn)的路線，如圖1所示。

3.1 傳動(dòng)比的確定

按照理想化的思想，傳動(dòng)比越大，小車能跑得越遠(yuǎn)，但是考齒輪減速比太大，會(huì)造成大齒輪直徑過(guò)大，使小車結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，重心會(huì)產(chǎn)生偏移，從而運(yùn)動(dòng)過(guò)程容易翻車，因此按照傳動(dòng)比的選擇原則，同時(shí)考慮到小車在行駛時(shí)要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確和加工工藝性，將傳動(dòng)比初步確定為1：4，大齒輪齒數(shù)為80，小齒輪齒數(shù)為20。設(shè)定小車軌跡中線與小車?yán)硐胲壽E的最大偏移量為 300mm，根據(jù)扇形計(jì)算公式計(jì)算得出小車沿弧線行走距離約為 2450m。由上分析可以確定小車后輪的理論直徑為190。

3.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定直接影響到小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性和行走路線的準(zhǔn)確性，因此，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的選擇是無(wú)碳小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，這直接決定著無(wú)碳小車的使用功能。我們考慮用四桿機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為小車轉(zhuǎn)向地來(lái)回?cái)[動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)拐彎避過(guò)障礙物的功能?？紤]到障礙物不是固定的距離，設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)向盤作為短桿，轉(zhuǎn)向盤沿直徑方向開一字槽，用于調(diào)節(jié)短桿長(zhǎng)度。連桿也必須可調(diào)，用于調(diào)節(jié)前輪左右擺角的對(duì)稱性，可將連桿做成兩段，通過(guò)螺紋連接進(jìn)行調(diào)整。3.3 繞線輪的設(shè)計(jì)

由于小車運(yùn)行驅(qū)動(dòng)要考慮自重及車輪材料、行進(jìn)賽道的摩擦系數(shù)等因素，具體要求如下：驅(qū)動(dòng)力要適中，使小車既能順利啟動(dòng)，又不至于因小車加速使其在拐彎時(shí)速度過(guò)快而引起傾翻。

我們要控制重物下落的速度，使重物的勢(shì)能盡可能地轉(zhuǎn)化為小車的動(dòng)能，讓小車平穩(wěn)勻速的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到運(yùn)行更遠(yuǎn)的目標(biāo)。

由于影響小車運(yùn)動(dòng)的因素較多，最直接的就是賽道的摩擦系數(shù)，在不同材料的賽道上面無(wú)小車需要的驅(qū)動(dòng)力是不一樣的。在賽道確定前，是不知道需要多大的驅(qū)動(dòng)力才能恰到好處。因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還需要能根據(jù)不同的需要調(diào)整其驅(qū)動(dòng)力，即調(diào)整繞線輪的大小。

重物下落是加速的，如果我們?cè)O(shè)計(jì)的繞線輪沒(méi)有錐度，小車的驅(qū)動(dòng)力恒定的情況下，小車也會(huì)加速。速度不斷增加，會(huì)引起小車在轉(zhuǎn)彎處側(cè)翻，因此，考慮繞線輪做成圓錐形狀。

為了達(dá)到上面的要求，我們根據(jù)小車各部分材料，估算出小車的質(zhì)量為2.5kg，車輪和賽道摩擦系數(shù)0.08，可以估算出小車驅(qū)動(dòng)輪的最小驅(qū)動(dòng)直徑為38mm，取 40mm。

4 方案的優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，我們制作出了小車，并進(jìn)行了實(shí)際試跑。從中我們發(fā)現(xiàn)了以下主要問(wèn)題：實(shí)際跑動(dòng)距離比理論距離相差甚遠(yuǎn)；小車運(yùn)行軌跡基本與理論相符，但轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性很差。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們對(duì)小車進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

對(duì)問(wèn)題1的改進(jìn)：按照設(shè)計(jì)方案，我們把兩個(gè)后輪都做成主動(dòng)輪，這樣會(huì)大大增加其與賽道的摩擦，直接導(dǎo)致能量損耗過(guò)大，跑動(dòng)距離就短。優(yōu)化后將其中一個(gè)后輪做成被動(dòng)輪，再次試跑效果明顯。

對(duì)問(wèn)題2的改進(jìn)：小車運(yùn)行過(guò)程中，前輪輪叉剛性不足是跑動(dòng)不穩(wěn)定的主要原因，我們初始方案使用的材料為3D打印的ABS，直徑也很小，故出現(xiàn)不穩(wěn)定的問(wèn)題。優(yōu)化后采用鋁材制造，再次試跑效果明顯。

優(yōu)化后小車與地面摩擦減小，我們又對(duì)驅(qū)動(dòng)線輪進(jìn)行修改，最后車驅(qū)動(dòng)輪的最小驅(qū)動(dòng)直徑為15mm。

5 總結(jié)

本文介紹了S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無(wú)碳小車設(shè)計(jì)研究的意義，并介紹了總體設(shè)計(jì)方案和分析了主要部件的設(shè)計(jì)方法，并針對(duì)原方案的不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)。從設(shè)計(jì)到制作，利用現(xiàn)代工程原理，很好的解決能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。小車經(jīng)過(guò)調(diào)試后，運(yùn)行平穩(wěn)、勻速。小車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)軌跡完全符合賽道的要求，相信能取得不錯(cuò)的成績(jī)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽[EB/OL].http：//www.gcxl.edu.cn/html/history/.

[2] 魏朗，余強(qiáng).現(xiàn)代最優(yōu)化設(shè)計(jì)與規(guī)劃方法[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3] 郭衛(wèi)東主編.機(jī)械原理[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].8版：北京高等教出版社，2006.

[5] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.