基于工程訓(xùn)練自控小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

黃 翔，元二波，許童童，王康民，劉紅霞，張翔宇

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

基于工程訓(xùn)練自控小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

黃 翔，元二波，許童童，王康民，劉紅霞，張翔宇

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的設(shè)計(jì)作品為無碳小車，在往屆的題目上加入了“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車越障競(jìng)賽”，保留了重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的特點(diǎn)，增加了自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能（以下簡(jiǎn)稱為“自控小車”）。一般的自控小車行走距離30 m左右，避障10多個(gè)（比賽賽道1圈多一些），而使用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的控能機(jī)構(gòu)后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最高值可以行走80 m左右，避障30多個(gè)（比賽賽道可以行走2.8圈）。簡(jiǎn)要探討自控小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以期為日后的相關(guān)研究提供參考。

無碳小車；自控小車；控能裝置；單向軸承

此賽題是2017年全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽提出的，在往屆工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“無碳小車”命題基礎(chǔ)上修改的，保留了重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的特點(diǎn)，增加了自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能，賽道也有所改變。賽道簡(jiǎn)圖如圖1所示。競(jìng)賽時(shí)，統(tǒng)一用質(zhì)量為1 kg的重塊（Φ（50×65） mm，普通碳鋼）鉛垂下降，獲得動(dòng)力，落差為（400±2）mm，重塊下落是唯一的動(dòng)能來源，小車上安裝的電控裝置必須確保不能增加小車的行進(jìn)能量。比賽題目規(guī)定小車為三輪結(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，小車應(yīng)具有賽道障礙識(shí)別、軌跡判斷、自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能和制動(dòng)功能，這些功能可以由機(jī)械或電控裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不允許使用人工交互遙控。

圖1 賽道簡(jiǎn)圖

1 自控小車設(shè)計(jì)方案

根據(jù)比賽規(guī)則，由賽道簡(jiǎn)圖可以分析出，小車在半圓弧賽道，行走方式與“8字”小車相似；在避障賽道，行走方式大體與“S”小車相似；再加上賽道有1/2的直線跑道，3 m左右的上下坡跑道。因此，在設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)充分考慮小車在各個(gè)賽道段的運(yùn)動(dòng)分析、受力分析和理論行走距離分析等。經(jīng)分析計(jì)算，要使小車平穩(wěn)運(yùn)行，小車至少應(yīng)具有五大關(guān)鍵組成部分，即傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、電控裝置、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和重物支撐部件，還應(yīng)具有某些附屬部件，具體如圖2所示。

1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)主要是將重物下落過程中產(chǎn)生的動(dòng)能通過機(jī)構(gòu)能量的轉(zhuǎn)換傳遞給車輪部分。經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換，能量必然有損失，所以，采用傳動(dòng)效率較高的一級(jí)齒輪（漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪）傳動(dòng)。競(jìng)賽文件[1]中指明要求2個(gè)行進(jìn)輪用1.5 mm厚度的鋼板或可用激光切割加工且不超過8 mm厚度的非金屬板制作。理論上行進(jìn)輪的大小會(huì)直接影響行走距離，行進(jìn)輪越大，理論行走距離越遠(yuǎn)，但行進(jìn)輪太大有以下幾點(diǎn)壞處：①在激光切割時(shí)，就容易發(fā)生變形；②輪子太大，勢(shì)必抬高軸承支座高度，使小車整體重心上移，影響小車的平穩(wěn)性；③輪子太大，小車速度緩慢，對(duì)自控小車的上坡不利；④輪子太大，會(huì)影響小車避障性能。

綜合考慮以上影響要素，應(yīng)合理選擇輪徑，選擇合理的雙聯(lián)輪（具有傳動(dòng)比的定滑輪）傳動(dòng)比，配合合理的繞線輪加大起步扭力，讓小車在短時(shí)間完成起步、加速的動(dòng)作，以便上坡。將小車的行進(jìn)輪設(shè)計(jì)為單輪驅(qū)動(dòng)，作為差速結(jié)構(gòu)，可以避免在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生打滑現(xiàn)象。

圖2 小車軸測(cè)圖

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)自控小車前進(jìn)時(shí)，采用前輪導(dǎo)向，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車行走時(shí)最重要的一部分。在設(shè)計(jì)制作時(shí)，應(yīng)考慮小車在碰撞后而不易損壞的問題。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)要盡可能滿足減少摩擦阻力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏轉(zhuǎn)動(dòng)和與電子元器件配合無干涉（漏電）等條件。該車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足在賽道任意合理的變化下完成行走的要求。

表1 上坡消耗的能量（單位：mm）

2 自控小車的控能設(shè)計(jì)（創(chuàng)新設(shè)計(jì)）

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，自控小車在上坡時(shí)所耗費(fèi)的能量是最多的，具體數(shù)據(jù)值如表1所示，但上坡后，小車到達(dá)坡頂，小車馬上會(huì)進(jìn)入下坡。根據(jù)能量守恒定律，小車上坡消耗多少能量，如果不計(jì)摩擦消耗，小車下坡就能省多少能量，所以，在小車下坡時(shí)，不提供能量，小車也會(huì)自己行走，而且能行走很長(zhǎng)的一段距離。通過上述設(shè)想，設(shè)計(jì)出控能裝置，控能裝置可以使砝碼在下坡時(shí)不繼續(xù)下落，不能提供能量，完全符合賽題要求?？啬苎b置是由機(jī)械部分和電子元器件組成，主要零件由棘輪、舵機(jī)、單向軸承和陀螺儀等組成。圖3為控能裝置的示意圖。

3 調(diào)試過程中遇到的問題及其解決措施

調(diào)試過程是一個(gè)漫長(zhǎng)而又煩瑣的過程，是校驗(yàn)整個(gè)小車的設(shè)計(jì)和制作的過程。當(dāng)小車行走直線賽道時(shí)，紅外傳感器采集兩邊電壓值，將信號(hào)反饋到單片機(jī)上，單片機(jī)向前輪舵機(jī)發(fā)出指令，使小車在賽道中間行走。小車上坡前，如果傳感器位置不合理，紅外傳感器會(huì)將坡道視為障礙，在坡前轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致小車側(cè)翻或上坡失敗。這時(shí)，陀螺儀應(yīng)檢測(cè)到角度變化，鎖住棘輪，使繞線輪不動(dòng)，小車會(huì)由慣性下坡，小車下坡后，小車的速度會(huì)非?？欤瑏淼?80°圓弧賽道時(shí)，因重物砝碼還在200多毫米的位置，而轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)提前平緩轉(zhuǎn)動(dòng)，否則很容易造成側(cè)翻。來到避障賽道，障礙交錯(cuò)擺放，小車采集障礙物距離，做出判斷，棘輪在指定時(shí)間內(nèi)打開，小車?yán)^續(xù)行進(jìn)。自控小車上安裝控能機(jī)構(gòu)，行走距離大幅度上升，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最高值可行走80 m左右，過30多個(gè)障礙（比賽賽道2.8圈）。

圖3 控能裝置示意圖

［1］全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽秘書處.第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽（合肥賽）命題說明及實(shí)施方案［S］.2016-06-07.

［2］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)（Ⅰ）［M］.第7版.北京：高等教育出版社，2009.

［3］郭剛.基于TRIZ理論的無碳小車創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（8）：31-33.

［4］張杰，譚晨佼，朱建鑫.基于工程訓(xùn)練的無碳小車變距行走的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2016（2）：26-28.

［5］張春林，曲繼芳，張美麟.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.119

2095－6835（2018）02－0119－02

黃翔（1994—），男，浙江寧波人，本科生，主修專業(yè)為機(jī)械制造設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。元二波（1994—），男，山西晉城人，本科生，主修專業(yè)為機(jī)械工藝技術(shù)。許童童（1996—），女，河南焦作人，本科生，主修專業(yè)為機(jī)械工藝技術(shù)。

白潔〕