雙“8”字形無炭小車純機(jī)械設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練競(jìng)賽中雙“8”字形無炭小車比賽要求，設(shè)計(jì)一種通過重力驅(qū)動(dòng)的純機(jī)械無炭小車機(jī)構(gòu)，使其具有周期性的穿越所要求障礙功能。本文利用solidworks軟件設(shè)計(jì)出無炭小車的各個(gè)機(jī)構(gòu)模型，并利用Admas軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過調(diào)節(jié)各結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其滿足比賽要求并制作實(shí)踐。實(shí)踐結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的無炭小車形勢(shì)穩(wěn)定，并能按照所要求軌跡可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：無炭小車；軌跡；運(yùn)動(dòng)仿真；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)第六屆工程訓(xùn)練大賽的要求，設(shè)計(jì)并制作了一種無炭小車機(jī)械結(jié)構(gòu)，小車將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化了動(dòng)能并驅(qū)動(dòng)小車按照雙“8”形軌跡穩(wěn)定前行。[1]如圖1所示為小車設(shè)計(jì)整體圖，小車為三輪結(jié)構(gòu)。其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外兩輪為行進(jìn)輪，允許兩行進(jìn)輪中的一個(gè)輪為從動(dòng)輪小車，小車應(yīng)具有相應(yīng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使其能夠繞中線上的三個(gè)障礙樁（3個(gè)障礙樁沿中線放置，障礙樁為直徑20mm、長200mm的3個(gè)圓棒，兩端的樁至中心樁的距離為350±50 mm）按雙“8”字型軌跡循環(huán)運(yùn)行。

小車所要完成上述功能將小車化為四個(gè)部分進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行走與微調(diào)系統(tǒng)。[2]

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)無炭小車越過障礙物所走軌跡圈數(shù)多少作為設(shè)計(jì)成功與否的標(biāo)志，因此怎樣提高能量利用率是一個(gè)至關(guān)重要的設(shè)計(jì)難題。

由于固定的傳動(dòng)比關(guān)系，重物下降的速度和前輪及其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角速度與小車前進(jìn)的速度成正比，[3]而小車前進(jìn)的越快，重物的下降速度也會(huì)越快，重物的動(dòng)能越大，前輪及其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角速度也會(huì)越大，動(dòng)能增大，由于小車下落到小車底盤上面，重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為小車底板的彈性勢(shì)能能量完全損失。據(jù)此，設(shè)計(jì)出如圖2所示的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本次設(shè)計(jì)采用細(xì)線繞過滑輪與重物相連并繞于繞線輪上，重物下落時(shí)驅(qū)動(dòng)繞線輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)此輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)從而為小車提供動(dòng)力，其中支撐架用于限制重物擺動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)采用繞線驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)摩擦力大，因此設(shè)計(jì)繞線軸的半徑較大。啟動(dòng)后繞線軸半徑不變，扭力和阻力平衡，小車勻速前進(jìn)。結(jié)束時(shí)半徑再次變小，拉力不足，小車減速運(yùn)動(dòng)，重物也減速下降。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)直接決定小車功能的實(shí)現(xiàn)，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。需要滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可微調(diào)、摩擦小等基本條件，[4]同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為來回的擺動(dòng)，使轉(zhuǎn)向輪帶動(dòng)小車實(shí)現(xiàn)雙“8”字運(yùn)動(dòng)。

考慮到制造的方便、精確，接觸面易于潤滑的優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用槽輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，搖桿兩端裝上關(guān)節(jié)軸承以進(jìn)一步減小摩擦，增加運(yùn)動(dòng)范圍，據(jù)此設(shè)計(jì)出如圖3所示的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

由圖3所示，8字無碳小車的轉(zhuǎn)向頻率低、傳遞力小、慣性較小，故采用槽輪機(jī)構(gòu)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相連以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲柄的間歇驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)前輪走出合理的雙“8”字軌跡。

3 行走機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)

3.1 行走系統(tǒng)

因?yàn)樾≤囀茄刂p“8”字軌跡前行，兩后輪必定會(huì)速度差。故采用單輪驅(qū)動(dòng)，前輪導(dǎo)向輪，另一個(gè)后輪為從動(dòng)輪，其設(shè)計(jì)如圖5所示。從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的摩擦約束力調(diào)節(jié)。

3.2 微調(diào)系統(tǒng)

微調(diào)系統(tǒng)用于控制與修正小車行走軌跡。本次設(shè)計(jì)通過兩次微調(diào)過程，即與驅(qū)動(dòng)齒輪相連的連桿與曲柄安裝位置可調(diào)控制曲柄長度達(dá)到微調(diào)，同時(shí)可調(diào)節(jié)螺桿長度，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)行軌跡的控制。通過螺栓在搖桿上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)前輪擺動(dòng)角度的微調(diào)。由于關(guān)節(jié)軸承的存在實(shí)現(xiàn)了連桿與曲柄、搖桿無間隙連接，但由于各部件加工誤差和裝配誤差，在實(shí)際調(diào)試過程中，還需反復(fù)調(diào)整，總結(jié)出自己的發(fā)車規(guī)律。微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖5所示。

4 Admas運(yùn)動(dòng)仿真與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果對(duì)比

通過以上分析設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適用的雙“8”字型無碳小車，并利admas軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，通過控制不同的參數(shù)（包括車輪直徑，傳動(dòng)比等），可得到如圖7仿真結(jié)果。

由圖6仿真結(jié)果可知，車輪直徑和傳動(dòng)比影響雙“8”字軌跡的大小，且直徑越大，傳動(dòng)比越小其軌跡曲度越小，且取極限值時(shí)即最小雙“8”字時(shí)，左右端點(diǎn)距離為825mm，上下端點(diǎn)距離為215mm。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)雙“8”字無炭小車進(jìn)行理論分析，并對(duì)其各組成系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用admas軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得出影響小車行走軌跡曲度的參數(shù)和因素。

通過對(duì)小車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試分析，使其走出穩(wěn)定的雙“8”字軌跡，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量其左右端點(diǎn)距離為819mm，上下端點(diǎn)距離為224mm，與Adams分析結(jié)果相符合。由此可知，通過對(duì)無炭小車建模與Admas仿真，可在小車尚未制作前提供理論設(shè)計(jì)和指導(dǎo)，以準(zhǔn)確的模擬出相關(guān)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴海燕，蔡鍇文，吳鈅烺，鄒偉輝.基于工程訓(xùn)練的無碳小車的設(shè)計(jì)[J].汽車零部件，2014（11）：2627.

[2]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.

[3]胡增，何國旗，王政，等.基于Admas軟件的單輪驅(qū)動(dòng)無碳小車車輪布局設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，27（4）：5356.

[4]王斌，王衍，李潤蓮.無碳小車的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（2）：5962.

作者簡(jiǎn)介：武時(shí)會(huì)，重慶人文科技學(xué)院講師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與分析。