無碳小車雙“8”字形軌跡結(jié)構(gòu)設(shè)計

敖 東，唐 欣，孫亞平，章 環(huán)，黃式賢，藍(lán) 健

（大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116622）

0 引言

隨著社會各項方面的快速發(fā)展，能源的有限性成為人類不可忽視的問題。節(jié)約能源已經(jīng)成為每個國家及社會在各個方面發(fā)展的大的趨勢，也不可避免的成為眾多科技工作者的工作追求[1]。在這個大背景下，第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的無碳小車的避讓行駛競賽在能源節(jié)約的方向上，采用重力勢能作為驅(qū)動的能量來源來命題[2]。該競賽由國家教育部舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實踐競賽，具有很大的影響力。無碳小車競賽要求，需設(shè)計一種可在一定范圍內(nèi)沿雙“8”字形繞過隨機(jī)固定樁距的無碳小車。無碳指小車完成行駛（驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向）的能量和在此過程中所做的無用功均由質(zhì)量為1 kg的砝碼（Φ50×65 mm，碳鋼）下降（400±2）mm的高度所獲得的重力勢能提供。要求小車為三輪結(jié)構(gòu)（前轉(zhuǎn)向輪，兩個后行進(jìn)輪）。在完成行駛及轉(zhuǎn)向時，砝碼要一直由小車承重不可掉落。小車的設(shè)計機(jī)構(gòu)中必須具有可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來準(zhǔn)確躲避不同間距障礙物[3]。小車示意見圖1。

圖1 無碳小車示意圖

如圖2所示，雙“8”字型的無碳小車的比賽場地為半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（桌面材質(zhì)為高密度壓縮板）。乒乓球臺上沿桌面中軸線放置三根障礙樁（直徑20 mm，高200 mm），兩端的障礙樁樁距中心樁為（350±50）mm。

圖2 雙“8”字形賽道平面示意圖

雙“8”字形賽道要求小車運(yùn)行時，每個障礙樁在“8”字形的一個封閉圈內(nèi)。所謂雙“8”字形軌跡是指運(yùn)動中要出現(xiàn)3個封閉圈軌跡，并交替出現(xiàn)四次變向（軌跡的曲率中心從軌跡的一側(cè)變化到另一側(cè)）。比賽中，小車需連續(xù)行駛，直至停止。出現(xiàn)小車沒有繞過障礙樁、碰倒障礙樁、把障礙樁推出定位圓區(qū)域、砝碼脫離小車、小車中途停止或小車掉下桌面等情況均視為本次比賽結(jié)束。比賽成績以完成雙“8”字形封閉圈的數(shù)量評定。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該小車的重要幾個部分分為重力勢能轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和底座組成，整輛車的機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 無碳小車整體結(jié)構(gòu)三視圖

1.1 重力勢能轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)

小車的重力勢能轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)的簡圖如圖4所示，重錘通過具有一定彈性的細(xì)線1繞在繞線輪的小輪上，然后細(xì)線2一段繞在繞線輪的大輪上面，另一端繞在大齒輪軸上，重錘下落帶動繞線輪，繞線輪帶動下面的大齒輪轉(zhuǎn)動，通過兩級齒輪傳動，將動力傳遞給小齒輪軸，從而將重錘下降過程中的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車行駛中的動能。

圖4 無碳小車重力勢能轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)

1.2 傳動機(jī)構(gòu)

小車驅(qū)動原理如圖5所示，動力傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動。其中大齒輪6、中齒輪5、小齒輪4均通過頂絲分別與繞線軸1、中齒輪軸2、后輪軸3固定。重錘下降的過程中通過重力勢能轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)傳遞到繞線軸上，然后通過兩級傳動直齒輪傳動到后輪軸上，后輪軸帶動后輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動小車前進(jìn)。通過齒輪的傳動比增加繞線軸對應(yīng)后輪軸的轉(zhuǎn)動圈數(shù)。齒輪傳動圖如圖6所示，齒輪傳動具有效率高、傳動比穩(wěn)定、壽命長、工作可靠性高等特點(diǎn)，可滿足前輪的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向要求[4]。本設(shè)計中小車經(jīng)過計算大齒輪、中齒輪、小齒輪傳動比為6∶3∶1，模數(shù)為0.5，三者之間的中心距為45 mm和20 mm，壓力角20°，齒厚5 mm。

圖5 小車驅(qū)動原理圖

圖6 齒輪傳動圖

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

為繞過中線上的三個障礙樁，結(jié)合三個障礙樁的放置間距（兩端的樁至中心樁的距離為350±50 mm），即如圖7所示。本設(shè)計中小車采用以盤形凸輪為載體的凸輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作為小車完成避障繞樁實現(xiàn)雙八軌跡的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，即如圖8所示。采用凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：只要正確的設(shè)計和制造出凸輪的輪廓線，就可以把復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律化；凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，而且設(shè)計簡單；凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運(yùn)動可靠，另外在實際調(diào)試階段，可以快捷地修改凸輪的推程、回程、壓力角等參數(shù)，非常使用可靠。

圖7 小車?yán)碚撥壽E圖

圖8 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維圖

1.4 微調(diào)機(jī)構(gòu)

本設(shè)計的小車中有兩處微調(diào)機(jī)構(gòu)作為平時調(diào)車和現(xiàn)場調(diào)試的創(chuàng)新之舉。其一（如圖9所示）：與盤形凸輪時刻接觸的推桿的距離，螺紋桿與推桿用強(qiáng)力膠黏在一起，螺紋桿上面套有彈簧，通過旋合螺母來輕微調(diào)節(jié)推桿的擺動幅度；其二（如圖10所示）：前輪整個機(jī)構(gòu)可以沿著小車底板的滑倒左右平動，通過兩個螺栓與底板固定。這兩個微調(diào)機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，第二個微調(diào)機(jī)構(gòu)主要調(diào)節(jié)小車?yán)@中心樁時離中心樁的距離，也可宏觀地調(diào)節(jié)整個小車的路徑，所以先確定整個前輪裝置的位置之后在調(diào)節(jié)第一個微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過旋合螺母改變前輪的擺角幅度，可以調(diào)節(jié)小車?yán)@兩邊兩個移動樁時與左右兩個樁之間的距離，即小車整個軌跡的長度，另外實現(xiàn)小車雙八軌跡最終完全重合也是此微調(diào)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。

圖9 微調(diào)機(jī)構(gòu)局部三維圖

由于在現(xiàn)場比賽中有拆裝車環(huán)節(jié)，為了盡量使拆裝之后的小車最大程度的回復(fù)拆車之前的精度，所以在比賽中兩個為微調(diào)機(jī)構(gòu)會事先固定一個，減少一個變量，提高小車的精度。具體設(shè)計如下：在前輪固定座上預(yù)留一個3 mm的螺紋孔，在平時不斷地調(diào)試中尋找最佳的位置，待位置找到后順著小孔在小車底板上也鉆一個小孔，然后用螺栓或者頂絲限位。在比賽拆裝小車時就可以簡單迅速的找到原來的最佳位置，大大縮短調(diào)試時間。

圖10 微調(diào)機(jī)構(gòu)2的限位機(jī)構(gòu)圖

2 理論計算

2.1 小車軌跡計算（圖11即為小車?yán)碚撀窂綀D）

圖11 小車?yán)碚撀窂綀D

將小車行駛的軌跡近似看成三個圓形軌跡，則有：

小車行駛的左右圓弧路程：

左右圓弧的參數(shù)方程為

根據(jù)左右圓弧的對稱性S2=4S1

小車行駛的中間圓弧路程：

中間圓弧的參數(shù)方程為

根據(jù)中間圓弧的對稱性S4=4S3

一個完整軌跡的總路程：

S=2×S2+S4=3 141.6 mm

2.2 小車?yán)碚撔旭偮烦?/h3>

重錘下降400 mm后繞線輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)：n1=

大齒輪與小齒輪齒數(shù)比：k2=6

后輪周長C=90×π≈282.7 mm

重錘下降400 mm，小車?yán)碚撔旭偮烦蹋篠總=n1×k1×k2×C=84 131.52 mm

小車?yán)碚撔旭偙苷先?shù)

由于凸輪與推桿之間的滑動摩擦、車輪與桌面的滾動摩擦、每個零件間的細(xì)微誤差導(dǎo)致實際比賽中小車行駛避障圈數(shù)為22圈，在預(yù)期考慮范圍內(nèi)，屬于正常。

3 實驗過程

小車設(shè)計組裝完成后，在1∶1比例的賽道上模擬，即半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（桌面材質(zhì)為高密度壓縮板）。乒乓球臺上沿桌面中軸線放置三根障礙樁（直徑20 mm，高200 mm），兩端的障礙樁樁距中心樁為（350±50）mm。嚴(yán)格按照比賽要求，將重錘高度調(diào)到（400±2）mm，繞著三根障礙柱做雙“8”軌跡，直至小車自動停止或駛出規(guī)定區(qū)域或撞倒障礙柱。經(jīng)過多次試驗，小車行駛避障圈數(shù)22圈。

4 應(yīng)用前景

可以運(yùn)用到中學(xué)實踐教學(xué)中，提高當(dāng)代學(xué)生的科技創(chuàng)造創(chuàng)新能力，無碳小車競賽能很好鍛煉學(xué)生的動手實踐創(chuàng)新能力，讓現(xiàn)在更多的學(xué)生了解機(jī)械制造并創(chuàng)新的能力，提高學(xué)生們對機(jī)械制造創(chuàng)新的興趣。無碳小車成本經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保、簡捷便利，給我們尋找更為綠色環(huán)保的能源提供思路，在能源轉(zhuǎn)化途徑和能源轉(zhuǎn)化效率方面有很大的促進(jìn)作用。它將在逐漸取代傳統(tǒng)能源方面有很深遠(yuǎn)的意義。

5 總結(jié)

本文介紹了基于2018年第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力的命題“8”字形賽道常規(guī)賽的要求，對小車運(yùn)行軌跡的設(shè)定（傳動、轉(zhuǎn)向、微調(diào)）和能量轉(zhuǎn)化（重力勢能轉(zhuǎn)化為動能）進(jìn)行研究和分析后，做出創(chuàng)新性的設(shè)計，并完成精密組裝和調(diào)試，以求達(dá)到最佳的運(yùn)動效果。小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，運(yùn)行的實際軌跡滿足雙“8”字形軌跡的要求，行駛勻速、緩慢、平穩(wěn)，無用功較少，設(shè)計方案合理，可供后續(xù)比賽設(shè)計借鑒推廣。