基于S形運(yùn)動(dòng)軌跡重力勢(shì)能小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

左偉玲

摘 要：重力勢(shì)能小車(chē)的原理是將鉤碼的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)小車(chē)的動(dòng)能，在不消耗能源的情況下，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，作為無(wú)碳小車(chē)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)其行進(jìn)和轉(zhuǎn)向。根據(jù)全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中的S形運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)碳小車(chē)比賽相關(guān)要求，本文從能量轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)向避障設(shè)計(jì)等方面對(duì)S形運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)碳小車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：S形運(yùn)動(dòng)軌跡;無(wú)碳小車(chē);微調(diào)機(jī)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）32-0084-03

Structural?Design?of?Gravity?Potential?Energy?Trolley

Based?on?S-shaped?Motion?Trajectory

ZUO?Weiling

（Wuchang?Institute?of?Technology，Wuhan?Hubei?430065）

Abstract：?The?principle?of?the?gravitational?potential?energy?trolley?is?to?convert?the?gravitational?potential?energy?of?the?hook?code?into?the?kinetic?energy?of?the?designed?trolley，?realize?the?energy?conversion?without?consuming?energy，?and?drive?its?travel?and?steering?as?a?carbon-free?trolley?power?source.?According?to?the?requirements?of?the??S-shaped?trajectory?carbon-free?car?competition?in?the?national?university?student?engineering?training?comprehensive?ability?competition，?this?paper?analyzed?the?structural?design?of?the?S-shaped?trajectory?carbon-free?car?from?the?aspects?of?energy?conversion?design，?drive?design?and?obstacle?avoidance?design.

Keywords：?S-shaped?motion?track;carbon-free?car;fine-tuning?mechanism;structural?design

第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題為“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē)”，S形運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)是其中項(xiàng)目之一。要求設(shè)計(jì)注重創(chuàng)新與實(shí)用，在設(shè)計(jì)成本、材料選取、加工復(fù)雜度等方面做出合理的分析和調(diào)整，通過(guò)數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)使用Matlab和Sloidwords，對(duì)全車(chē)原理圖進(jìn)行可行性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車(chē)的S形運(yùn)動(dòng)路徑。本文結(jié)合自身比賽相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)S形運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)及調(diào)試提出一些可行性思路和方法。

1 設(shè)計(jì)要求

本研究設(shè)計(jì)一種將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并可用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走及轉(zhuǎn)向的裝置——無(wú)碳小車(chē)。如圖1所示，該小車(chē)采用三輪結(jié)構(gòu)，在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開(kāi)賽道上設(shè)置的障礙物。要求無(wú)碳小車(chē)在前行中能靈活控制方向，小車(chē)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，制造方便，易于裝配、調(diào)試，成本低，現(xiàn)場(chǎng)可拆裝。

2 選定無(wú)碳小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行可行性分析

如圖2所示，S形競(jìng)賽賽道寬度為2m，沿直線方向水平鋪設(shè)，小車(chē)在前行時(shí)能夠自動(dòng)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物，障礙物為直徑20mm、長(zhǎng)200mm的圓棒，沿賽道中線從距出發(fā)線1m處開(kāi)始按平均間距1m擺放。

比賽要求無(wú)碳小車(chē)穩(wěn)定自如，有效繞樁數(shù)量多，垂直距離遠(yuǎn)。因此，無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)方案就非常關(guān)鍵。分析眾多的設(shè)計(jì)方案，筆者初步確定以下幾個(gè)重要結(jié)構(gòu)：前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、動(dòng)力傳動(dòng)方式和后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。各部分機(jī)構(gòu)確定后，繪制小車(chē)的原理圖進(jìn)行可行性分析。

根據(jù)設(shè)計(jì)無(wú)碳小車(chē)的原理圖，論證其能否實(shí)現(xiàn)S形運(yùn)動(dòng)軌跡。砝碼靠重力下落帶動(dòng)繞繩軸旋轉(zhuǎn)，繞繩軸帶動(dòng)一對(duì)嚙合大齒輪和小齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)前后輪，給小車(chē)運(yùn)動(dòng)提供前行動(dòng)力。同時(shí)，繞繩軸旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)右端的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過(guò)螺紋連桿和螺紋搖桿使前轉(zhuǎn)向輪左右搖擺，以達(dá)到小車(chē)前行過(guò)程中轉(zhuǎn)換方向的目的。

3 無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的比賽要求，無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有車(chē)架、動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行駛機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)等幾大部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與創(chuàng)新直接影響小車(chē)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及行駛軌跡。

3.1 動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走及轉(zhuǎn)向的能量均由砝碼下落的重力勢(shì)能獲得，統(tǒng)一用質(zhì)量為1kg的標(biāo)準(zhǔn)鉤碼（[Φ]50×65mm，碳鋼制作），可下降高度為（400±2）mm，標(biāo)準(zhǔn)鉤碼始終由小車(chē)承載，不允許從小車(chē)上掉落。設(shè)計(jì)安裝在小車(chē)頂部支架的定滑輪將1kg的鉤碼下落的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸機(jī)械能，線繩繞在驅(qū)動(dòng)軸上直接帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸作為小車(chē)動(dòng)力源，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。

值得注意的是，由能量守恒定律得知，[W勢(shì)能損][=W摩+W]，即鉤碼下落的勢(shì)能等于小車(chē)車(chē)輪與地面的摩擦力做功及小車(chē)內(nèi)部各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)零件相互摩擦損耗做功之和。所以，在[W]（勢(shì)能）恒定情況下，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化小車(chē)結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)部機(jī)構(gòu)損耗。小車(chē)要穩(wěn)定行走，小車(chē)的速度就必須適中。如小車(chē)進(jìn)入高速行進(jìn)狀態(tài)，受車(chē)身的慣性作用和砝碼的晃動(dòng)影響，小車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)容易發(fā)生側(cè)翻或撞障礙物現(xiàn)象。

3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，以達(dá)到有效減速的目的。一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等方式。其中鏈傳動(dòng)不穩(wěn)定，蝸輪蝸桿傳動(dòng)制造較復(fù)雜，能耗較多，不適用于無(wú)碳小車(chē)。而帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不緊湊，也容易打滑。考慮到小車(chē)設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、傳動(dòng)效率高、便于裝拆等因素，筆者就選擇一級(jí)直齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)軸的一端安裝一對(duì)嚙合的齒輪傳動(dòng)，把動(dòng)力傳遞給后驅(qū)動(dòng)輪和前轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前行與自由轉(zhuǎn)向。這種齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。不足之處是制造成本偏高。小車(chē)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

。

3.3 行駛機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)軸繞線部分采用錐形軸，利用驅(qū)動(dòng)輪輪軸直徑的變化實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力矩的變化，從而控制小車(chē)的行駛速度。行駛機(jī)構(gòu)采用單輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差速，前輪轉(zhuǎn)向，后輪一個(gè)作為驅(qū)動(dòng)輪，另一個(gè)作為從動(dòng)輪。設(shè)計(jì)小車(chē)向前運(yùn)動(dòng)靠后輪驅(qū)動(dòng)，但小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)左后輪、右后輪存在線速度差，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)差速機(jī)構(gòu)來(lái)滿足這種情況。一般的差速機(jī)構(gòu)采用錐形齒輪，而錐齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度難以保證，不易拆裝，價(jià)格也較高，不符合無(wú)碳小車(chē)輕便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不承受重載的要求。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計(jì)在從動(dòng)輪中心處安裝一對(duì)軸承，與主動(dòng)輪連接的軸則和軸承內(nèi)圈配合實(shí)現(xiàn)差速，這樣既能實(shí)現(xiàn)兩輪差速運(yùn)動(dòng)，又避免了從動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)晃動(dòng)，大大提高了運(yùn)動(dòng)精度。小車(chē)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4所示。

3.4 微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)部分所要實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)前輪最大轉(zhuǎn)角，二是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)周期的變化。根據(jù)以上功能要求，微調(diào)機(jī)構(gòu)可以用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)能通過(guò)改變搖桿的長(zhǎng)度，帶動(dòng)連桿的擺角范圍增大，從而使前轉(zhuǎn)向輪的最大偏角發(fā)生改變。轉(zhuǎn)角α的改變具有連續(xù)性，再配用微調(diào)滑塊（有螺母緊固滑塊）式機(jī)構(gòu)，這樣微調(diào)調(diào)節(jié)就具有連續(xù)性，調(diào)節(jié)精度較高。

本設(shè)計(jì)采用微調(diào)螺母螺釘來(lái)修正無(wú)碳小車(chē)行駛軌跡。小車(chē)在長(zhǎng)連桿安裝螺桿及雙螺母配合的微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過(guò)螺旋桿調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)，改變轉(zhuǎn)向輪的最大偏角和周期，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定避障，行走出符合要求的S形軌跡。此微調(diào)機(jī)構(gòu)配合精度較低，微調(diào)一點(diǎn)就會(huì)引起小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡偏差，行進(jìn)狀態(tài)不易穩(wěn)定。

3.5 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

小車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，直接決定小車(chē)行走軌跡。結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)單，要盡可能減少摩擦耗能，同時(shí)要具有特殊的運(yùn)動(dòng)特性，能將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為符合要求的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)彎及避障。

S形軌跡無(wú)碳小車(chē)在比賽行進(jìn)過(guò)程中不但要能自動(dòng)轉(zhuǎn)向，避開(kāi)障礙樁，而且要走出S形運(yùn)動(dòng)軌跡。無(wú)碳小車(chē)前輪轉(zhuǎn)向，一般設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)三種。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，制造成本低廉，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，但存在急回特性。凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，制造成本高，對(duì)設(shè)備精度要求高，但穩(wěn)定性比較好。槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但精度要求高，制造成本介于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與凸輪之間，轉(zhuǎn)向較急。經(jīng)過(guò)綜合考慮，筆者采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。

設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為無(wú)碳小車(chē)行進(jìn)中前輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)恒定的角度，由軸承與車(chē)架過(guò)盈配合，導(dǎo)向輪固定架用螺絲緊固于底板上，其垂直軸穿過(guò)軸承，調(diào)整曲柄、擺桿和連桿長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)小車(chē)前輪的轉(zhuǎn)向，小車(chē)的隨動(dòng)輪結(jié)構(gòu)主要是避免在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中由于內(nèi)、外輪的線速度差異而造成的摩擦損耗。此機(jī)構(gòu)可使前輪呈現(xiàn)周期性左右轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)S形運(yùn)動(dòng)路徑。其不足是安裝誤差大，容易自鎖，行車(chē)速度快了就會(huì)有振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)碳小車(chē)從設(shè)計(jì)到制作調(diào)試經(jīng)過(guò)了幾個(gè)階段，首先建立小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析，運(yùn)用Sloidwords軟件進(jìn)行小車(chē)的實(shí)體建模和部分運(yùn)動(dòng)仿真，再通過(guò)Matlab進(jìn)行能耗規(guī)律分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析和靈敏度分析，進(jìn)而得出小車(chē)的具體參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。整個(gè)小車(chē)設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，參數(shù)不斷優(yōu)化，結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，運(yùn)行軌跡也不斷調(diào)試。本設(shè)計(jì)在這次比賽中取得了不錯(cuò)的成績(jī)，但仍存在小車(chē)微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致小車(chē)行駛不穩(wěn)定、軌跡無(wú)規(guī)律的問(wèn)題，這是下次比賽需要改進(jìn)設(shè)計(jì)的地方。

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