S型無碳小車的設(shè)計與優(yōu)化

楊明卓

摘? 要：無碳小車是近年來新興的一種設(shè)計研究，十分頻繁出現(xiàn)在了各大高校的工程訓(xùn)練綜合能力比賽的主題里，而且有愈加流行的趨勢。因此，文章著重介紹了一款無碳小車的設(shè)計方案，并且根據(jù)其在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，對無碳小車的設(shè)計缺陷進(jìn)行了相關(guān)的分析與優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：無碳小車;設(shè)計;優(yōu)化

中圖分類號：TH122? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）24-0105-02

Abstract： Carbon-free car is a new kind of design research in recent years， which appears frequently in the theme of comprehensive ability competition in engineering training in colleges and universities， and has a more and more popular trend. Therefore， this paper focuses on the design scheme of a carbon-free car， and according to the problems in its practical application， the design defects of the carbon-free car are analyzed and optimized.

Keywords： carbon-free car; design; optimization

無碳小車指的是以有機(jī)玻璃作為輪子，將焦耳重力勢能作為動力的一種可以連續(xù)躲避障礙的三輪小車，實現(xiàn)了真正意義的無碳化效果[1]。為了參加全國大學(xué)生工訓(xùn)競賽，本文依據(jù)其命題的要求設(shè)計了一款S型無碳小車。該小車可以自發(fā)的行駛，其驅(qū)動來源主要是依靠標(biāo)準(zhǔn)砝碼下落的重力作用來提供，而且可以進(jìn)行自動的轉(zhuǎn)向，避免與其他的小車相撞。如圖1所示，該S型無碳小車為三輪結(jié)構(gòu)設(shè)計，下落的砝碼規(guī)格為50*65毫米，質(zhì)量為1千克，可下降到的高度為500毫米，但是不能落到地上。該砝碼是用碳鋼材質(zhì)制成的，按照比賽打的要求，在S型無碳小車運(yùn)行過程中，砝碼全程都要跟S型無碳小車連接在一起，不得發(fā)生脫離的情況。

如圖2所示為此次大賽的場地，高度200毫米，寬2000毫米，且場上安裝有障礙物，直徑為20毫米。一般來說，S型無碳小車行駛賽道上的障礙物擺放間距為1米。但是，其最終的擺放間距還要由抽簽決定。依據(jù)大賽的規(guī)定，S型無碳小車的成績是根據(jù)參賽選手S型無碳小車行駛的直線距離和躲避障礙物的數(shù)量來判定。

1 S型無碳小車的設(shè)計總思路和初始設(shè)計方案

為了確保S型無碳小車可以正常的行駛，設(shè)計方案中將S型無碳小車分為以下幾個部分，分別是傳動裝置、原動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、行走裝置、微調(diào)裝置等[2]。本次參加比賽的S型無碳小車使用的是一級齒輪傳動，原動裝置使用的是錐形繩輪，而轉(zhuǎn)向裝置受搖桿和曲柄連桿的共同控制，行走的裝置使用的是單輪驅(qū)動，微調(diào)裝置使用的是微調(diào)螺紋與多工位圓盤。此外，S型無碳小車的車架是呈一級階梯形底板式的設(shè)計。下面文章將對S型無碳小車每個組成部分的設(shè)計進(jìn)行逐一的介紹。

1.1 傳動裝置的設(shè)計方案

傳動裝置是S型無碳小車設(shè)計過程中的難點問題[3]。通過與其他傳統(tǒng)的傳動裝置進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)多級齒輪的傳動裝置設(shè)計會導(dǎo)致小車出現(xiàn)傳送效率下降，傳動比減小，傳動過程不穩(wěn)定等缺點。為了能讓S型無碳小車行駛的更加平穩(wěn)，傳動效率最高，要保證傳動裝置發(fā)揮其最大的效用[4]。為此，本次大賽用的S型無碳小車的采用是一級齒輪傳動設(shè)計。這樣的設(shè)計方案既可以提高行駛過程中的傳動效率，又可以保證S型無碳小車行駛的平穩(wěn)性。此外，由于一級齒輪的傳動比比多級齒輪的傳動比大很多，而過大的齒輪又會導(dǎo)致S型無碳小車整體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布不協(xié)調(diào)。因此，此次參賽的S型無碳小車的傳動比設(shè)定為5.23，大齒輪數(shù)為80，小齒輪數(shù)為15。

1.2 原動裝置的設(shè)計方案

原動裝置的主要作用一方面是使砝碼下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能帶動S型無碳小車向前行駛，另一方面是讓砝碼下落的運(yùn)動形式轉(zhuǎn)變?yōu)槟茯?qū)動主軸回轉(zhuǎn)的形式。本次參賽S型無碳小車的原動設(shè)計如下：細(xì)繩一端繞過小車齒輪的主驅(qū)動軸上，另一端與砝碼連接在一起，并且繞過固定滑輪。這樣的設(shè)計方案可以成功的將砝碼下落的重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，讓動齒輪帶動驅(qū)動輪持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。為了保證原動裝置的順利工作，本次設(shè)計特意在驅(qū)動主軸上加了一個用來專門負(fù)責(zé)繞線的錐形線輪，其直徑較大的一端位于齒輪方向，直徑較小的一端遠(yuǎn)離齒輪方向且呈逐漸縮小的趨勢。設(shè)置錐形線輪的主要目的是讓S型無碳小車在行駛過程中可以依靠慣性始終保持持續(xù)穩(wěn)定前進(jìn)的狀態(tài)，避免S型無碳小車因速度過快而出現(xiàn)前導(dǎo)向輪側(cè)滑的情況。

1.3 轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計方案

S型無碳小車的導(dǎo)向輪設(shè)置在小車的前輪上，其固定架穿過軸承，通過車架和滾動軸承的相互配合，在連桿機(jī)構(gòu)的共同作用下，讓S型無碳小車可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能。為了讓S型無碳小車的設(shè)計更具有實用性，本次在S型無碳小車的轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計中采用了曲柄連桿加搖桿的復(fù)合設(shè)計方案。該設(shè)計一方面可以將驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，另一方面，曲柄連桿結(jié)構(gòu)可以使導(dǎo)向輪作出周期性的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，從而讓S型無碳小車實現(xiàn)了對障礙物的成功躲避。此外，為了滿足連桿的連續(xù)轉(zhuǎn)向要求，在設(shè)計中用一個桿端關(guān)節(jié)軸承將多工位圓盤和長連桿，以及長連桿和短桿之間進(jìn)行了有效連接。

1.4 行走裝置的設(shè)計方案

本次S型無碳小車的行走裝置采用單輪驅(qū)動。其中，驅(qū)動輪靠近大齒輪處，從動輪位于遠(yuǎn)離大齒輪的位置。這樣設(shè)計的主要原因是避免在S型無碳小車躲避障礙時因為后輪的速度差而發(fā)生后輪拖滑的情況。據(jù)之前的經(jīng)驗得知，后輪如果發(fā)生拖滑會導(dǎo)致小車偏離原定的軌跡，因此，采用單輪驅(qū)動。

1.5 微調(diào)裝置的設(shè)計方案

這次參賽的S型無碳小車在多個位置都使用了微調(diào)裝置。例如，在轉(zhuǎn)向裝置中應(yīng)用多工位圓盤將其與主驅(qū)動軸之間建立了有效連接。其中，多工位圓盤的主要特點就是該圓盤的工位孔是以其軸心為中心呈散射型分布，且四周的孔位與軸心孔位的間距相等。因此，可以利用這個特點參照比賽賽道障礙物的間距來調(diào)節(jié)桿端的關(guān)節(jié)軸承和圓盤長連桿處的連接位置來實現(xiàn)小車對于不同間距障礙物的成功躲避。此外，在S型無碳小車的長桿處也設(shè)計了一個微調(diào)裝置，即螺紋孔和螺紋桿可以相互配合的裝置，該裝置可以通過調(diào)節(jié)螺紋桿和螺紋孔間的長度來調(diào)整導(dǎo)向輪的最大轉(zhuǎn)角，保證S型無碳小車的水平最遠(yuǎn)行走距離達(dá)到最大化，進(jìn)而提高躲避障礙物的成功率。

2 S型無碳小車的設(shè)計方案的優(yōu)化

2.1 S型無碳小車躲避障礙物時，行走軌跡無法控制

根據(jù)設(shè)計方案制造設(shè)計了成品的S型無碳小車。但是，在進(jìn)行實際測試時發(fā)現(xiàn)其在躲避障礙物過程中，軌跡無法得到準(zhǔn)確控制。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種狀況的原因是因為微調(diào)裝置的精度太低，只要稍不小心改變了螺紋桿和螺紋孔間的長度就會導(dǎo)致導(dǎo)向輪發(fā)生很大的變化，進(jìn)而使小車偏離預(yù)定軌跡。

優(yōu)化方案：將微調(diào)裝置中的螺紋孔和螺紋桿的直徑與導(dǎo)程都進(jìn)行加大處理，以提高螺紋桿與螺紋孔相互配合時的精度。在對螺紋桿進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整時，不至于讓導(dǎo)向輪最大轉(zhuǎn)角的變化過大而失去控制，從而確保了S型無碳小車行駛軌跡的可控性。

2.2 S型無碳小車無法正常啟動

除了行駛軌跡的控制問題外，在實際的測試過程中還發(fā)現(xiàn)，S型無碳小車有時會出現(xiàn)靜止不動，無法行駛的情況。經(jīng)過分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是原動裝置的繞繩方式不恰當(dāng)所致。由于繞線和砝碼的連接段基本都集中在了錐形線輪的小直徑處，導(dǎo)致初始的力矩不夠，進(jìn)而使S型無碳小車的動摩擦力小于靜摩擦力，難以行駛。

優(yōu)化方案：將錐形繩輪端點位置的繞線直徑增大，進(jìn)而提高初始力矩，讓S型無碳小車的動摩擦力大于靜摩擦力，從而能夠正常制動。具體操作：把繞繩從錐形繩輪小直徑處開始向繞繩錐形繩輪直徑增大的方向緊密纏繞，直到砝碼上升至合適高度。經(jīng)過優(yōu)化改良，S型無碳小車恢復(fù)了正常行駛。

3 結(jié)論

綜上所述，本文通過對S型無碳小車的設(shè)計和實際測試，優(yōu)化了其原始設(shè)計方案中不足的地方，讓其可以在大賽中進(jìn)行正常的行駛操作。在優(yōu)化和設(shè)計中，本文總結(jié)了以下幾點經(jīng)驗：（1）S型無碳小車應(yīng)該采用一級齒輪的設(shè)計;（2）應(yīng)該適當(dāng)提高微調(diào)裝置的精度和設(shè)計數(shù)量;（3）要提高S型無碳小車的設(shè)計精度，降低設(shè)計中的間隙，防止行駛過程中因自由度的增加，減弱其躲避障礙物時的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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