雙8字型無碳小車的研究設(shè)計(jì)

夏有強(qiáng) 王茂 趙泓宇

摘 ? 要：根據(jù)第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的要求以及“無碳”的時(shí)代新理念，現(xiàn)設(shè)計(jì)出一種基于凸輪機(jī)構(gòu)的雙8字型無碳小車。本文將介紹競(jìng)賽要求，從能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及車身結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。在加工裝配小車后驗(yàn)證了該無碳小車可按預(yù)定軌跡行進(jìn)達(dá)到預(yù)期成果，說明了小車具有高效率和低偏差的優(yōu)點(diǎn)，證明了研究設(shè)計(jì)的科學(xué)高效。

關(guān)鍵詞：雙8字軌跡 ?無碳小車 ?齒輪傳動(dòng) ?凸輪機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0085-03

Abstract：According to the requirements of the 6th national engineering training comprehensive ability competition for college students， and the new idea of carbon free，now design a cam-based double-8-shaped carbon-free car. This article will introduce the competition requirements， and explain the design from the energy conversion mechanism， steering mechanism， transmission mechanism and body structure .After processing and assembling the car， it was verified that the carbon-free car could travel on a predetermined track and achieve the expected results，which has the advantages of high efficiency and low deviation and proves the scientific efficiency of research design.

Key Words： Double 8-shaped track; Carbon-free car; Gear transmission; CAM mechanism

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是由教育部高教司主辦的全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng)，為提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐動(dòng)手能力以及團(tuán)隊(duì)合作精神。2018年，第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽主題為“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車”，要求設(shè)計(jì)出一種無碳小車可完成自啟、行進(jìn)、避障等動(dòng)作而完全由H=400±2mm、M=1kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（Ф50×65mm，碳鋼制作）提供能量，且無碳小車行進(jìn)時(shí)承載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼不允許發(fā)生掉落。同時(shí)，競(jìng)賽要求無碳小車可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向以適應(yīng)不同間距障礙樁的場(chǎng)地限制[1-2]。

無碳小車需繞中線上的三個(gè)障礙樁按“雙8”字型軌跡循環(huán)運(yùn)行，以小車成功完成“雙8”字繞行圈數(shù)的多少來評(píng)定成績(jī)。一個(gè)成功的“8”字繞障軌跡為：3個(gè)封閉圈軌跡和軌跡的4次變向交替出現(xiàn)，變向指的是：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)運(yùn)行，直至停止。小車沒有繞過障礙、碰倒障礙、將障礙物推出定位圓區(qū)域、砝碼脫離小車、小車停止或小車掉下球臺(tái)均視為本次比賽結(jié)束[3]。

1 ?設(shè)計(jì)背景

本屆競(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”。按照競(jìng)賽要求，設(shè)計(jì)制作一款靠重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)且控制機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)方向的純機(jī)械自驅(qū)動(dòng)小車。供能砝碼預(yù)置高度為 400±2mm（如圖1所示）。無碳小車在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)賽道上前行時(shí)可自動(dòng)避開障礙，并按雙“8”字形軌跡運(yùn)行，如圖2所示。

2 ?無碳小車的設(shè)計(jì)方案

首先設(shè)計(jì)出合適的機(jī)架實(shí)現(xiàn)重物勢(shì)能的高效轉(zhuǎn)換與傳遞，以及前輪規(guī)律轉(zhuǎn)向的控制，其次根據(jù)已設(shè)計(jì)的各部分機(jī)構(gòu)及預(yù)定雙8字軌跡設(shè)計(jì)無碳小車的前后輪尺寸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)比及往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，再由各機(jī)構(gòu)的連接裝置合理設(shè)置各零件間的配合尺寸、連接方式，使各機(jī)構(gòu)零部件相互不干涉且高效運(yùn)行[4]。

2.1 確定雙8字型軌跡

無碳小車的理論軌跡為雙8字型（見圖3），因桌面設(shè)有三處D=40mm的礙物樁以及W/2=59mm的車身自寬限制，故軌跡中間處設(shè)計(jì)為R=70mm的小圓以及兩端處R=280mm的大圓。為防止小車在運(yùn)行中發(fā)生側(cè)翻，提高小車運(yùn)行平穩(wěn)性，在軌跡大圓與軌跡小圓的過渡段采用合適的樣條曲線作為設(shè)計(jì)軌跡（過渡曲線參考值由小車軌跡模擬實(shí)驗(yàn)得出）。

2.2 小車驅(qū)動(dòng)方案

無碳小車沿預(yù)定曲線行進(jìn)，因后輪與地面之間的運(yùn)動(dòng)約束而產(chǎn)生差速，而由重物作為唯一動(dòng)力源，為此小車后輪采用單輪驅(qū)動(dòng)方式[5]。重物降落通過細(xì)繩和滑輪帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸通過齒輪將動(dòng)力傳遞給主動(dòng)輪從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)作。同時(shí)，采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)可使齒輪具有傳動(dòng)比穩(wěn)定、工作可靠、效率高的特點(diǎn)，小車傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

2.3 小車平衡

小車底架采用3D打印技術(shù)制造，保證車體強(qiáng)度足夠可支撐全車構(gòu)件，同時(shí)較金屬底架減小阻力，降低能量損耗，使車身整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化與重量最輕化;主動(dòng)輪和從動(dòng)輪倒圓角處理，減小與桌面的接觸面積，減小摩擦阻力與降低桌面黏附物的粘結(jié)程度[6];重物支撐架采用D=10mm的玻纖管，側(cè)板、底板、前橫梁以及大齒輪采用鋁合金且鏤空減輕小車重量;重物勢(shì)能部分轉(zhuǎn)化為小車動(dòng)能，部分消耗為摩擦做功，為此轉(zhuǎn)動(dòng)副全部安裝軸承。

若小車變速行駛會(huì)造成前后輪差速較大，效率嚴(yán)重降低，因此小車行進(jìn)時(shí)盡可能在長(zhǎng)軌跡上做勻速運(yùn)動(dòng)且保持桌面平穩(wěn);小車行進(jìn)時(shí)需不斷改變前輪偏向角度，因此將小車前輪設(shè)計(jì)在后輪中線上，同時(shí)外加一個(gè)前輪支撐架（見圖5），使車身前后高度一致;若小車重物布置太靠后，會(huì)使小車前進(jìn)時(shí)由于重心偏移發(fā)生翻車，且對(duì)小車啟動(dòng)造成極大阻力而無法自啟。根據(jù)前期受力分析，重物置于小車后輪中線上且距前輪85mm處最為適宜，無碳小車設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

2.4 小車設(shè)計(jì)方案

2.4.1 能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

為使重物可靠穩(wěn)定地降落且實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，因此采用較好的尼龍線，一端纏繞于重物掛鉤，另一端纏繞于繞線輪輪盤，利用重物重力產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)繞線輪回轉(zhuǎn);繞線輪輪盤直徑?jīng)Q定著驅(qū)動(dòng)力矩的大小，考慮到尼龍線轉(zhuǎn)動(dòng)的連貫性，故采用階梯式繞線輪輪盤;小車啟動(dòng)時(shí)采用大直徑繞線輪輪盤作為啟動(dòng)盤以實(shí)現(xiàn)較大力矩加速自啟，當(dāng)達(dá)到正常行進(jìn)速度后，繞線輪輪盤直徑減小，小車勻速行進(jìn)[7]。

2.4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由前齒輪、中齒輪、大齒輪、后齒輪、后軸組成，前軸帶動(dòng)齒輪又帶動(dòng)后軸轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)能傳遞于后輪使其轉(zhuǎn)動(dòng)。為高效利用能量，使小車行進(jìn)距離更遠(yuǎn)，則小車采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)。具體計(jì)算如下：繞線軸直徑Dmax=11mm，小車行進(jìn)距離S=67128.37mm，單位軌跡距離S0=350×3.14×2+230×3.14=2920.2mm，理論軌跡數(shù)目M=S/S0=67128.37/2920.2≈23個(gè)，單位里程耗功率=砝碼下降長(zhǎng)度H（mm）/小車行進(jìn)距離S（mm）=400/67128.37=0.00595873。

2.4.3 凸輪尺寸

小車實(shí)際行進(jìn)軌跡可分解為兩個(gè)近似半圓（分別為160°和88°）和半段正弦曲線及鏡像翻轉(zhuǎn)的半段正弦曲線，取障礙樁間距350mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過前期軌跡的理論分析初步設(shè)計(jì)出凸輪輪廓，隨后通過實(shí)驗(yàn)反復(fù)修正凸輪參數(shù)（行進(jìn)5圈時(shí)后輪初始偏移量△x=10mm），最終修正完成的凸輪如圖7所示。

2.4.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由凸輪10、擺桿和前叉12組成（如圖8所示），前軸帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)擺桿規(guī)律擺動(dòng)，通過前叉（由16和17組成）使前輪方向偏移變換，引導(dǎo)小車行進(jìn)出雙“8”字軌跡。

2.4.5 車身設(shè)計(jì)

為使小車整體結(jié)構(gòu)緊湊、不相互干涉以及便于轉(zhuǎn)向，三根傳動(dòng)軸呈空間分布，凸輪軸和繞線軸的水平距離L1=11mm， 后輪軸和凸輪軸的水平距離L2=71mm，前輪軸到凸輪軸的水平距離L3=39mm，前輪軸到驅(qū)動(dòng)輪軸的水平距離L4=110mm，車身設(shè)計(jì)尺寸為L(zhǎng)=195mm、W=130mm、H=507mm。

為保持車身運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)設(shè)計(jì)為正方體結(jié)構(gòu);在側(cè)板及前叉軸承邊打孔，利用墊片使軸承更好地定位，避免軸向移動(dòng);后軸采用光軸以雙輪轂兩端定位，軸承采用法蘭盤軸承便于拆裝;各零件配合處都鉆取Φ=3mm的孔，增加各零件間的配合度與緊密型。

2.4.6 零部件加工選擇

小車車輪統(tǒng)一采用激光切割加工，為減小阻力，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪通過倒圓角處理以減小與桌面的接觸面積;車底架采用3D打印技術(shù)一體化制造，可減輕車身自重;重物支撐架采用D=10mm的現(xiàn)成玻纖管;側(cè)板、底板、前橫梁和大齒輪采用鋁合金材料，保持車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且鏤空以減輕小車的重量。

3 ?結(jié)語

（1）最終通過實(shí)踐驗(yàn)證小車可完成12個(gè)完整雙8字軌跡，且獲得第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽四川賽區(qū)比賽一等獎(jiǎng)，證明了設(shè)計(jì)的科學(xué)性與高效性;

（2）實(shí)踐中通過在前軸端部凸輪處設(shè)置螺釘鎖緊機(jī)構(gòu)可快速高效地定量修正軌跡，滿足軌跡要求;

（3）與一般控制機(jī)構(gòu)比較，凸輪可實(shí)現(xiàn)小車任意軌跡的行進(jìn)，尤其對(duì)于較為復(fù)雜的軌跡、相對(duì)傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)具有極大的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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