“雙8字”型無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳俊潤(rùn) 陳顯揚(yáng)

摘要：按照第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽要求，以機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械原理為基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)出一種完全由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的小車裝置。本文主要從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、差動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪、微調(diào)機(jī)構(gòu)、繞線軸以及頂輪進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

關(guān)鍵詞：“雙8字”;無(wú)碳小車;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0? 引言

第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽無(wú)碳小車命題為“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行無(wú)碳小車”。自主設(shè)計(jì)并制作一種具有方向控制功能的自行無(wú)碳小車，要求其行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均有給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來(lái)源的能量。該給定重力勢(shì)能由競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1kg、總高度為89±1mm的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（Φ50×65mm，碳鋼制作）來(lái)獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由無(wú)碳小車承載，不允許從無(wú)碳小車上掉落。

1? 設(shè)計(jì)思路

1.1 競(jìng)賽要求? 要求無(wú)碳小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)應(yīng)具有可調(diào)節(jié)裝置，以適應(yīng)障礙物間距變化是的競(jìng)賽。

要求無(wú)碳小車為三輪結(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。具體設(shè)計(jì)、選材及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。

“雙8字”型賽道競(jìng)賽場(chǎng)地為半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)（長(zhǎng)1525mm、寬1370mm），有3個(gè)障礙樁沿中線防止，障礙樁為直徑20mm、高200mm的圓柱體，兩端的樁至中心樁的距離為350±50mm，具體數(shù)值有現(xiàn)場(chǎng)公開(kāi)抽簽決定。

無(wú)碳小車需繞中線上的桑障礙樁按“雙8字”型軌跡循環(huán)運(yùn)行，以無(wú)碳小車成功完成“雙8字”繞行圈數(shù)的數(shù)量來(lái)評(píng)定成績(jī)。

1.2 思路分析? 競(jìng)賽要求中明確指出小車在行走過(guò)程中完成所有的能量均只能通過(guò)重錘給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換得來(lái)，不允許任何其他來(lái)源的能量，小車在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性足夠、重量輕、能量損失少，能在重錘牽引繩索的拉動(dòng)下自行啟動(dòng)并以較為穩(wěn)定的速度運(yùn)行，小車行駛路程為“雙8字”曲線，重錘初始位置較高，需要考慮在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中因速度過(guò)快導(dǎo)致重心偏移而出現(xiàn)的小車側(cè)翻的情況，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量降低底板高度和保證重錘下降高度為400±2mm時(shí)重錘的初始高度。

2? 設(shè)計(jì)方案

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

①齒輪傳動(dòng)。小車采用一對(duì)齒輪傳動(dòng)，其中小齒輪齒數(shù)為20，大齒輪為93，傳動(dòng)比為1：4.65為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少因零件的增加導(dǎo)致的裝配誤差，將凸輪和齒輪分別固定在繞線軸的兩端，凸輪負(fù)責(zé)前輪的轉(zhuǎn)向，齒輪則將動(dòng)力輸出給后輪，重錘重力通過(guò)繞線軸傳遞給大齒輪，大齒輪通過(guò)傳動(dòng)比將力傳遞給后輪，后輪軸帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車完成行駛。②差動(dòng)機(jī)構(gòu)。小車的行駛路徑主要為圓弧，小車在完成一個(gè)“雙8”軌跡行走時(shí)，兩個(gè)后輪所走過(guò)的路程是不一樣的，因此需要采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，即小車其中一個(gè)后輪為主動(dòng)輪，另外一個(gè)為從動(dòng)輪，主動(dòng)輪帶動(dòng)小車行駛，從動(dòng)輪通過(guò)軸承固定在輪軸上，本身不具有動(dòng)力，其作用為做差速與保持車車身的水平，這樣可以使小車在行駛過(guò)程中兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)互不干涉，讓小車能夠穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

①凸輪。因?yàn)橥馆喒潭ㄔ诶@線軸上隨繞線軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，然而我們小車的凸輪形狀較為細(xì)長(zhǎng)，并且凸輪是自下向上方向運(yùn)動(dòng)的，在這種情況下若采用點(diǎn)接觸凸輪的設(shè)計(jì)，則勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致凸輪厚重，而細(xì)長(zhǎng)的凸輪形狀又會(huì)使得凸輪的重量分布不均勻，再重量集中的部分處于下方的時(shí)候難以上提，這時(shí)若增大繞線軸直徑則會(huì)使凸輪在經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)之后下降速度劇增，導(dǎo)致小車速度過(guò)快，容易在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候側(cè)翻，而且速度的加快會(huì)放大小車在設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中的誤差，累計(jì)誤差也會(huì)增加，軌跡偏移明顯增大，不利于小車的穩(wěn)定行駛，因而采用質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)效果影響較小的凸輪壓桿設(shè)計(jì)，將凸輪所需的厚度轉(zhuǎn)移到凸輪接觸的桿上，而桿固定在前輪轉(zhuǎn)向裝置上，只能繞前輪固定架所在軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有上下運(yùn)動(dòng)，因而它們的重量對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)速度影響效果較小，在這種方案下凸輪在不影響其效果的前提下厚度可以極大減薄，重量減小，同時(shí)因凸輪形狀帶來(lái)的質(zhì)量分布不均對(duì)凸輪旋轉(zhuǎn)的速度影響也將大幅度降低，提高車的穩(wěn)定性的同時(shí)能夠在一定程度上縮小繞線軸，提高小車行走的基礎(chǔ)圈數(shù)，同時(shí)，在于凸輪接觸的桿部分套上了2個(gè)相連間隙較小的直線軸承，雖然直線軸承主要用于直線運(yùn)動(dòng)，但適配尺寸的滾動(dòng)軸承厚度低，并且在串聯(lián)在同一根軸的時(shí)候軸承間間隙大，對(duì)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成阻礙，對(duì)小車轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)造成阻礙，進(jìn)而影響小車運(yùn)行軌跡，采用直線軸承雖然轉(zhuǎn)動(dòng)流暢度不及滾動(dòng)軸承，但也將凸輪與桿的接觸方式由滑動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)，讓凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)更為順暢[2]。

②車頭微調(diào)機(jī)構(gòu)。將與凸輪接觸的桿部分固定在可前后移動(dòng)的與前輪轉(zhuǎn)向裝置相連的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用3桿與前輪轉(zhuǎn)向裝置相接觸，其中兩邊為雙頭螺柱，與前輪轉(zhuǎn)向裝置接觸的位置為光桿部分，沒(méi)有螺紋，前后移動(dòng)較為順暢，用螺母將兩個(gè)彈簧穿過(guò)螺柱壓縮在螺母與前輪轉(zhuǎn)向裝置之間的位置，彈簧有恢復(fù)彈性形變的趨勢(shì)，會(huì)將螺母往小車視角的前方推，方向與凸輪上提推動(dòng)的方向一致，中間的桿采用M3長(zhǎng)內(nèi)六角螺絲作為推動(dòng)桿，通過(guò)在前輪轉(zhuǎn)向裝置內(nèi)部固定的螺母，螺絲前后的位移就會(huì)帶動(dòng)凸輪接觸桿的前后移動(dòng)，M3螺絲的螺距較小，給微調(diào)裝置提供的足夠的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)分度，調(diào)節(jié)需要用螺絲刀旋動(dòng)螺絲。

2.3 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

①繞線軸。“雙8”路徑為一定值，無(wú)碳小車在行駛過(guò)程需做到避免與障礙物碰撞的同時(shí)經(jīng)可能多的完成“雙8”圈數(shù)，采用此凸輪結(jié)構(gòu)時(shí)，繞線軸每旋轉(zhuǎn)2周，小車完成一次“雙8”軌跡[3]。將定義無(wú)碳小車行駛的圈數(shù)為總?cè)?shù)A，b為頂輪比例：A=a×b

其中繞線軸的直徑直接決定基礎(chǔ)圈數(shù)a：

②頂輪。小車?yán)@線的頂輪采用同心大小輪結(jié)構(gòu)，即頂輪具有多層，其中定最小層的直徑為基礎(chǔ)，重錘牽引線在此輪上，其余層直徑則與最小層直徑成比例b，繞線軸的牽引線繞在比例層，結(jié)構(gòu)類似于滑輪組，卻可以避免動(dòng)滑輪自身重力帶來(lái)的影響，將1000N的重力按比例縮小為牽引力

比例輪直徑與最小直徑的比值b需根據(jù)啟動(dòng)繞線軸所需最小牽引力確定，根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況可適當(dāng)增大（減?。゜值，從而適當(dāng)減小重錘的輸出力，同時(shí)按比例增加繞線軸繞線的長(zhǎng)度，即當(dāng)b值為2時(shí)，重錘每下降1mm則會(huì)放出2mm的線，從而按比例增加小車的基礎(chǔ)圈數(shù)（基礎(chǔ)圈數(shù)為400mm的線繞在繞線軸上的圈數(shù)/2），經(jīng)過(guò)多次實(shí)地實(shí)驗(yàn)，我們決定將大輪直徑與繞線層輪直徑比確定為1比3.5～4.5，在實(shí)際行走時(shí)可根據(jù)桌面或地面不同的摩擦選取適合的比例，能夠靈活的適應(yīng)不同場(chǎng)地，從而能保證在不同場(chǎng)地的行走并且能夠獲得在該場(chǎng)地的最佳圈數(shù)。

3? 結(jié)論

小車的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于傳動(dòng)比、主動(dòng)輪直徑和凸輪設(shè)計(jì)，以凸輪旋轉(zhuǎn)2圈為一個(gè)周期，根據(jù)避桿行駛的最佳路徑測(cè)算出小車行走一個(gè)“雙8”的總路程，再將其通過(guò)傳動(dòng)比反推得出主動(dòng)輪直徑，完美的凸輪設(shè)計(jì)可以讓小車行走的軌跡完全包含桿距離為300-400mm的情況，我們得出的結(jié)論是：小車能否有行進(jìn)路徑的最佳解，主要在于凸輪設(shè)計(jì)是否合理，微調(diào)裝置的主要作用在于調(diào)整設(shè)計(jì)和裝配誤差帶來(lái)的軌跡偏移，而非運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)整;在小車的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算值與實(shí)際成品的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象存在一定的誤差，為了使小車能夠達(dá)到預(yù)期行走軌跡，首先完全根據(jù)理論的計(jì)算值制作出小車的第一代成品，通過(guò)反復(fù)測(cè)定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度和行走軌跡調(diào)試，對(duì)小車的結(jié)構(gòu)與凸輪進(jìn)行修改，以提高小車結(jié)構(gòu)和行走多圈“雙8”的穩(wěn)定性，因?yàn)樾枰畲笙薅鹊臏p小小車的重量，所以即使是密度較小的PLA材料制作的打印件，也盡可能的對(duì)其進(jìn)行鏤空，鏤空零件帶來(lái)的效果除了減輕重量外，零件的強(qiáng)度也會(huì)在一定程度上受到影響，因此還不乏對(duì)小車零件進(jìn)行暴力測(cè)試，以檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過(guò)其對(duì)零件的可靠性進(jìn)行評(píng)估，以獲得最理想（強(qiáng)度符合需要，重量最輕）的零件，通過(guò)小車頂輪的多層大小輪結(jié)構(gòu)，我們可以根據(jù)場(chǎng)地材質(zhì)的不同調(diào)整重錘的力輸出，從而使小車能夠適應(yīng)不同材料的場(chǎng)地，同時(shí)獲得在該種材料場(chǎng)地的最佳圈數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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