創(chuàng)新型無碳小車的設(shè)計與研究

李星

摘要：根據(jù)之前比賽過程當中，許多的無碳小車出現(xiàn)跑偏、周期長短調(diào)節(jié)不精確以及前輪轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)不精準等諸多問題，我們設(shè)計了一種新型的無碳小車。對小車的總體結(jié)構(gòu)進行了分析論證，并對各個機構(gòu)進行了設(shè)計。對微調(diào)機構(gòu)以及行駛軌跡進行了運動學分析。實踐證明，小車在競賽中具有運動靈活、累計誤差小、運動距離長、避障數(shù)目多等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：無碳小車;曲柄;微調(diào)螺桿

1? 設(shè)計背景

根據(jù)第七屆全國大學生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的要求：自主設(shè)計并制作一種具有方向控制功能的無碳小車，要求其行走過程中完成所有動作所需的能量全部來自給定小錘的重力勢能，不可以使用任何其他來源的能量。給定重力勢能由質(zhì)量為1Kg的標準砝碼（Ф50×65mm碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400+ -2mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。

具體要求：

①要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)需要具有可調(diào)節(jié)裝置，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的場地。

②要求小車為三輪機構(gòu)。其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外兩輪為行進輪，允許兩行進輪其中之一輪為從動輪。

“S”型賽道如圖1所示，賽道寬度為2米，沿直線方向水平鋪設(shè)。兩個障礙物的間距為1米。

2? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)大賽要求，我們的無碳小車的采用鎂鋁合金材料，傳動機構(gòu)使用圓柱直齒輪，轉(zhuǎn)向機構(gòu)由曲柄滑塊機構(gòu)以及原動機構(gòu)等其它幾部分組成。無碳小車整體設(shè)計方案如圖2所示。

2.2 原動機構(gòu)

僅有1Kg砝碼提供的重力勢能支持無碳小車的行走，這些能量完全用于繞樁與轉(zhuǎn)向，才能保證小車行駛足夠遠的距離。行走裝置和轉(zhuǎn)向裝置需要相互配合，才能達到最佳的工作狀態(tài)。因此，運動的協(xié)調(diào)性就需要通過傳動系統(tǒng)來保證。組成動力部分的有細線、鋁管、定滑輪、1Kg的砝碼、圓柱齒輪（大）和驅(qū)動軸。能量控制方面采用了鎂鋁管來固定重錘，防止下落過程中的擺動，這樣設(shè)計的優(yōu)點在于減少砝碼擺動過程中不必要的能量損耗盡可能使小車行駛穩(wěn)定，防止小車在行進過程中的出現(xiàn)翻車、跑偏等問題。

2.3 傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)的功能是把動力傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。若要使小車行駛的距離更遠且按照設(shè)計的軌跡精確地運動，傳動機構(gòu)必需具有傳遞效率高、傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等特點?；谝陨系囊螅覀冞x用圓柱直齒輪作為我們的傳動機構(gòu)，它解決了我們的啟動困難、傳動不穩(wěn)定等諸多問題。設(shè)障礙物的間距為2米，小車運行一個周期的距離L，后輪直徑d=130mm。

由傳動比得：i=L/（∏d）

計算得傳動比：5.43。按第一系列（模數(shù)為0.5）選取大齒輪齒數(shù)152，小齒輪齒數(shù)28。

2.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是小車的核心，要求機構(gòu)具有簡單、加工方便、運動靈活和穩(wěn)定等特性。綜合各方面因素考慮，我們選用曲柄滑塊機構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。轉(zhuǎn)向機構(gòu)方案設(shè)計如圖3所示。

轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動原理：曲柄繞著驅(qū)動軸的中軸線做回轉(zhuǎn)運動，曲柄推動連桿使滑塊做前后往復(fù)運動，固連于滑塊上的開槽過渡桿也跟隨滑塊做前后運動，搖桿連接在過度桿上，在一定的范圍內(nèi)做前后擺動。

曲柄的長短可以改變周期的長短。當小車運動過程中，運動周期過長，可將微調(diào)螺桿1順時針旋轉(zhuǎn)，反之運動周期過小，可將微調(diào)螺桿1逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。

開槽過渡桿可以調(diào)節(jié)前輪轉(zhuǎn)角的大小，即小車在運動中，轉(zhuǎn)角過大，可將微調(diào)螺2桿順時針旋轉(zhuǎn)一個角度，反之擺動角度小，將微調(diào)螺桿逆時針旋轉(zhuǎn)。

3? 運動分析

3.1 小車運動軌跡分析計算

兩個樁距之間的距離為1000mm，筆者設(shè)計無碳小車的軌跡為余弦函數(shù)曲線，T=2000mm，A=400mm。

3.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)運分析計算

轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計的過程中，必須保證前輪左右擺動的幅度相等，即需曲柄的回轉(zhuǎn)中心與搖桿擺動平面處于等高位置。

如圖4所示，對轉(zhuǎn)向機構(gòu)左極限位置、右極限位置和零點位置進行機構(gòu)數(shù)學分析。

圖4中L、L1、L2*、L2**、L3分別為搖桿到曲柄轉(zhuǎn)動中心、曲柄、連桿、過渡桿、搖桿的長度，θ為搖桿擺動的角度，曲柄的轉(zhuǎn)角為ɑ。

4? 總結(jié)

4.1 小車整體性能的提高

在重量方面，無碳小車全部采用鎂鋁合金材料制成比起之前采用鋁制小車重量減輕。

在傳動方面，我們采用0.5模的齒輪進行傳動，它的優(yōu)點在于傳動精度高，傳動的間隙較小，使得小車在行走過程中的誤差大幅降低。

在轉(zhuǎn)向方面，我們采用曲柄滑塊機構(gòu)，比之前的空間連桿機構(gòu)更加穩(wěn)定，傳動更加精準，保證了前輪的左右擺動幅度相同。

4.2 個人工程實踐能力的提高

在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，我們自己獨立完成了小車大部分零件，在此過程中，我們學會了車床、銑床、鉆床;掌握使用激光切割、線切割、以及五軸銑床的加工方法;學會了零件的加工工藝流程，使得加工工藝更優(yōu)化，提高了動手能力。

4.3 對機械行業(yè)更深刻的理解

在準備比賽的過程中，我們明白了設(shè)計的好壞決定了機械產(chǎn)品品質(zhì)，若能在機械設(shè)計初期就發(fā)現(xiàn)一些問題，就可最大限度地降低產(chǎn)品研發(fā)成本，提高產(chǎn)品性能和成品率。同時，通過對小車加工，我們也明白了機械加工工藝的重要性：合理加工工藝可實現(xiàn)設(shè)計的目的。同時對加工工藝的了解可以設(shè)計出更易加工的產(chǎn)品。

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