基于重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)S環(huán)形小車設(shè)計(jì)與制作

姜國(guó)振 ， 宋敬敬 ， 劉鈺杰 ， 杜 坡 ， 毛 力

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.沈陽(yáng)市汽車工程學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110122）

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是一項(xiàng)為了提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，深化實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)改革，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開(kāi)展的一項(xiàng)公益性科技創(chuàng)新競(jìng)賽。根據(jù)競(jìng)賽要求，需要設(shè)計(jì)制作出一種能夠在有限能量的條件下沿著由直線段和圓弧段組合而成的一封閉環(huán)形賽道軌跡行走的小車，并能夠繞過(guò)前方的障礙物。S環(huán)形賽道示意圖，如圖1所示。小車行走過(guò)程中必須在指定競(jìng)賽場(chǎng)地上與地面接觸運(yùn)行，且完成所有動(dòng)作所用能量均由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得，不允許使用任何其他形式的能量。

圖1 S環(huán)形賽道示意圖

1 重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)車各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)S環(huán)形小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)等部分。在設(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)機(jī)構(gòu)的布局要合理，防止機(jī)構(gòu)之間干涉，在設(shè)計(jì)初期要有整體觀念，確保機(jī)構(gòu)組裝時(shí)的相對(duì)位置準(zhǔn)確。同時(shí)，要提出多個(gè)方案用于篩選，進(jìn)行比較與選優(yōu)，學(xué)會(huì)規(guī)劃與決策。零件加工時(shí)要確保尺寸配合的精度，便于后期組裝和調(diào)試。在初始階段小車的調(diào)試結(jié)果會(huì)與理想狀態(tài)有較大偏差，需要確定精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)相配合[1-3]。

1.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種將重錘的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化動(dòng)能的機(jī)構(gòu)，考慮到實(shí)用性，原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用塔輪式纏線輪，能夠逐步改變傳遞力矩，克服摩擦力，適應(yīng)不同的場(chǎng)地[4]。與此同時(shí)，小車在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還應(yīng)滿足下列要求：

1）小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度不能太快，啟動(dòng)過(guò)快會(huì)使小車發(fā)生側(cè)滑，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在拐彎處側(cè)翻，影響正常的行進(jìn)。發(fā)車時(shí)小車相對(duì)于地板由靜摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，初始力矩應(yīng)該較大，以便于小車的啟動(dòng)，因此，逐步減小驅(qū)動(dòng)力矩能有效控制小車速度。

2）小車在前進(jìn)的過(guò)程中，根據(jù)能量守恒定理，要確保重錘的重力勢(shì)能盡可能多地轉(zhuǎn)化成小車的動(dòng)能，采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)方式，提高能量的利用率，較其他傳動(dòng)方式而言，此傳動(dòng)效率最高且傳遞運(yùn)動(dòng)較為精準(zhǔn)。

3）在小車行駛后期，由于重心降低，小車行駛更加平穩(wěn)，需要控制速度。通過(guò)塔輪式纏線輪在小車行駛最后階段的纏線直徑保持不變來(lái)控制速度。

根據(jù)小車在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的要求，本設(shè)計(jì)的原動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。工作原理是將重錘1系在柔性線繩上，提升重錘到指定高度，柔性線繩繞在繞線輪2上，再向下系在車體下部的主動(dòng)輪上，足夠長(zhǎng)的柔性線繩纏繞著主動(dòng)輪，使柔性線繩繃緊。然后重錘在重力作用下自行下落，系在重錘上的柔性線繩通過(guò)重錘及飛輪改變拉力的方向，柔性線繩的另一端系在塔輪式纏線輪3上，塔輪式纏線輪與主動(dòng)輪同軸安裝，帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與之同軸的齒輪也一起轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而實(shí)現(xiàn)車體整體移動(dòng)。

圖2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將原動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)力傳遞給轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪，控制勢(shì)能小車的行走和轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度和傳遞效率將直接影響勢(shì)能小車的運(yùn)動(dòng)軌跡和小車運(yùn)動(dòng)距離，所以設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)穩(wěn)定、效率高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。本研究設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相比于其他傳動(dòng)方式而言，具有工作可靠、瞬時(shí)傳動(dòng)比為常量、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率最高且傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示，根據(jù)無(wú)碳小車運(yùn)行軌跡速度要求傳動(dòng)比設(shè)計(jì)如下。

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

齒輪一級(jí)傳動(dòng)比：

齒輪二級(jí)傳動(dòng)比：

取后主動(dòng)輪直徑D=180 mm，則當(dāng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，小車前進(jìn)的路程：

小車最大理論行走長(zhǎng)度：

各級(jí)轉(zhuǎn)矩及摩擦力矩分析：

總的啟動(dòng)力矩：

式中，N——主動(dòng)輪總轉(zhuǎn)數(shù)，M1——上繞線軸轉(zhuǎn)矩，d1——上繞線軸直徑，d2——上繞線輪直徑，Mf——后輪摩擦力矩。

根據(jù)上述公式，求得M1=0.784 N·m，Mf=0.118 N·m，M0=0.39 N·m。

1.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是無(wú)碳小車設(shè)計(jì)過(guò)程中核心的關(guān)鍵部件，特別是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中凸輪形狀的設(shè)計(jì)，它直接決定小車的行走軌跡。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)需要盡可能減少摩擦消耗的能量，應(yīng)具有能使小車按照預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡行走特性[5-7]。

根據(jù)無(wú)碳小車行走軌跡要求，由于小車按照嚴(yán)格的軌跡運(yùn)行，需要確定的位移、速度、加速度等。本設(shè)計(jì)采取凸輪加推桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將槽形凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的周期性水平直線運(yùn)動(dòng)，再利用滑塊上的擺桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪擺動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右擺動(dòng)，使小車自動(dòng)避開(kāi)障礙物走S環(huán)形路線。根據(jù)車體前輪轉(zhuǎn)向規(guī)律，確定凸輪基圓的尺寸、偏心距等。按照小車運(yùn)行時(shí)的速度及平穩(wěn)性合理設(shè)計(jì)加速度與減速度，避免運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)剛性沖擊。小車的行走軌跡呈現(xiàn)正弦周期性變化，為保證小車在行走的過(guò)程中避開(kāi)障礙物，實(shí)現(xiàn)常規(guī)S形軌跡，將前輪擺桿與小車曲柄滑塊機(jī)構(gòu)通過(guò)線性導(dǎo)軌連接，小車前行時(shí)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄上的連桿推動(dòng)，將動(dòng)力傳遞至擺桿，從而實(shí)現(xiàn)小車左右轉(zhuǎn)向。

設(shè)計(jì)槽型凸輪時(shí)，根據(jù)小車的運(yùn)行軌跡，自主躲避障礙樁。將小車運(yùn)行路徑細(xì)分為無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)的構(gòu)成，細(xì)分為N個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩個(gè)點(diǎn)的連線，對(duì)應(yīng)凸輪上相應(yīng)的凸輪形狀。當(dāng)經(jīng)過(guò)點(diǎn)N1到點(diǎn)N2兩點(diǎn)連線路徑時(shí)，設(shè)驅(qū)動(dòng)輪速度為v，小車走過(guò)路程為s，小車完成整圈時(shí)路程為S總。根據(jù)車體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可知：

φ為小車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度，B為槽型凸輪到前輪的水平距離，u為微調(diào)滑塊前后位移。以下為凸輪相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)角度：

設(shè)小車前輪半徑為R1，后主動(dòng)輪半徑為R2，后從動(dòng)輪半徑為R3。各小車輪半徑與偏轉(zhuǎn)角度關(guān)系如下：

式中，L為驅(qū)動(dòng)軸之間的縱向距。

通過(guò)SolidWorks中motion功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，用MATLAB進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析，仿真軌跡圖如圖4所示，凸輪外輪廓三維圖、實(shí)物圖如圖5、圖6所示。

圖4 小車凸輪仿真軌跡圖

圖5 小車凸輪三維零件圖

圖6 小車凸輪實(shí)物圖

1.4 微調(diào)機(jī)構(gòu)

無(wú)碳小車運(yùn)行軌跡對(duì)于零件的加工和裝配誤差很敏感，因此需要增加微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正。根據(jù)螺釘旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)導(dǎo)程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)主要采用微調(diào)螺釘實(shí)現(xiàn)各部件相對(duì)位置的微調(diào)。微調(diào)機(jī)構(gòu)在水平、豎直方向上均有設(shè)計(jì)。此外，微調(diào)機(jī)構(gòu)還可以調(diào)整轉(zhuǎn)向模板的角度，以此使無(wú)碳小車的實(shí)際運(yùn)行軌跡和理論設(shè)計(jì)軌跡更加吻合，來(lái)修調(diào)與補(bǔ)償小車運(yùn)行時(shí)的偏差，使重力勢(shì)能小車適應(yīng)變樁距的要求，微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，實(shí)物如圖8所示。

圖7 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖8 微調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

設(shè)計(jì)規(guī)程中，考慮實(shí)用性、創(chuàng)新性、可實(shí)施性、制造成本等因素，經(jīng)過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)仿真最終制作小車的成品，整車三維設(shè)計(jì)圖及實(shí)物圖如圖9、圖10所示。

圖9 車體三維設(shè)計(jì)圖

圖10 小車實(shí)物圖

2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

1）由于能量一定，所以對(duì)小車的質(zhì)量要求比較高。在保證功能的條件下盡量減少小車重量。小車支撐桿使用碳纖維管制作，強(qiáng)度與功能性較好。重錘下落時(shí)高度較大，為防止重錘出現(xiàn)擺動(dòng)情況，用支撐桿固定，保證穩(wěn)定性[8]。

2）小車在材料選擇上，支撐桿、后支撐座、前支撐座、前叉、塔輪式纏線輪及部分齒輪使用3D光敏樹(shù)脂打印，成型精度高，成型速度快，節(jié)省了大量人力與物力。

3）由于小車啟動(dòng)時(shí)需要足夠大的啟動(dòng)力矩，克服與地面之間的摩擦力正常啟動(dòng)，塔輪式纏線輪設(shè)計(jì)成變徑輪，目的是根據(jù)不同的啟動(dòng)情況，及時(shí)調(diào)節(jié)繞線啟動(dòng)位置。

4）根據(jù)小車運(yùn)行軌跡兩邊對(duì)稱，采用槽型凸輪，利用凸輪的形鎖合，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，推動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。線性模組安裝在固定支架上，推桿可以在滑塊上自由移動(dòng)，而且滑塊位置在一定范圍內(nèi)可調(diào)。推桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，由于要適應(yīng)變樁距及加工、裝配等因素，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)橫向與縱向可調(diào)微螺桿。

3 總結(jié)

基于重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的S環(huán)形小車，在設(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)機(jī)構(gòu)的布局要合理，防止機(jī)構(gòu)之間干涉，在設(shè)計(jì)初期要有整體觀念，確保在機(jī)構(gòu)組裝時(shí)的相對(duì)位置準(zhǔn)確；同時(shí)，要提出多個(gè)方案用于篩選，進(jìn)行比較與選優(yōu)，學(xué)會(huì)規(guī)劃與決策。兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，保證運(yùn)行中的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)保證車體按照預(yù)定軌跡運(yùn)行，微調(diào)機(jī)構(gòu)具備可調(diào)節(jié)功能，可適應(yīng)不同樁距，彌補(bǔ)相應(yīng)零部件加工與裝配誤差[9-10]。零件加工時(shí)一定要確保尺寸配合的精度，如果零件的尺寸偏差過(guò)大，會(huì)對(duì)與之配合的零件造成影響，因此對(duì)加工中的各個(gè)步驟過(guò)程都要嚴(yán)格要求，保證產(chǎn)品的合格率，要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，認(rèn)真對(duì)待制造過(guò)程中的每一步。組裝和調(diào)試時(shí)，初始階段小車的調(diào)試結(jié)果會(huì)與理想狀態(tài)有較大偏差，要調(diào)整到預(yù)定軌跡需要花費(fèi)較多時(shí)間，要有持之以恒的精神。