基于重力勢能環(huán)形驅(qū)動(dòng)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

侍中樓　凌明成　王雨　劉順利　胡思齊

摘 要：根據(jù)第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽要求，設(shè)計(jì)了一種以重力勢能為唯一能量、具有連續(xù)避障功能的重力勢能環(huán)形驅(qū)動(dòng)車。在設(shè)計(jì)過程中，采用點(diǎn)集擬合方式，利用SolidWorks生成凸輪，再基于SolidWorks Motion仿真形成的軌跡來優(yōu)化凸輪，由凸輪推桿機(jī)構(gòu)控制小車轉(zhuǎn)向行駛；通過齒輪機(jī)構(gòu)放大傳動(dòng)比，增大勢能驅(qū)動(dòng)車行程；最后制作出樣車，調(diào)試驗(yàn)證行駛軌跡。該設(shè)計(jì)獲得了湖北省一等獎(jiǎng)，響應(yīng)了國家科技發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無碳。

關(guān)鍵詞：勢能驅(qū)動(dòng)車；連續(xù)避障；Motion仿真；無碳

中圖分類號：TH122? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0050-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.013

1? ? 研究背景

第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是一項(xiàng)檢驗(yàn)學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)和動(dòng)手能力的科技創(chuàng)新比賽。根據(jù)競賽要求設(shè)計(jì)制作了一種由重力勢能驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主轉(zhuǎn)向行駛并且有效繞樁的無碳小車[1]，規(guī)定砝碼質(zhì)量為1 kg±10 g，下降高度為（300±2）mm。小車包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、行駛機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)、主架。

2? ? 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

根據(jù)競賽要求，場地布置如圖1所示，缺口處放置活動(dòng)隔板，中間兩根障礙樁間距同向變動(dòng)，初始間距為1 000 mm，兩組障礙樁分布于隔板兩側(cè)處，同時(shí)與隔板共線、離隔板左右兩端550 mm處各放置一根障礙樁。競賽時(shí)，首根障礙樁和第四根障礙樁的位置不變，僅對中間兩根障礙樁間距同向變動(dòng)，變動(dòng)范圍為[-300，+300]mm[1]。

基于以上分析，將兩根活動(dòng)的障礙樁變化平面擬定長度為600 mm的擋板，使得樁距在區(qū)間范圍內(nèi)隨機(jī)變化，小車均能從擬定的路線安全繞過兩根活動(dòng)的障礙樁，安全運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。

3? ? 勢能驅(qū)動(dòng)車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1? ? 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與行駛機(jī)構(gòu)

3.1.1? ? 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，砝碼下落通過雙聯(lián)輪帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。雙聯(lián)輪大繞線輪與砝碼通過傳動(dòng)線連接，小繞線輪與主動(dòng)軸連接，將砝碼提升到（300±2）mm高度，砝碼下落，通過雙聯(lián)輪改變傳送線拉力大小，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)車的機(jī)械能。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

3.1.2? ? 行駛機(jī)構(gòu)

行駛機(jī)構(gòu)的主要作用是支撐驅(qū)動(dòng)車質(zhì)量以及傳遞運(yùn)動(dòng)。行駛機(jī)構(gòu)由前輪、左后輪和右后輪組成，由于小車在轉(zhuǎn)向行駛過程中，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)彎半徑大于內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)彎半徑，這就要求驅(qū)動(dòng)車外側(cè)車輪速度要大于內(nèi)側(cè)車輪，為平衡這一問題，后輪采用差速傳動(dòng)，其中右后輪為主動(dòng)輪，左后輪為空套從動(dòng)輪，如圖3所示。

3.2? ? 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

根據(jù)比賽要求的場地大小和樁距，利用樣條曲線擬合出驅(qū)動(dòng)車運(yùn)行的環(huán)形軌跡，軌跡部分坐標(biāo)點(diǎn)集如圖4所示；采用點(diǎn)集法將軌跡樣條曲線中的點(diǎn)導(dǎo)入Excel表格中，利用SolidWorks導(dǎo)入點(diǎn)集數(shù)據(jù)生成凸輪，坐標(biāo)點(diǎn)如圖5所示，圖中A為X軸坐標(biāo)，B為Y軸坐標(biāo)。

3.3? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)

3.3.1? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)思路

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重力勢能轉(zhuǎn)換的機(jī)械能傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和主動(dòng)輪。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)影響小車的行進(jìn)軌跡，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具有傳動(dòng)穩(wěn)定、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。與其他傳動(dòng)方式相比，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率較高、傳動(dòng)比穩(wěn)定，更有利于驅(qū)動(dòng)車的行進(jìn)，故選用齒輪傳動(dòng)放大傳動(dòng)比，延長小車行駛總路徑。

在齒輪設(shè)計(jì)之前要先確定驅(qū)動(dòng)車的總傳動(dòng)比，故先在三維軟件上利用樣條曲線擬合出安全的軌跡模型，得到軌跡周長S；假設(shè)后輪直徑為D，求出驅(qū)動(dòng)車后輪行進(jìn)一周的距離L，確定總傳動(dòng)比i總，為簡便計(jì)算過程，需對傳動(dòng)比取整。此外，根據(jù)軌跡總周長與傳動(dòng)比之比，求得后輪的周長，最后反求出后輪直徑D（保留小數(shù)點(diǎn)后兩位）[2]。

確定總傳動(dòng)比之后，若傳動(dòng)比過大，一對齒輪會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)車尺寸過大，不利于避障，故擬采用二級傳動(dòng)，分別取兩對齒輪傳動(dòng)比為i1、i2，總傳動(dòng)比即為兩對齒輪傳動(dòng)比之積。確定每一對齒輪傳動(dòng)比后，根據(jù)傳動(dòng)比選擇兩對嚙合齒輪的模數(shù)和齒數(shù)?？紤]到小車運(yùn)行過程中需要較高的穩(wěn)定性，而小模數(shù)的齒輪在運(yùn)行時(shí)可以盡量減小多邊形效應(yīng)，從而提高穩(wěn)定性，并且小模數(shù)齒輪的尺寸小，能夠使小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊，所以齒輪的模數(shù)選擇0.5。齒數(shù)在30～300之間進(jìn)行搭配選擇，擬選擇一對齒輪齒數(shù)為30和240，另一對齒輪齒數(shù)為35和105。齒數(shù)和模數(shù)確定后，齒輪的分度圓直徑也隨之確定，由于驅(qū)動(dòng)車的齒輪齒寬一般在2～6 mm，考慮到圓柱齒輪的軸向安裝誤差和調(diào)整，為了保證設(shè)計(jì)齒寬，一般選擇大齒輪齒寬等于設(shè)計(jì)齒寬，小齒輪齒寬略大于大齒輪齒寬，擬選擇大齒輪厚度為4 mm，小齒輪厚度為5 mm，并且使大齒輪適當(dāng)鏤空以減小重量。

3.3.2? ? 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

樣條曲線擬合的軌跡周長S=12 080 mm，為簡化比賽過程，在不改變后輪直徑的情況下，假設(shè)后輪直徑D=160 mm。

由式（6）可知兩對嚙合齒輪軸的軸間距分別為75 mm和140 mm。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖6所示。

3.3.3? ? 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

微調(diào)機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿組成，如圖7所示。通過調(diào)節(jié)蝸桿的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)調(diào)整推桿與凸輪相對位置的目的，進(jìn)而調(diào)節(jié)小車的軌跡。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)精度變高，同時(shí)，蝸桿傳動(dòng)接觸方式為線接觸，傳動(dòng)平穩(wěn)，具有自鎖性，保證了調(diào)節(jié)時(shí)唯一變量的確定性。

4? ? 勢能驅(qū)動(dòng)車的軌跡仿真及優(yōu)化

運(yùn)用SolidWorks軟件建模，將小車結(jié)構(gòu)簡化。首先用SolidWorks Motion分析中兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速之比代替計(jì)算出的齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，然后將連接的支撐座與底板建模成一體，最后將需要轉(zhuǎn)動(dòng)的零件與零件之間使用約束進(jìn)行配合。配合后，設(shè)定沿Z軸方向上的重力，確保小車能夠在地面上運(yùn)動(dòng)；添加前輪、后輪與地面的接觸，凸輪與轉(zhuǎn)向架的接觸，確保在小車運(yùn)動(dòng)過程中兩者相互接觸，防止出現(xiàn)后輪陷進(jìn)地面無法進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)，或者轉(zhuǎn)向架的推桿穿過凸輪，導(dǎo)致最終軌跡改變等現(xiàn)象；根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，確定后輪的主動(dòng)輪，在主動(dòng)輪和凸輪中心添加馬達(dá)，兩個(gè)馬達(dá)的傳動(dòng)比和二級齒輪傳動(dòng)比相似[3]。

以前輪和兩個(gè)后輪的重心為參照點(diǎn)，繪制小車在運(yùn)行時(shí)的軌跡。進(jìn)行仿真后，繪制出來的軌跡有些許問題，當(dāng)軌跡差別較大時(shí)，通過更改凸輪與前輪中心的距離來調(diào)試；當(dāng)軌跡差別較小時(shí)，通過改變轉(zhuǎn)向架中心到凸輪的距離來不斷優(yōu)化微調(diào)軌跡。小車仿真軌跡示意圖如圖8所示。

5? ? 驅(qū)動(dòng)車的制作與調(diào)試

為了驗(yàn)證上述分析及理論的正確性，利用加工中心制作底板、支座及后輪；采用激光切割亞克力板制作凸輪；采用車床加工軸類零件；制作時(shí)盡量采用質(zhì)量較輕且穩(wěn)定性較強(qiáng)的材料，并對后輪、底板等零件進(jìn)行鏤空處理，以減輕小車質(zhì)量，使小車在發(fā)車位置時(shí)需要相對較小的啟動(dòng)力矩，減少能量損耗，增大小車行程[4]。

小車實(shí)物圖如圖9所示。按照先前擬定的路線，對小車進(jìn)行調(diào)試，通過改變微調(diào)機(jī)構(gòu)、繞線輪、繞線的階梯軸和對凸輪的微調(diào)來減小外在因素和摩擦產(chǎn)生的誤差，使小車行進(jìn)軌跡與擬定路線基本一致[5]。

6? ? 結(jié)束語

基于重力勢能環(huán)形驅(qū)動(dòng)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要把握好整體的結(jié)構(gòu)布局，防止各機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，根據(jù)環(huán)形軌跡路線利用點(diǎn)集法設(shè)計(jì)出凸輪，確定傳動(dòng)比，采用二級齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，利用差速傳動(dòng)行駛并采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微調(diào)，使用SolidWorks Motion虛擬仿真，保證小車運(yùn)行的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。實(shí)物制作完成后，經(jīng)過不斷調(diào)試，在確定繞線輪傳動(dòng)比的情況下，確定當(dāng)砝碼落到最低處的時(shí)候，小車可以完成四圈半的路程。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2023-02-23

作者簡介：侍中樓（1992—），男，江蘇鹽城人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)電一體化。

基金項(xiàng)目：2021年度湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“勢能驅(qū)動(dòng)車的研制”（S202111072043）；武漢市教育局“新工程背景下工程實(shí)訓(xùn)智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系的構(gòu)建與研究”（2021041）