無碳小車創新性結構設計

劉金肖，何秋熟，楊延清，張遠明

(東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189)

0 引言

目前國家正在大力倡導節能減排項目，國家教育部開展了以“無碳小車”為主題的全國大學生工程訓練綜合能力競賽。競賽內容為:設計一種以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車，給定重力勢能為4 J(取g=10 m/s2)，通過重物下降來獲得，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，同時繞過前進道路上的障礙物，在不碰撞障礙物的前提下盡可能讓小車跑得更遠。圖1 為小車示意圖。

圖1 無碳小車

競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設置的間距為100 cm 的障礙物，如圖2 所示。

1 設計概述

通過對競賽命題的分析，小車須有驅動機構、傳動機構和轉向機構三個環節。由能量守恒定律可知:W(重)=W(地)+W(車)，即重物下降的重力做功等于小車與地面的摩擦做功加上小車內部零件摩擦做功。在W(重)恒定情況下，應盡量簡化小車機構，減小W(車)，使W(地)足夠大。而W(地)=f×mg×s，在地面摩擦系數f 及W(地)一定情況下，為使行駛距離s 足夠大，應盡量減輕小車質量mg。為使小車能穩定運行，小車應保持低速行駛，原因是:如果小車在高速行駛，由于重物和小車的慣性作用，在小車轉向時，必然會發生側偏現象，穩定性大大降低;另外，在重物即將落到車底板上時，如果速度太快必然會與底板發生撞擊，造成能量損失，減少運行距離。在盡量提高運行距離的同時，必須設法提高小車的轉向精度，使小車左右偏移的時間和距離幾乎相同，以使小車能夠始終繞過障礙物。

圖2 無碳小車行走軌跡示意圖

綜上，為使小車在保持穩定情況下跑得更遠，應盡量減輕小車質量，簡化小車結構和零件配合，保持低速前行。為提高小車的轉向精度，需要提高小車各個零件的制造精度以及整車的裝配精度，并設計合理的微調裝置以便調節偏移量。

2 設計思路和方案

2.1 動力驅動機構

為使重物的重力勢能有效地轉化為小車的動能，將重物與驅動輪通過繩子連接，重物下落時帶動驅動輪轉動。實驗得出，小車運行時先加速后勻速最后減速的過程是最為理想的，所以在驅動軸上套梯形軸(圖3)來實現這一效果。起步時，繩子繞在梯形軸直徑較大處，驅動力矩大于小車阻力矩，重物帶動驅動軸轉動，小車加速行駛;之后，繩子繞在梯形軸直徑較小處，驅動力矩等于阻力矩，小車勻速行駛;最后，重物能量即將耗盡，繩子繞在梯形軸直徑最小處，驅動力矩小于阻力矩，小車減速，該階段重物緩慢降落也避免了與小車底板的撞擊。

圖3 小車傳動轉向原理圖

小車兩后輪，一輪通過緊定螺釘固定在后輪軸上為驅動輪;另一后輪通過軸承配合套在后輪軸上，是從動輪。在小車轉彎時，兩輪必須存在差速，若兩輪同時為驅動輪，其中一輪必然與地面發生滑移，小車穩定性降低。而一個主動輪、一個從動輪就能很好的解決這一問題。

2.2 傳動機構

在機械設計中，齒輪傳動效率可高達98%，因此采用齒輪傳動。為增加小車有效繞樁數目，考慮到如果采用多級傳動，多根軸的裝配要求必然會很高，多齒輪嚙合也會影響小車的傳動效率，同時也會增加成本，因此采用了一級傳動。見圖3 可知。

根據設計要求，確定小車寬度為0.18 m，大輪(驅動輪)直徑為0.19 m，障礙物直徑是0.02 m。小車要成功繞過障礙物，必須在與障礙物橫向共線時至少偏離0.09 m。考慮到小車穩定性及地面摩擦的影響，假設定偏距為p，小車傳動比(即大齒輪與小齒輪齒數比)為k:1。由圖2和圖3，小車在繞樁過程中，每個周期會繞過2 個障礙物，重物驅動大齒輪轉動一周，則小齒輪轉動k 周，后輪行駛軌跡長為s=0.19π×k。下面通過C++編程，尋找定偏距p 與傳動比k 之間的關系，最終選出小車最優行駛軌跡。

由圖2，可將小車軌跡定近似為正弦曲線，軌跡方程為y=p×sin(π×x)。

則編程為:

通過改變P 值得出k 與p 關系如表1 所示。

表1 偏距p 與傳動比k 及s 的關系

考慮地面摩擦及小車行駛過程中的最優軌跡，確定p=0.3m，則k 可取4.6，所以選取小齒輪齒數為20，大齒輪齒數為92，齒輪模數為1，壓力角20°。

2.3 轉向機構

小車采用曲柄搖桿機構來實現左右均勻擺動，進而使小車在前進過程中能穩定等偏距繞過障礙物。如圖4所示。

圖4 小車轉向機構示意圖

小車行駛過程中轉向必須均勻穩定，所以曲柄搖桿機構不能有急回特性，即行程速度變化系數K=1，B1AB2 在一條直線上［1］。

由圖4 得:

兩式相減并整理得:

則構件之間滿足關系為:a2+d2=c2+b2

其中:a 為曲柄AB 長度，b 為連桿BC 長度，c 為搖桿CD長度，d 為機架AD 長度。

考慮到小車調試過程中的可調性，應將b 連桿中間設置微調機構，見圖3 中長度微調螺栓，以使小車在更加精確的軌跡上前行。

2.4 小車的整體設計方案

根據以上的各機構模塊的設計方案，在PROE 上建立三維模型，確定小車的整體設計方案如圖5 所示。

3 結語

在設計過程中，為克服遇到的困難，結合已學過的知識，給出了一些創新的解決方法。例如，應用C++編程的方法確定偏距與傳動比之間的關系，為選擇最優的軌跡路線提供了很好的依據;同時采用曲柄連桿機構，根據無急回特性的要求確定各構件間的關系，再應用微調裝置精確調節小車運行軌跡。這些方法對于無碳小車以及其他一些機械產品的設計都具有一定的參考價值。

圖5 小車的整體設計方案

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