無碳越障小車數字化設計與制造

袁名偉，楊 慧，潘 忠

(1.天津職業技術師范大學世界技能大賽中國研究中心，天津 300222;2.天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300222 3.天津職業技術師范大學 理學院，天津 300222)

0 引言

無碳越障小車作為全國大學生工程訓練綜合能力競賽主題，要求驅動和轉向是純機械機構，結構設計要簡單精確，能量消耗追求最小化，使無碳小車按照規定區域和路線行走的路程更遠，軌跡更精確。

該設計的無碳小車進行了5個輪次以上的實踐實驗和結構優化，運動件采用滾動副少且摩擦力小，并考慮波峰值和軌跡的最優路線。小車差速器在全國大學生工程訓練綜合能力競賽中未有采用，支撐結構國內外尚無應用。無碳越障小車高精度零件制造和精確裝配，特別是差速器的應用和精巧結構布局，小車進行拐彎時，對后輪速度差進行了有效的補償，避免了后輪的滑動現象的產生;繞線軸采用多階臺尺寸，啟動時繞線大直徑階臺，解決了因靜摩擦力啟動力矩大的問題，勻速運行時動摩擦力相同，繞線經過精確計算的直徑小的軸徑，保證小車平穩勻速運行。

通過一系列的結構優化和實踐，該設計使小車準確可靠地完成50個樁的繞行和直線行走距離接近55 m，達到理論核算值，達到了理想的設計和實驗效果，最終獲得全國第一名。

本研究針對無碳越障小車要求運行軌跡準確和行程距離長等關鍵要素，研究小車的重力勢能轉換為機械能和周期性地轉向實現準確避障等方面問題。

1 無碳越障小車要求與原理

全國大學生工程訓練綜合能力競賽第二屆和第三屆競賽主題是要求設計一部以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車，小車在寬度為2 m 的賽道前行時能夠自動避開障礙。

無碳小車在重力勢能作用下自動行走軌跡如圖1 所示。

圖1 無碳小車在重力勢能作用下自動行走軌跡

無碳小車的驅動及轉向原理圖如圖2 所示［1］。

圖2 無碳小車的驅動及轉向原理圖

無碳小車完成所有動作的能量完全由重物塊1 提供，小車在前進時重物塊緩慢下降，驅動小車周期性繞樁前進。

2 設計方案

2.1 驅動機構

重物塊下降的勢能通過雙聯輪傳遞給繞線軸，繞線軸上的齒輪與差速器箱體上的齒輪嚙合［2］，本研究將驅動力分配給左、右車輪，使小車在轉向時左、右車輪獲得不同的速度及保證轉向平穩［3］。

無碳小車傳動圖如圖3 所示。

圖3 無碳小車傳動圖

雙聯輪在增大無碳小車行程的同時也降低了小車的驅動力，考慮到小車啟動時靜摩擦力和前進過程中摩擦阻力并不相同，將繞線軸設計成階梯式［4］，方便調整啟動力和前進時的驅動力，從而讓小車在啟動時既能克服靜摩擦力，在前進時驅動力等于摩擦阻力，進而控制小車的速度為勻速前進。

無碳小車在轉彎時，左、右車輪的轉向半徑不相等，其中內側車輪轉速低，車輪的狀態是邊轉動邊滑動，外側車輪轉速快，采用差速器可以自動分配驅動力給左、右后車輪，保證左、右后車輪的轉彎速度不相同，使小車的轉向過程更加平穩。

2.2 轉向機構

轉向機構［5］采用空間曲柄搖桿機構。繞線軸通過齒輪機構將驅動力傳遞給曲柄，再通過連桿(連桿兩端的運動副為球鉸)帶動搖桿前后擺動，由于前輪與搖桿為一整體件，小車前進時，前輪左、右擺動就可實現周期性的繞樁。空間曲柄搖桿機構中曲柄的回轉中心在搖桿的擺動平面內，保證空間曲柄搖桿機構不存在急回特性。搖桿的長度等于連桿極限位置時其與車體中心的距離［6］。

3 關鍵技術

在滿足零件使用性能要求的前提下，在零件設計時還充分考慮減少能量損耗及美化小車外觀等因素，支撐部件材料主要選用鋁合金［7］，運動部件采用NAK80，后輪因不需重載，為增加與地面摩擦力，采用有機玻璃，滿足小車運動需要的情況下，使小車質量盡可能輕。

3.1 小車運行軌跡建模

小車參數設置為:后輪位置X(s)，前輪位置Y(s)，后輪方向角β(s)，前輪方向角β(+θ)。

(1)位置關系:

式中:V1(s)—后輪方向:

式中:S—弧長參數。

(2)姿態關系:

V1和V2夾角為θ:

繞線軸啟動直徑d3=22 mm，驅動直徑d4=12.5 mm，波峰波谷760 mm，后輪直徑d5=134 mm，前輪直徑d6=35 mm。

齒輪機構傳動比i54=0.4，i78=2.5，設計繞樁周期為2 m，一個周期內小車行駛的距離S1≈2.6 m(通過專業軟件計算得出)。小車設計行程S2=L/d4×3.14×d5=67.3 m，周期數N1=67.3/S1=25.8，繞樁個數N2=25.8×2=51個。

3.2 轉向機構設計參數

轉向機構是保證小車準確行走的關鍵，應根據設定行走曲線確定轉向機構部件的參數和尺寸。

轉向機構如圖4 所示。

圖4 空間曲柄連桿轉向機構

設曲柄L1=20 mm，搖桿L3=65 mm，機架L4=128 mm。

連桿的長度根據計算得L=129.5 mm，在設計分析中，搖桿的左、右理論極限位置關于搖桿擺動中心線對稱。

小車方向:

后輪起始角度α=0 時，前輪起始角度θ=0，ΔX=R·cosθ=r·sinθ，故θ=arcsin(R/r·cosα)。

角速度控制:α=ω·S/R，其中:S—行走距離。

3.3 小車整體結構與制造

由于設計、加工、裝配誤差的存在，無碳小車的轉向機構很難達到理想的狀態，為了便于調整將連桿設計成螺紋差動，本研究通過微調連桿的長度，消除曲柄搖桿機構的急回問題和轉向的準確性。

小車在轉向時重物塊由于慣性會左、右晃動，影響小車的穩定性，本研究通過制作一個重物塊導向管，將重物塊限制在導向管內，保證了其行走穩定性。驅動機構繞線軸、差速器、左/右支撐座及左/右后輪軸組成。繞線軸同時也是齒輪的驅動軸，制造時應保證較小的圓跳動誤差。

本研究采用的錐齒差速器，其驅動機構和錐齒差速結構如圖5 所示。

圖5 驅動機構和錐齒差速結構

因差速器錐形齒輪特殊，需用數控銑床進行三維造型后精確銑出齒形，再進行鉗工修整［8］。左、右支撐座的軸承孔必須保持同軸度和高度方向的精度。本研究通過在加工中心上一次銑削兩個支撐座的軸承孔用浮動鉸刀鉸孔至尺寸，可保證很好的形位精度和尺寸精度。采用帶法蘭軸承支撐，保證較高的軸向定位精度［9］，確保小車整體安裝精度。

整車結構如圖6 所示。

圖6 無碳小車實物圖

4 結束語

無碳小車的設計過程充分利用二維、三維繪圖和仿真軟件，不僅能及時發現設計中存在的問題，還大大縮短了設計周期，充分考慮到小車結構、影響小車運行穩定性的因素、各個零部件加工工藝和整車的安裝精度等各種問題。無碳小車在加工、裝配、調試完成后，在復合木地板地面上最遠繞樁50個，行走距離達到55 m，達到理想的設計要求。

小車具有較強的場地適應性和可調性，能滿足大理石版、實木板場地的要求。憑借優化的結構設計和高精度的制作，無碳小車在全國大學生工程訓練綜合能力大賽中名列前茅。

［1］王 斌，王 衍，李潤蓮，等.無碳小車的創新性設計［J］.山西大同大學學報，2012(1):59-62.

［2］陳曉東，石雁南，張莉莉.無碳小車的設計制作與創新實踐［J］.實驗室研究與探索，2013(12):92-95.

［3］紀名剛，濮良貴.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［4］朱孝錄.機械傳動設計手冊［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［5］(德)切梅茲.切梅茲萬向節和傳動軸:分析設計應用［M］伍德榮譯.北京:北京理工大學出版社，1997.

［6］張春林.機械原理［M］.北京:清華大學出版社，2009:214-234.

［7］陳和法.泡沫鋁合金阻尼性能的研究［J］.材料科學與工程學報，2003，21(4):521-523.

［8］鐘金勇.談談齒輪精度［J］.機械設計與制造，1999(3):53-54.

［9］馮之敬.機械制造工程原理［M］.北京:清華大學出版社，2009.