“8”字型無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉育良，呂曉，白文秀長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

“8”字型無(wú)碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉育良，呂曉，白文秀長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

我校為提高大學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，積極參與第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽，該比賽的主題是“無(wú)碳小車”。針對(duì)該比賽的要求，在充分領(lǐng)悟比賽意義與宗旨的前提下，本文闡述了其中“8”字比賽中無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)方案，該方案原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)便，并且也具有一定的穩(wěn)定性與適度的可調(diào)性。

無(wú)碳小車；繞“8”字；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；凸輪

一、基本設(shè)計(jì)原理

原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1

小車設(shè)計(jì)的基本原理是利用能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將重錘下降的勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)能傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可使小車行走，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制小車實(shí)現(xiàn)繞障功能。[1]

1.驅(qū)動(dòng)原理

在齒輪傳動(dòng)還是皮帶傳動(dòng)之間進(jìn)行選擇時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)向等因素，小車的傳動(dòng)比在行進(jìn)時(shí)需要相對(duì)精確，而皮帶由于打滑等原因不如齒輪傳動(dòng)。[2]因此本設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)。如圖將重錘用線通過(guò)定滑輪與車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接。其中9為繞線處,該結(jié)構(gòu)將動(dòng)力通過(guò)齒輪7傳動(dòng)到齒輪6然后帶動(dòng)到行驅(qū)動(dòng)輪8，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)功能。

2.轉(zhuǎn)向原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接決定了小車的行走軌跡。5為齒輪跟凸輪的結(jié)合體（或者使兩者分開(kāi)，加工成同軸），齒輪6帶動(dòng)齒輪5運(yùn)轉(zhuǎn)，然后帶動(dòng)推桿4進(jìn)行有規(guī)律的前后移動(dòng)，進(jìn)而控制導(dǎo)向輪左右偏轉(zhuǎn)。

3.調(diào)距原理

通過(guò)調(diào)節(jié)3和4的橫向相對(duì)位置來(lái)調(diào)節(jié)凸輪推桿3到轉(zhuǎn)向輪2中心的橫向距離，從而能夠控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)偏轉(zhuǎn)角度的大小，進(jìn)而改變軌跡。微調(diào)裝置的作用是調(diào)整小車的行走路線以及平衡零件加工和裝配的誤差。除了3、4的橫向相對(duì)距離可調(diào)外，他們的縱向距離也可通過(guò)螺紋配合可調(diào)。

二、路線設(shè)計(jì)

路線設(shè)計(jì)是在原理確定之后的首要設(shè)計(jì)。如圖2為小車中心的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)，根據(jù)此次比賽要求的特性，設(shè)計(jì)路線如下圖所示，中部相交的兩直線分別與左右兩側(cè)圓弧相切，其中左側(cè)圓弧半徑較小，是有兩根桿的一側(cè)，小車從兩桿之間穿過(guò)以節(jié)省能量；右側(cè)圓弧半徑較大，是有一根桿的一側(cè)。在比賽要求范圍內(nèi),無(wú)論障礙物在什么位置，小車均能順利通過(guò)。如此設(shè)計(jì)既能滿足比賽題目要求，又能最大限度得利用有限的運(yùn)動(dòng)空間來(lái)設(shè)計(jì)小車。

圖2

圖3

根據(jù)如圖3幾何關(guān)系可以有已經(jīng)確定行進(jìn)軌跡半徑r來(lái)確定導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角β與小車導(dǎo)向輪中心到后輪軸的距離d尺寸之間的關(guān)系，根據(jù)速度重心等綜合考慮小車選用合理的輪廓尺寸d以及總體車寬。然后再確定轉(zhuǎn)角β的值。

tanβ=d/r

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4

如圖4所示，繞線輪帶動(dòng)同軸齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1與齒輪2嚙合進(jìn)而帶動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪2與驅(qū)動(dòng)輪同軸，使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)；另一方面齒輪2與齒輪3嚙合，而凸輪4與齒輪3同軸，凸輪4轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)推桿5前后移動(dòng)（推桿后移時(shí)由一橡皮筋拉回），當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便可觸發(fā)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。

2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理：如圖4所示，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由凸輪4和推桿5加一滑道機(jī)構(gòu)6組成，凸輪經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，凸輪便可推動(dòng)推桿5前后移動(dòng)，凸輪與推桿高副連接，推桿通過(guò)一豎直連接桿8與滑道機(jī)構(gòu)移動(dòng)副連接。推桿前后移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)豎直連接桿8，使得零件7繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)向。推桿5用橡皮筋（圖中未畫）拉回，橡皮筋套在支座10與圖中零件9的位置。

當(dāng)轉(zhuǎn)小彎道的時(shí)候，凸輪往前推動(dòng)推桿5，導(dǎo)向輪左偏，此時(shí)推程最大；小彎之后接下來(lái)就是一段直線的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)凸輪推程為中間值，此時(shí)導(dǎo)向輪不偏；隨后就是大彎，此時(shí)凸輪推程為零，導(dǎo)向輪右偏。

3.調(diào)距機(jī)構(gòu)

如圖5，調(diào)距主要分縱向（直線行走的方向）和橫向兩部分。圖中零件4為滑道，主要起支撐推桿作用。

3.1 縱向部分

原理敘述：縱向整個(gè)推桿1分成兩大部分，這兩部分通過(guò)螺紋連接（如圖5，零件1其中一部分加工螺紋軸，另部分加工為螺紋孔），因此兩者可通過(guò)擰動(dòng)來(lái)微調(diào)兩部分的總體長(zhǎng)度，進(jìn)而改變整個(gè)推桿的總長(zhǎng)度。該部分的調(diào)節(jié)主要平衡縱向的加工裝配誤差，保證小車在走直線的時(shí)的直線度。

3.2 橫向部分

原理敘述：如圖5零件2，實(shí)際加工時(shí)標(biāo)注刻度刻度，與頂部帶螺紋孔的零件3相配合，小車行進(jìn)時(shí)頂部可擰上螺釘將兩者固定緊；需要調(diào)距時(shí)，將螺釘擰松，調(diào)節(jié)零件2在零件3槽中移動(dòng)，進(jìn)而可調(diào)節(jié)零件2與導(dǎo)向輪中心的距離。凸輪推程一定，當(dāng)零件2往左或者右移動(dòng)后，小車行走時(shí)導(dǎo)向輪偏角便會(huì)與原來(lái)不同，其所走圓弧半徑便會(huì)改變，進(jìn)而起到調(diào)距功能。

圖5

設(shè)計(jì)參數(shù)：零件2下端圓柱中心距離導(dǎo)向輪中心的理論橫向距離為12mm。此處實(shí)際有+、-2mm的左右移動(dòng)空間，如此設(shè)計(jì)小車轉(zhuǎn)彎時(shí)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角便可通過(guò)此處的左右移動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行變動(dòng)，進(jìn)而小車的轉(zhuǎn)彎半徑便可相應(yīng)改變。由上文路線設(shè)計(jì)時(shí)確定的d以及車寬，可計(jì)算出具體轉(zhuǎn)角與半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系，其數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：

四、結(jié)束語(yǔ)

本次無(wú)碳小車設(shè)計(jì)先是根據(jù)比賽題目要求確定其總體原理以及運(yùn)行路線，然后根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析與計(jì)算設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸，隨后就是制造和調(diào)試。在所有過(guò)程中都需要以嚴(yán)密、科學(xué)地計(jì)算與分析為基礎(chǔ)。通過(guò)本次對(duì)無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)在鞏固原有理論知識(shí)的同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。更重要的是學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品有了一定的過(guò)程體驗(yàn)，為未來(lái)更高技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了寶貴的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

[1]徐巖.基于物探小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].硅谷，2014（5）：14-16.

[2]朱孝錄.機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

劉育良（1996-），男，漢族，山東煙臺(tái)人，單位：長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2014級(jí)本科；

呂曉（1994-），男，漢族，山東煙臺(tái)人，單位：長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2014級(jí)本科；

白文秀（1996-），女，漢族，山西大同人，單位：長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2014級(jí)本科。