雙前輪轉(zhuǎn)向無碳小車結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

徐楊梅+孟玲霞+劉學(xué)+侯周勇

摘 要：根據(jù)全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車”的創(chuàng)新思維活動(dòng)要求，進(jìn)行了小車結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，提出了雙前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，很好地解決了小車在沿s形軌跡行進(jìn)過程中的差速問題，無碳小車采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行s形軌跡的轉(zhuǎn)向控制，行走機(jī)構(gòu)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，多組齒輪快換進(jìn)行樁距調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)中采用MATLAB進(jìn)行計(jì)算及可行性模擬分析，采用ProE進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了加工組裝與調(diào)試參賽，并根據(jù)比賽實(shí)際問題進(jìn)行了改進(jìn)。小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，在轉(zhuǎn)向、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性獲得專家評(píng)委的一致好評(píng)。

關(guān)鍵詞：無碳小車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0027-04

Abstract： According to the proposition of the National College Engineering Training Comprehensive Ability Competition， focus on a carbon-free car（driven by gravitational potential energy has direction control function of the self-propelled trolley）innovative design activities， an innovative design with double front steering wheel mechanism is carried out. The structure design well solves the differential speed problem when car traveling along S-shaped. The car using slider crank mechanism to realize S shape track steering control， walking mechanism adopts primary gear driving. The gears can be quickly changed to realize the varying pile space. MATLAB was used in the design and the feasibility of the simulation analysis， the ProE was used for 3D modeling and design. After processing design， machining， assembling and debugging， the car has been completed and taken the Beijing competition. The structure of the car has been improved after race. The innovation of the design of the steering and transmission mechanism is novel， and has been praised.

Keywords： carbon-free car； structure design； steering mechanism design；crank slider mechanism

1 概述

無碳小車是以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車，如圖1所示，即將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為可以自主轉(zhuǎn)向的動(dòng)能。在規(guī)定的賽道上按“S”形自動(dòng)繞障行走，如圖2所示，根據(jù)避障數(shù)量和小車行走距離計(jì)分。重力勢(shì)能采用質(zhì)量為1kg的重塊（φ50×65mm，碳鋼制作），垂直下降0.4m行程來獲得，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。并且要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距（70cm～130cm）障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。為此，必須進(jìn)行小車的曲線分析，并且利用MATLAB編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)符合要求的小車曲線，設(shè)計(jì)符合要求小車機(jī)構(gòu)的尺寸，計(jì)算小車的傳動(dòng)比。

目前比賽大家通常采用曲柄導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、凸輪滑塊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[1]-[4]，它們共同的特點(diǎn)都是單前輪轉(zhuǎn)向，雙后輪驅(qū)動(dòng)，后輪采用單輪驅(qū)動(dòng)或差速器解決小車轉(zhuǎn)向時(shí)的左右輪的差速問題。經(jīng)過分析研究各種常用傳動(dòng)方式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了雙前輪轉(zhuǎn)向的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，解決了小車在沿s形軌跡行進(jìn)轉(zhuǎn)向過程中的差速問題，采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行s形軌跡的轉(zhuǎn)向控制，行走機(jī)構(gòu)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，通過多組齒輪快換與微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行樁距大范圍粗調(diào)及小范圍精確調(diào)節(jié)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車由原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)、底板等六大部分組成。通過原動(dòng)機(jī)構(gòu)的重錘下落拉動(dòng)繞繩輪旋轉(zhuǎn)，繞繩輪的一側(cè)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)后輪的驅(qū)動(dòng)，另一側(cè)通過偏心輪驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)雙前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是把動(dòng)力傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。重物的重力，通過牽引繩帶動(dòng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過齒輪和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分別傳遞到后驅(qū)動(dòng)輪和前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如圖3所示。要使小車按照設(shè)計(jì)好的路線行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須要擁有傳動(dòng)比穩(wěn)定，傳動(dòng)效率高，阻力小等條件。最終采用齒輪傳動(dòng)方案。此方案摩擦小，效率高，傳動(dòng)比穩(wěn)定，工作可靠性高，可重復(fù)拆裝，零件標(biāo)準(zhǔn)化，動(dòng)力傳遞平穩(wěn)，即把動(dòng)力平穩(wěn)的傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上[6]。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)小車的核心。因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)“S形”繞固定障礙的要求，所以在一定范圍內(nèi)必須具有周期性準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向，并且穩(wěn)定性要高，摩擦與誤差要盡可能的小。常用的轉(zhuǎn)向方式有：（1）凸輪機(jī)構(gòu)，依靠凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)轉(zhuǎn)向桿使前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種方式摩擦力大，造成能量損耗大，并且凸輪曲線方程計(jì)算復(fù)雜，誤差大；（2）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較高的安裝精度。（3）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)幾何形狀簡(jiǎn)單，易于加工，可承受較大的載荷，相比于凸輪機(jī)構(gòu)磨損較小，耐磨性、平面度等較高，工作可靠，易于得到較高的制造精度[7]。圖3為兩個(gè)極限位置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖5為proE繪制的三維圖。因此，最終選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向輪的驅(qū)動(dòng)。該方案首先通過重物的釋放驅(qū)動(dòng)繞繩輪旋轉(zhuǎn)，再帶動(dòng)偏心輪的旋轉(zhuǎn)，繼而通過兩滑塊帶動(dòng)導(dǎo)軌的前后往復(fù)移動(dòng)，再通過前轉(zhuǎn)向齒輪帶動(dòng)中間軸的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過連桿實(shí)現(xiàn)兩前輪的同步偏轉(zhuǎn)。endprint

2.3 行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)一般采用雙輪后驅(qū)動(dòng)，此種驅(qū)動(dòng)方式需要考慮后輪差速問題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，隨之成本也會(huì)相應(yīng)的提高。若是前輪驅(qū)動(dòng)，則可能導(dǎo)致S型曲線轉(zhuǎn)彎時(shí)重心偏離導(dǎo)致小車傾斜，不能運(yùn)行平穩(wěn)。

經(jīng)過分析研究，創(chuàng)新性地使用了通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)后輪的單輪驅(qū)動(dòng)方式。通過這樣的設(shè)計(jì)，完美的解決了兩輪差速的問題，省去了加工差速器的不便，并且使得能量消耗變得更低，傳動(dòng)變得更有效率。而在后輪的材料選擇方面，我們考慮了有機(jī)玻璃和鋁合金的兩種可能性，雖然使用有機(jī)玻璃能夠有效的減輕重量，但因?yàn)槟Σ料禂?shù)過小，容易造成打滑。因此，我們選擇了鋁合金作為后輪材料，保證行走機(jī)構(gòu)的高效行走及穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)樁距從70cm～130cm可調(diào)，經(jīng)過分析計(jì)算，單純通過微調(diào)機(jī)構(gòu)不能滿足樁距大范圍調(diào)整的要求，在設(shè)計(jì)過程中，提出了多聯(lián)齒輪變速箱式的設(shè)計(jì)、等軸距三組齒輪快換設(shè)計(jì)、變直徑后輪設(shè)計(jì)等方案。其中多聯(lián)齒輪變速箱式，有創(chuàng)新性，能精準(zhǔn)達(dá)到不同樁距調(diào)整的要求，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜加工難度大，而整體成本上升。而變直徑后輪設(shè)計(jì)，加工安裝方便，但能量損失較大。

經(jīng)過以上分析比較，最終選用了等軸距三組齒輪快換式設(shè)計(jì)，如圖6所示。這種設(shè)計(jì)通過三組齒輪變換三組傳動(dòng)比，與其他微調(diào)一起實(shí)現(xiàn)不同樁距的調(diào)整要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工成本低。而缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)三組傳動(dòng)比的變換，精度低。

2.4 原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)是將重物下落產(chǎn)生的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車驅(qū)動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。小車對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下要求：有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩以克服摩擦驅(qū)動(dòng)小車行走；重物需要緩慢下落以保證小車速度適中；必須有重物的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)保持重物的中心在豎直方向上以保證小車可以穩(wěn)定行走；為了達(dá)成以上要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了滑輪+三腳架作為原動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

選擇的三腳架，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，用于引導(dǎo)重物的下落，使其下降平穩(wěn)，減少重物晃動(dòng)引起小車的搖晃，使小車速度均勻。另外因?yàn)槔匚锏睦K與繞繩輪在水平上存在一定的距離，我們需要用兩個(gè)滑輪對(duì)繩進(jìn)行引導(dǎo)。

而物塊下落的重力勢(shì)能需盡量直接轉(zhuǎn)化為小車前進(jìn)的動(dòng)能，這樣能量損失最少，從能量效率高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單原則上考慮最終選擇了質(zhì)量較輕尼龍繩提供拉力傳遞重物勢(shì)能。

2.5 微調(diào)機(jī)構(gòu)

根據(jù)大賽要求繞過的障礙物在70cm到130cm范圍內(nèi)需要小車可調(diào)。我們?cè)O(shè)計(jì)的微調(diào)方案是調(diào)節(jié)偏心距，如圖8所示，即調(diào)節(jié)曲柄位置來實(shí)現(xiàn)不同偏心距，從而調(diào)節(jié)前輪最大擺角，實(shí)現(xiàn)變樁距繞樁。而調(diào)節(jié)曲柄的方法有打孔定位與螺栓定位。由于打孔定位不能實(shí)現(xiàn)誤差的調(diào)節(jié)，不可取，所以我們選擇螺栓調(diào)曲柄位置的方案。

2.6 底板設(shè)計(jì)

底板用于支撐整個(gè)小車，是其他部件的連接基礎(chǔ)，也是小車的核心之一。為了實(shí)現(xiàn)小車輕量化的設(shè)計(jì)，我們選擇有機(jī)玻璃作為底板的材料。為了降低底板高度以降低整個(gè)小車的中心，保證行駛的穩(wěn)定，我們選擇“Z型”底板（見圖9）。

無碳小車創(chuàng)新性地使用了驅(qū)動(dòng)后輪的單輪驅(qū)動(dòng)方式和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的雙前輪轉(zhuǎn)向控制方式，有效避免了雙后輪驅(qū)動(dòng)的差速問題和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的問題。同時(shí)微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)方便，精確度高，通過調(diào)節(jié)可以繞過70cm到130cm范圍間距內(nèi)的障礙物。原動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可使重物在不同間距的繞樁不會(huì)對(duì)整車造成較大影響。各機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)無干涉，符合比賽要求。

經(jīng)過三維設(shè)計(jì)建模及matlab仿真計(jì)算分析，進(jìn)行了小車的加工制作及調(diào)試，整車如圖10所示。

3 結(jié)束語

無碳小車創(chuàng)新性地使用了驅(qū)動(dòng)后輪的單輪驅(qū)動(dòng)方式和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的雙前輪轉(zhuǎn)向控制方式，有效避免了雙后輪驅(qū)動(dòng)的差速問題和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的問題。經(jīng)過后期的試驗(yàn)和改進(jìn)，小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行駛平穩(wěn)可靠。

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