雙八字無碳小車的研究與分析

摘要：根據(jù)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的要求，本文提出了無碳小車的設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)方案最大的特點(diǎn)就是運(yùn)用不完全齒輪機(jī)構(gòu)來完成間歇運(yùn)動。本文對雙八字無碳小車的設(shè)計(jì)方案和加工工藝做了詳細(xì)介紹，并闡述了本作品的創(chuàng)新點(diǎn)——利用四桿機(jī)構(gòu)的急回特性，使小車在所需位置完成快速轉(zhuǎn)向。

關(guān)鍵詞：雙八字;無碳小車;方案設(shè)計(jì)

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1578（2019）06-0282-01

1.方案設(shè)計(jì)

由于小車行走路線為周期運(yùn)動，所以設(shè)計(jì)方案只需要按照一個(gè)周期設(shè)計(jì)即可。傳動機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動，小車前行過程中所需動能由物塊下落的重力勢能轉(zhuǎn)化提供，根據(jù)能量守恒定律，必須盡可能地減少能量損失，而齒輪傳動具有傳動效率高、傳動平穩(wěn)、能量損失小的優(yōu)點(diǎn)，故采用齒輪傳動。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，而為了使小車滿足雙8字運(yùn)動，設(shè)計(jì)方案以不完全齒輪代替曲柄，目的是使小車既能滿足轉(zhuǎn)向所需要的平面四桿機(jī)構(gòu)，又能使其在轉(zhuǎn)向過程中完成間歇運(yùn)動。小車軌跡如圖1所示，可以把小車軌跡近似看成由①到②的圓周運(yùn)動，由②到③的s形曲線運(yùn)動。因此，在小車從①運(yùn)動到②的過程中，不完全齒輪需要達(dá)到鎖弧位置，使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不動來完成半圓周運(yùn)動。當(dāng)鎖弧區(qū)域完成后，有齒部分控制曲柄轉(zhuǎn)動來驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向完成s形曲線運(yùn)動，同時(shí)需要設(shè)置微調(diào)機(jī)構(gòu)。鑒于競賽場地的不同間距障礙物需根據(jù)抽簽隨機(jī)進(jìn)行調(diào)整，小車的轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)必須具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)不同的場地需求。安裝完畢，簡單調(diào)試后，都會在已經(jīng)確定好了的初始位置處進(jìn)行試跑，根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)，對小車再一次進(jìn)行調(diào)試，并用量角尺對初始位置和初始角度進(jìn)行微小調(diào)節(jié)。

5.對四桿機(jī)構(gòu)急回特性的利用和設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1，小車從②到③的運(yùn)動過程中，轉(zhuǎn)向需要一個(gè)急回的過程，所以可以利用四桿機(jī)構(gòu)的急回特性來完成迅速轉(zhuǎn)向。下面介紹設(shè)計(jì)方法：

設(shè)已知搖桿的長度CD、擺角ψ及行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，先利用θ=180°（K-1）/（K+1）算出極位夾角B，并根據(jù)搖桿長度CD及擺角ψ作出搖桿的兩極位CD及C2M⊥CC和∠CCN=90°-θ，CM與CN交于P;再作△PCC的外接圓，則圓弧CPC上任一點(diǎn)A都滿足∠CAC=θ，所以固定的鉸鏈A應(yīng)選在此弧段上[2]。而鉸鏈A具體位置的確定則需要根據(jù)小車前輪到曲柄中心的距離、與小車的傳動比以及曲柄長度連桿長度有關(guān)，均需要根據(jù)具體尺寸視情況而定。

2.零件的工藝分析

為了減小能量損失，小車必須質(zhì)量輕、剛度強(qiáng)。考慮到經(jīng)濟(jì)性，小車材料選用6061鋁合金材料。因?yàn)?061鋁合金的主要特點(diǎn)就是重量輕，在滿足小車承重能力的同時(shí)又不至于導(dǎo)致整車重量過大，以便使其砝碼的重力勢能更多的轉(zhuǎn)化為小車的動能。起支撐砝碼作用的支架選取碳纖維桿，因?yàn)檫@種材料相對光滑，可以使砝碼在下落過程中減少摩擦引起的能量損失。后輪選取亞克力板為主要材料，并配置相應(yīng)的法蘭盤使后輪達(dá)到軸向固定的作用。

3.工藝路線的擬定和工藝方案的分析

制定工藝路線時(shí)必須保證零件要求的尺寸精度和位置精度等，工藝路線要根據(jù)生產(chǎn)批量、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)工藝性、關(guān)鍵表面的技術(shù)要求等因素，按照工序集中原則來擬定。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定為成批生產(chǎn)的條件下，應(yīng)首先考慮使用普通機(jī)床和通用夾具來降低生產(chǎn)成本。按設(shè)計(jì)要求，為保證必要的精度，主要采用普通車床、普通銑床加工，加工成本較低[1]。

4.小車出發(fā)定位方案

小車的出發(fā)定位主要有以下三個(gè)方面：一是砝碼的初始高度，二是小車出發(fā)時(shí)的初始位置和初始角度，三是行程間距的比例。這些定位調(diào)整必須根據(jù)兩個(gè)樁之間的實(shí)際距離來確定，說明如下：

小車的總體樁間距是350±150mm，由于在安裝調(diào)試階段已經(jīng)進(jìn)行了大量的調(diào)整實(shí)驗(yàn)，對初始位置和初始角度已經(jīng)有了一定的掌握，所以每次

6.結(jié)語

此方案根據(jù)雙8字無碳小車的設(shè)計(jì)要求，對無碳小車作出了結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)上的研究和分析，使小車的性能更加完善，對解決一些實(shí)際問題很有幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]高樾，胡曉珍，趙陸民.工程實(shí)訓(xùn)教程[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2015.

[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

作者簡介：何松（1997-），河北秦皇島人，河北建筑工程學(xué)院，機(jī)械電子工程專業(yè)，本科在讀。