“S環(huán)形”無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

佘亮 項(xiàng)健 殷建

關(guān)鍵詞：S環(huán)形;無碳小車;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無碳小車是一種具有方向控制功能的自行小車，其行走過程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得，給定重力勢(shì)能由質(zhì)量為1KG的砝碼來獲得。無碳小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)無碳小車不同的運(yùn)行軌跡。通過給定任務(wù)分析可知，無碳小車要完成重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)車身行走、自動(dòng)避開障礙物。這里按照要實(shí)現(xiàn)功能將無碳小車分為五個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：車架、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)。車架不用承受很大載荷，精度要求不高，主要從重量、加工角度考慮，本文選擇鋁合金板制作。下面從無碳小車的原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走及微調(diào)機(jī)構(gòu)幾方面重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1“S環(huán)形無碳小車的原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

“s環(huán)形”無碳小車在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)考慮原動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率，無碳小車的輪子可用不同的形狀和材料，無碳小車的原動(dòng)結(jié)構(gòu)可以選擇繩輪式、彈簧儲(chǔ)能式以及鏈輪式等，可供發(fā)揮的空間很大，通過分析其摩擦力、重量、能量轉(zhuǎn)化形式和力矩等參數(shù)對(duì)無碳小車整體的影響，設(shè)計(jì)出既能走得遠(yuǎn)又能走得準(zhǔn)的繩輪式原動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以使輸出力矩更適中、無碳小車運(yùn)行更平穩(wěn)，可以讓無碳小車盡可能地多繞樁行走。

1.1原動(dòng)軸的選定

摩擦力矩與正壓力的關(guān)系如式（1）

假使無碳小車的半徑不夠大，使得機(jī)械能傳動(dòng)效率過低，只有在輪子的半徑足夠合適的情況下才能使輪子的摩擦力減小，進(jìn)而使得有效功率變大，使能量損失降到最低。但由于加工精度以及難度、選材、后期裝配問題等等，具體尺寸需要綜合考慮。

1.2確定主動(dòng)輪

無碳小車主要靠前輪轉(zhuǎn)向和后輪差速轉(zhuǎn)向完成轉(zhuǎn)彎，并沿著曲線前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)兩輪差速的方法有：

1.2.1雙輪同步驅(qū)動(dòng)

雙輪同步驅(qū)動(dòng)主要靠的是兩輪線速度不同去完成預(yù)定的軌跡，但是由于同步驅(qū)動(dòng)輪子與地面打滑，同時(shí)前進(jìn)過程中約束過多，使得軌跡偏移，完成預(yù)定軌跡的可能性不大。

1.2.2雙輪差速驅(qū)動(dòng)

一邊輪子過盈配合，一邊輪子安裝一個(gè)軸承的方法去實(shí)現(xiàn)差速驅(qū)動(dòng)，差速驅(qū)動(dòng)可使無碳小車轉(zhuǎn)彎的軌跡誤差更小，但由于差速器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在無碳小車上使用需要縮小其尺寸，加工復(fù)雜，所以暫不考慮差速器這種結(jié)構(gòu)。

1.2.3單輪驅(qū)動(dòng)

將一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪的方式稱為單輪驅(qū)動(dòng)，，其中一個(gè)為導(dǎo)向輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪。從動(dòng)輪與導(dǎo)向輪間的差速主要是依靠地面的運(yùn)動(dòng)約束不同，使得運(yùn)動(dòng)軌跡不同。單輪驅(qū)動(dòng)的效率比差速器高，缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，傳動(dòng)精度相對(duì)于單向軸承來說要更高。

綜上所述，單向軸承實(shí)現(xiàn)差速是一個(gè)性價(jià)比高的方案，不僅安裝方便，也使無碳小車結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。當(dāng)其中一個(gè)輪子拐彎半徑大的作從動(dòng)輪，速度較大，處于內(nèi)徑的輪子成為主動(dòng)輪，這樣交替變換。不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)檗D(zhuǎn)彎半徑過大而導(dǎo)致側(cè)翻的情況。

1.3無碳小車初始力矩

繞線軸為后輪軸，通過砝碼下落牽動(dòng)繞在后輪軸上細(xì)線帶動(dòng)后輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而無碳小車從靜止到運(yùn)動(dòng)需要一個(gè)較大的初始力矩使小車平穩(wěn)啟動(dòng)，這就需要考慮繞線軸的半徑：太大會(huì)浪費(fèi)細(xì)線長(zhǎng)度，減少無碳小車的行走距離;太小又無法啟動(dòng)無碳小車。由于繞線軸制作簡(jiǎn)單，安裝方便，所以初始方案是直接將后輪軸作為繞線軸，具體半徑可以等試車時(shí)再確定。在無碳小車實(shí)際試跑時(shí)發(fā)現(xiàn)不需要繞線軸也可以使無碳小車行走，分析其原因：因?yàn)楹筝嗇S原本就具有適中的半徑，可以滿足啟動(dòng)要求。

2“S環(huán)形”無碳小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理與沒計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是把原動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的力矩傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪式，要使無碳小車行走的距離遠(yuǎn)、并能按設(shè)計(jì)軌跡精確運(yùn)行，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要設(shè)計(jì)合適的傳動(dòng)比。

2.1傳動(dòng)比

在設(shè)計(jì)時(shí)需要確定傳動(dòng)比以提高行走效率。在確定傳動(dòng)比時(shí)要考慮一下幾點(diǎn)：

1）無碳小車驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向輪之間需要一定距離，太近會(huì)使重錘無法安裝，也會(huì)使小車重心不穩(wěn)，所以既保證小車能穩(wěn)定行走不易倒，也要保證能夠走出較遠(yuǎn)距離。

2）無碳小車后輪半徑要適中，太小會(huì)浪費(fèi)距離，無碳小車走不遠(yuǎn)。

3）傳動(dòng)比盡量大。因?yàn)椤皊環(huán)”周期大，但也要考慮制造裝配難度。所以采用二級(jí)傳動(dòng)，后輪軸作為原動(dòng)軸，保證行進(jìn)平穩(wěn)，中間齒為過度齒，既保證驅(qū)動(dòng)軸與前輪拉開距離，也滿足了傳動(dòng)比的要求。經(jīng)過Matlab仿真“確定傳動(dòng)比為1：16，最終無碳小車的軌跡，如圖1。

2.2傳動(dòng)方式

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是將重物下落過程中的動(dòng)能傳遞給車輪部分。為提高傳動(dòng)效率，傳動(dòng)步驟越少越好。比較幾種傳動(dòng)方案后，高精度的齒輪嚙合傳遞動(dòng)力效率較高，動(dòng)力傳遞穩(wěn)定，能夠很好地滿足無碳小車運(yùn)行的需要。

無碳小車整體傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。無碳小車總的重力勢(shì)能由重錘下落提供，保持恒定，因此好的結(jié)構(gòu)的選用會(huì)提高小車能量利用率，而齒輪的傳動(dòng)效率較高，行走的距離較遠(yuǎn)。

無碳小車整體能量流動(dòng)，如圖3所示，重錘的重力勢(shì)能經(jīng)繩繞過定滑輪傳遞到原動(dòng)軸，原動(dòng)軸通過齒輪二級(jí)傳動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到周期性轉(zhuǎn)向目的。

3“S環(huán)形”無碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1“S環(huán)形”無碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1轉(zhuǎn)向輪的選定

無碳小車要求是三輪結(jié)構(gòu)1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。前輪控制轉(zhuǎn)向，兩后輪控制驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)易設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用凸輪滑塊，材料是樹脂，價(jià)格便宜易生產(chǎn)，由于凸輪表面路線不平緩，在角度過大的轉(zhuǎn)角處會(huì)有較大的滑動(dòng)擦副，使得效率低的同時(shí)可能會(huì)使無碳小車路線發(fā)生變化，所以在設(shè)計(jì)凸輪的時(shí)候，在考慮運(yùn)動(dòng)路線的同時(shí)，要盡可能的將凸輪的角度設(shè)計(jì)的平緩，能減少急回特性導(dǎo)致無碳小車在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)急停或者側(cè)翻的狀況。

3.1.2轉(zhuǎn)向方式

轉(zhuǎn)向方式主要依靠前輪的轉(zhuǎn)向桿控制前輪的轉(zhuǎn)向和凸輪機(jī)構(gòu)的路徑共同控制無碳小車的轉(zhuǎn)向，通過后輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為前輪的左右擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)拐彎避障的功能。由于S環(huán)形賽道周期較大，確保精確轉(zhuǎn)向，累計(jì)誤差小，采用凸輪配合滑塊的方式是最簡(jiǎn)單而且效率高的方法。

3.2“S環(huán)形”無碳小車的微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過軌跡仿真后小車能夠走出正確的軌跡，但在組裝好后會(huì)由于制造、裝配等誤差以及驅(qū)動(dòng)軸力矩的改變使軌跡發(fā)生偏移，拉伸、縮小或者歪曲。為了調(diào)整無碳小車的軌跡（幅值、周期、方向等），使無碳小車走一條最優(yōu)的軌跡，必須設(shè)計(jì)一個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)。微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在凸輪及前輪桿上，通過調(diào)節(jié)凸輪上的導(dǎo)桿到凸輪的距離及調(diào)節(jié)前輪支撐桿的高度來確定前輪轉(zhuǎn)向的時(shí)機(jī)，調(diào)試好需要記住導(dǎo)桿到凸輪的距離以及前輪支撐桿的高度。

3.2.1軌跡微調(diào)

微調(diào)機(jī)構(gòu)主要有微調(diào)螺母式和滑塊式兩種方案。通過微調(diào)螺母可以調(diào)節(jié)滑塊與轉(zhuǎn)向架的距離，間接改變前輪擺角幅度，這對(duì)無碳小車的軌跡調(diào)整起著關(guān)鍵作用。微調(diào)螺母結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，通過微小部分的改動(dòng)便可以調(diào)節(jié)軌跡。結(jié)構(gòu)如圖4。

3.2.2細(xì)線長(zhǎng)度微調(diào)

為了能夠讓無碳小車從出發(fā)點(diǎn)能夠快速、準(zhǔn)確地走出規(guī)定路線，就要求小車的出發(fā)點(diǎn)在固定位置，但由于砝碼高度要規(guī)定在400mm+2mm，而繩子又和凸輪位置之間有著聯(lián)系，于是就要保證砝碼上升到固定高度是凸輪位置也正好在出發(fā)點(diǎn)的位置，但在實(shí)際安裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差，所以就需要一個(gè)微調(diào)裝置間接調(diào)節(jié)繩子長(zhǎng)短，在一個(gè)微小的范圍內(nèi)使繩子長(zhǎng)度縮短，這樣就能夠有效地解決砝碼上升高度與出發(fā)位置不匹配的問題。

4“S環(huán)形”無碳小車的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行無碳小車整體結(jié)構(gòu)的Solid works運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析后，發(fā)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分沒有出現(xiàn)干涉和死點(diǎn)情況，說明無碳小車的設(shè)計(jì)理論上是合理的，但經(jīng)過零散的模塊化設(shè)計(jì)之后，無碳小車的整體性能沒有達(dá)到最理想的要求，所以還需要對(duì)先前的不合理的部分以及仍可以改進(jìn)的地方進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1零件表面優(yōu)化

零件經(jīng)過切割、鉆、銑、車等加工工藝后會(huì)在其表面留下毛刺，并且由于加工精度零件表面的優(yōu)化不夠的問題會(huì)使其表面較為粗糙，而小車的后輪、軸、孔等對(duì)精度要求較高的零件就需要手工打磨。用砂紙對(duì)其打磨，摩擦副處涂抹較好的潤(rùn)滑脂;后輪噴塑處理，增加其與地面的摩擦力。

4.2細(xì)線種類的優(yōu)化

細(xì)線的選用可從材料（包含粗糙性，延展性，抗拉強(qiáng)度）、粗細(xì)度兩方面考慮。

1）細(xì)線會(huì)隨著砝碼下落與定滑輪之間產(chǎn)生不可避免的摩擦，所以應(yīng)該選用粗糙度小的材料，為了減小其摩擦也可在繩表面涂上油脂;要求很低的延展性，因?yàn)楦哐诱剐詴?huì)使后輪軸受力不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致行走不穩(wěn)定;抗拉強(qiáng)度要好。

2）細(xì)線太粗會(huì)使繞在后輪軸上的線堆積在一起，使繞線半徑變化太快，導(dǎo)致行走不穩(wěn)定，太細(xì)又難以啟動(dòng)無碳小車。所以最終選用尼龍繩。

4.3后輪優(yōu)化

設(shè)計(jì)了鏤空結(jié)構(gòu)，既保證了剛度，使其能夠承受整體的重量，又減輕了自身重量，提高能量利用率。

4.4繞線方式的優(yōu)化

設(shè)計(jì)了雙層結(jié)構(gòu)，小輪作為砝碼繞線輪，大輪作為后輪軸繞線輪，這要使無碳小車更容易啟動(dòng)，行走的距離更遠(yuǎn)。

經(jīng)過以上優(yōu)化，減小了無碳小車的能量損失，加長(zhǎng)了無碳小車的行程，零件尺寸的精細(xì)化也使無碳小車更加美觀，添加的結(jié)構(gòu)也使無碳小車更加適應(yīng)比賽規(guī)則。最終無碳小車整體三維設(shè)計(jì)圖，如圖5所示。

5總結(jié)

“S環(huán)形”無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用系在無碳小車上重錘下落得到的重力勢(shì)能作為唯一動(dòng)力來源，并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)小車按照給定的“S環(huán)形”軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，前行時(shí)能通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，自動(dòng)避開賽道上的障礙物。本文的“S環(huán)形”無碳小車的根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念對(duì)小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和安裝調(diào)試等方面進(jìn)行詳細(xì)討論、設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析后，對(duì)無碳小車結(jié)構(gòu)零件表面、細(xì)線種類、后輪、繞線方式進(jìn)一步優(yōu)化。進(jìn)而減小了小車的能量損失，加長(zhǎng)了無碳小車的行程，零件尺寸的精細(xì)化程度更高。