“雙8”字無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與分析

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 李永浩 呂文興 杜小康 鄧國(guó)雨 李朝亮 張艷茹

關(guān)鍵字：無(wú)碳小車(chē)；軌跡；傳動(dòng)設(shè)計(jì)

引言

“雙8”字無(wú)碳小車(chē)作為第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的項(xiàng)目之一，僅靠1kg 碳鋼錘的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車(chē)避障行進(jìn)，對(duì)于小車(chē)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

1 設(shè)計(jì)思路

依照競(jìng)賽命題，小車(chē)設(shè)計(jì)成三輪結(jié)構(gòu)，后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪連帶前輪連桿實(shí)現(xiàn)周期轉(zhuǎn)彎。小車(chē)行走動(dòng)力依靠重物牽引細(xì)線直接獲得，采用多齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)后輪作為驅(qū)動(dòng)輪。牽引細(xì)線經(jīng)過(guò)頂部變比定滑輪纏繞在增速軸上，細(xì)線的拉力轉(zhuǎn)換成扭矩，通過(guò)一級(jí)增速驅(qū)動(dòng)后輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩后輪采用超越離合器實(shí)現(xiàn)差速，驅(qū)動(dòng)小車(chē)前行；前軸依靠錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向與行走周期的無(wú)級(jí)傳動(dòng)；錐齒輪軸與前主軸垂直，外部安裝有凸輪，通過(guò)推動(dòng)前輪連桿，帶動(dòng)前輪做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)雙8 字曲線行走避開(kāi)障礙物；通過(guò)調(diào)節(jié)連桿伸出的長(zhǎng)度來(lái)改變前輪的擺動(dòng)角度，進(jìn)而調(diào)節(jié)前輪轉(zhuǎn)向角度以適應(yīng)距離的樁距；通過(guò)百分尺精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向桿長(zhǎng)度與前輪角度保證小車(chē)行走軌跡的對(duì)稱(chēng)中心線為障礙物連成的直線。在保證結(jié)構(gòu)剛性的前提下，盡可能減輕車(chē)重，減少運(yùn)動(dòng)部件摩擦，盡量采用簡(jiǎn)潔穩(wěn)定的傳動(dòng)鏈確保小車(chē)的穩(wěn)定性，提高小車(chē)的行走距離。設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件如滑軌滑塊，軸承，高精度測(cè)量工具如百分尺、游標(biāo)卡尺來(lái)提高小車(chē)運(yùn)行可靠性及微調(diào)精密度。

2 小車(chē)出發(fā)定位方案

利用發(fā)車(chē)架作為小車(chē)每次繞樁發(fā)車(chē)的基準(zhǔn)，從而確定出發(fā)位置：發(fā)車(chē)架上角尺部件用于前進(jìn)方向直線定位，使其與障礙物所在直線平行；通過(guò)直尺測(cè)量發(fā)車(chē)架基準(zhǔn)點(diǎn)到發(fā)車(chē)線以及與側(cè)輪與障礙物所在直線的距離，確定位置后發(fā)車(chē)架固定不動(dòng)；通過(guò)改變發(fā)車(chē)架上百分尺的刻度來(lái)確定不同樁距下小車(chē)的發(fā)車(chē)角度。通過(guò)T 形擋鐵貼住轉(zhuǎn)向?qū)U，確定整車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)車(chē)起始位置。

3 數(shù)據(jù)計(jì)算

3.1 傳動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

各級(jí)傳動(dòng)比：

變比滑輪i1=1.5；大齒輪到小齒輪i2=3.75；

砝碼下降長(zhǎng)度（mm）/小車(chē)行走長(zhǎng)度（mm）：400/60000

小車(chē)最大理論行走長(zhǎng)度：

S=(400×2)/（6×3.14）×i2×（160×3.14）=60000mm=60m

小車(chē)距出發(fā)線最大理論距離：

小車(chē)距出發(fā)線最大理論距離=S/1.57=34m

3.2 轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

各級(jí)轉(zhuǎn)矩及摩擦力矩分析：

設(shè)小車(chē)最終驅(qū)動(dòng)力矩M，重錘質(zhì)量m=1kg，G≈10N，取鋁合金齒輪傳動(dòng)效率η=0.96，變比滑輪傳動(dòng)比i1=1.5，齒輪傳動(dòng)比i2=3.75；繞線軸驅(qū)動(dòng)力矩：

M1=G×Φ/2×i1=10×6/2/1000/1.5=0.02N·m.

經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)后傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)力矩：

M2=G×Φ/2/i2/i1×η1=10×6/2/1000/1.5/3.75×0.96=0.005 N·m

滾動(dòng)摩擦系數(shù)為f=0.01 后輪半徑R=80mm 重心距后輪x=70mm，輪距l(xiāng)=170mm，則：

F=Gf(l-x)/l=15×0.01×(170-70)/170=0.088N.

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

每一個(gè)軸上都裝有滾動(dòng)軸承，可以減少摩擦，保證運(yùn)動(dòng)的流暢性和準(zhǔn)確性。

后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，制作應(yīng)稍粗糙，重錘盡量壓于后方，增大與地面的摩擦力，以便有足夠的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)小車(chē)前進(jìn)，同時(shí)保持小車(chē)的穩(wěn)定。前輪摩擦應(yīng)盡量減小，且輪寬較小，轉(zhuǎn)向靈活；后輪差速對(duì)小車(chē)轉(zhuǎn)向影響較大，所以后輪尺寸大小并不相同，主動(dòng)輪尺寸相差較大；后輪主動(dòng)輪轉(zhuǎn)彎時(shí)角度與尺寸都不相同，為了減少誤差，前輪安裝在了小車(chē)的一側(cè)；前輪的轉(zhuǎn)向支撐桿垂直，可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 總結(jié)

本無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整方便，實(shí)現(xiàn)了命題要求。采用摩擦副結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了精確調(diào)整，而且通過(guò)摩擦輪預(yù)壓力大小可以微調(diào)小車(chē)整體的運(yùn)行阻力以控制小車(chē)速度。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件以及測(cè)量工具的靈活運(yùn)用和小車(chē)的整體制作過(guò)程，增強(qiáng)了自身的動(dòng)手能力。