S型無碳小車結構創(chuàng)新設計與分析

盧 彤

（上海海事大學，上海 201306）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識也越來越強。以“無碳”為核心的全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求小車前進以及轉向的能量只能通過1 kg配重砝碼下降產(chǎn)生的重力勢能轉化。

李林松等[1]通過建立目標函數(shù)以及約束關系，采用Matlab對無碳小車的轉向機構進行進行優(yōu)化設計，探索了相關參數(shù)對小車軌跡對稱性的影響。高文英等[2]采用扇形軌跡的方法對S型無碳小車進行了設計分析，為S型無碳小車的設計提供了一種新的理論基礎。王政等[3]采用ADAMAS軟件對S型無碳小車的轉不同轉向機構進行了設計仿真對比，并得出正弦機構通過參數(shù)的調(diào)整可以作為無碳小車轉向機構的最佳之選。

全國大學生工程訓練綜合能力競賽一方面競賽倡導環(huán)保節(jié)能，另一方面又提高了大學生的創(chuàng)新能力、動手能力以及團隊協(xié)作能力，學以致用，將課堂所學轉化為實際可用的創(chuàng)新設計，為社會所需的優(yōu)秀人才培養(yǎng)提供了良好的歷練平臺。本文整體采用齒輪傳動，運用曲柄搖桿機構實現(xiàn)小車轉向，通過仿真分析為無碳小車的機構設計提供新的理論基礎。

1 無碳小車整體結構設計

整體結構如圖1所示。無碳小車底板為3 mm厚的亞克力板。3根立柱頂端是帶有定滑輪的頂盤，線繩通過上端的定滑輪連接砝碼；無碳小車底板上端為三級齒輪傳動組成的傳動機構，實現(xiàn)能量的傳遞以及方向的轉換；底板下端為以曲柄搖桿為核心的轉向機構，實現(xiàn)小車行駛過程中的轉向導向。小車俯視圖如圖2所示。

圖1 整體結構

圖2 小車俯視圖

基于全國工程訓練大賽往屆機構，本文有以下創(chuàng)新點。

（1）無碳小車采用三軸設計，三級齒輪傳動，傳動精確效率高，齒輪分別布置于車體兩側，盡量滿足小車整體重量的對稱性。

（2）利用錐齒輪機構巧妙地將豎直平面內(nèi)的齒輪運動轉化成曲柄搖桿機構的水平面運動，避免空間曲柄搖桿機構的使用，降低了轉向機構卡死發(fā)生的概率。

（3）錐齒輪機構的運用將曲柄搖桿的轉向機構轉移到無碳小車底板背面，很大程度上避免了運動過程中的干涉，并且一定程度上降低了小車的重心，保證了運行的穩(wěn)定性。

（4）采用單輪驅動，后輪其中一輪裝有單向軸承，起到差速器的作用，盡量保證了小車轉向的穩(wěn)定性與一致性。

（5）中間軸（即繞線軸）上采用了錐形繞線輪，保證了小車啟動、運行及停止的穩(wěn)定性。

如圖2所示，1 kg的砝碼通過小車上端的定滑輪將重力勢能傳遞到中間軸（即繞線軸），小車的動力傳遞分為兩個路徑：（1）繞線軸——中間軸大齒輪——后輪軸小齒輪——后輪軸（驅動輪），該傳遞路徑實現(xiàn)了小車的行走；（2）繞線軸——中間軸小齒輪——錐齒輪軸大齒輪——錐齒輪——曲柄搖桿機構，該傳遞路徑實現(xiàn)了小車的轉向功能。

整個小車通過齒輪機構高效并且精確地進行行走以及轉向機構的動力傳遞，該結構最后通過錐齒輪結構將豎直方向的動力傳遞巧妙地傳遞為水平方向，避免了空間曲柄搖桿結構的使用。

圖3 無碳小車運動函數(shù)軌跡

2 無碳小車傳動機構設計

基于全國大學生工程訓練綜合能力競賽題，根據(jù)競賽規(guī)則，兩相鄰樁的樁距為（350±50）mm，取樁距為350 mm以及正弦曲線的振幅為150 mm，初定小車軌跡曲線為軌跡曲線如圖3所示。取小車后驅動輪直徑D=150 mm，小車運動周期一個周期內(nèi)小車行駛的距離一個周期內(nèi)驅動輪轉過的圈數(shù)，小車前輪完成4次換向，曲柄搖桿機構中曲柄轉過圈數(shù)n2=1，前后軸傳動比因此驅動輪軸與錐齒輪軸的傳動比Z3=17，Z2=30，Z4=20，齒輪模數(shù)m=1.5，則傳動比i2=2.07，與小車前后軸傳動比i1=2.02相吻合。傳動參數(shù)如表1所示。

表1 傳動參數(shù)

3 無碳小車曲柄搖桿機構設計

3.1 曲柄搖桿機構搖桿最大擺角

3.2 曲柄搖桿機構桿長確定

圖5所示為曲柄搖桿機構的示意圖，其中曲柄搖桿存在的條件為[4]：（1）平面四桿機構的最短桿和最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和；（2）最短桿的任何一個相連構件為機架。

圖4 無碳小車轉彎示意圖

圖5 曲柄搖桿結構示意圖

曲柄搖桿機構中存在無急回特性的充分必要條件為曲柄與機架長度平方和等于連桿與搖桿長度平方和[5]，即

式中：a為曲柄長度；b為連桿長度；c為搖桿長度；d為機架長度；γ為搖桿最大擺角。

4 Ansys有限元設計分析

無碳小車的底板是小車受力的核心部件，小車底板通常選取碳纖維板，亞克力板，鋁合金板等材料進行加工，考慮各種材料的綜合性能，最終選用亞克力板作為小車底板的加工材料，其屬性參數(shù)如表2所示。

表2 亞克力板材料屬性參數(shù)

圖6 網(wǎng)格劃分

通過Solidworks軟件建立無碳小車底板的三維數(shù)模，將數(shù)模導入Ansys結構靜力學模塊。定義底板的力學參數(shù)，對底板進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的底板模型如圖6所示。根據(jù)小車底板的實際受力情況添加約束，施加載荷，Solve求解，查看分析結果。

如圖7、圖8所示，小車底板的最大變形量為0.000514 mm，最大應力為21.3 MPa，無碳小車的的應力以及應變均較小。因此該無碳小車的底板設計合理可靠。

圖7 應變云圖

圖8 應力云圖

5 Solidwork運動仿真

通過Solidworks軟件建立各部件的三維模型，然后進行裝配。導入仿真運動分析模塊，建立無碳小車的Motion分析。圖9所示為簡化后的無碳小車運動軌跡。

圖9 無碳小車運動軌跡

由圖可以看出小車可以按照最初設定的S型軌跡進行運動，由于轉彎時后輪內(nèi)外側車輪將依次作為驅動輪，雖已采用單向軸承的形式，但波峰與波谷之間還是存在些許的差異，但是該差異并不影響整體的一致性。

圖10所示為無碳小車前輪的角位移情況，可以看出前輪擺角的對稱性良好。將仿真數(shù)據(jù)導出到Excel表格進行分析，篩選出前兩次波谷以及第一次波峰的相關數(shù)據(jù)，如表3所示。從表中可以看出，波谷運動到波峰以及波峰運動到波谷的時間均為3 s，運動一致性良好。且前輪實際的最大擺角γ=-50.002°-(-124.358°)=74.356°，與無碳小車最初設計的理論擺角74.36°相吻合，證明設計精確可靠。

圖10 無碳小車前輪角位移

表3 前輪擺角參數(shù)

6 結束語

本文基于全國大學生工程訓練綜合能力競賽題設計出的S型軌跡無碳小車，采用三級齒輪傳動的方式進行能量的傳遞，盡量減少了能量的損耗，提高了傳遞效率，并且保證了傳遞的精度。選用曲柄搖桿機構作為小車的轉向機構，保證了轉向運動的精度以及小車運動軌跡的對稱度。通過Ansys軟件對無碳小車的核心構件底板進行靜力學分析，得到其應力以及應變情況，在靜力學層面證明了設計結構的穩(wěn)定性及可行性。通過Solidworks軟件對無碳小車進行建模以及裝配，并對無碳小車進行運動仿真，得到其運動軌跡情況以及前輪（轉向輪）的實際擺角情況，運動軌跡以及前輪擺角對稱性以及周期性良好，很大程度上避免了無碳小車運動后期軌跡偏移的現(xiàn)象。

齒輪機構進行能量傳遞，巧妙運用錐齒輪機構運動傳遞方向的空間切換，以及平面曲柄搖桿機構進行轉向控制的方式，為后續(xù)全國大學生工程訓練綜合能力競賽S型軌跡無碳小車的設計制作提供了切實可行的依據(jù)。