無(wú)碳小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

崔堯勒 李 豪 陸智超 宋靜奇 張國(guó)續(xù)

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003）

1 概述

無(wú)碳小車定義為一輛可以將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能從而驅(qū)動(dòng)其前行并且做周期性轉(zhuǎn)向（雙8 字型）的小車，要求小車為三輪結(jié)構(gòu)，物塊為碳鋼材料，其尺寸￠50mm×65mm，重力G 為9.8N（g=9.8N/kg），小車運(yùn)動(dòng)過程中，物塊可垂直下降的距離為（400±2）mm。傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向及微調(diào)機(jī)構(gòu)是無(wú)碳小車的基本機(jī)構(gòu)。小車在勻速行進(jìn)過程中摩擦力矩與小車重力成正比，所以盡量減小小車的摩擦力矩可以促使小車行駛的更遠(yuǎn)；小車前后輪行駛時(shí)所承受到的滾動(dòng)摩擦阻力定義為，（其中F 代表滾動(dòng)摩擦力，N 代表小車對(duì)地面的正壓力，δ 代表滾動(dòng)摩擦因數(shù)，R 代表小車后兩個(gè)輪半徑）。所以為了減少小車行進(jìn)時(shí)的阻力，輪子盡量大一些，從而能夠高效地利用能源。本文用現(xiàn)代matlab 和Solidworks 仿真軟件對(duì)小車軌跡進(jìn)行仿真，減小實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)率，為實(shí)物制作打下基礎(chǔ)。

2 小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 小車整體結(jié)構(gòu)

無(wú)碳小車的Solidworks 裝配圖和整體結(jié)構(gòu)圖如圖1、2。

圖1 SW 裝配圖

2.2 小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

物塊的重力勢(shì)能提供小車的動(dòng)力，小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由繞線軸將動(dòng)力傳遞給小車兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和前輪（轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)）。通過仿真使小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能量傳遞效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)可以使其行進(jìn)更遠(yuǎn)并且按雙8 字型軌跡運(yùn)動(dòng)。采用能量利用率較高的齒輪傳動(dòng)，小車運(yùn)動(dòng)過程中，物塊的重力勢(shì)能將能量傳遞給繞線輪及繞線軸，帶動(dòng)線軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，能量通過齒輪機(jī)構(gòu)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪和前輪(轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu))。齒輪機(jī)構(gòu)為兩級(jí)傳動(dòng)，為了提高傳動(dòng)比，將大小齒輪分別安裝在繞線軸、后輪軸上，使物塊的重力勢(shì)能得到充分的利用，減少了能量的損失，提高了能量利用率[1]，從而可以使小車跑的更遠(yuǎn)。示意圖如圖3。

圖2 無(wú)碳小車底盤結(jié)構(gòu)

圖3 無(wú)碳小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.3 小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和微調(diào)機(jī)構(gòu)

無(wú)碳小車設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之處是小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需減少摩擦，從而減小不必要的能量損耗，并控制轉(zhuǎn)彎速度?？臻gRSSR 機(jī)構(gòu)能量利用率高，所以本設(shè)計(jì)采用此機(jī)構(gòu)，由繞線軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄經(jīng)連桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向輪循環(huán)左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)小車成雙8 字型軌跡運(yùn)動(dòng)[1]。

在小車的微調(diào)機(jī)構(gòu)中，通過采用正反絲連桿調(diào)整機(jī)構(gòu)，螺紋連接該機(jī)構(gòu)，可以自動(dòng)調(diào)整連桿的長(zhǎng)度，從而可以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向的位移。小車還特別采用了一種萬(wàn)向節(jié)彈簧絲杠自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該絲桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變?nèi)f向節(jié)球頭與轉(zhuǎn)向軸之間的位置和距離是通過螺紋的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，繼而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向桿的長(zhǎng)度，從而達(dá)到微調(diào)的目的[1]，示意圖如圖4 所示。

圖4 無(wú)碳小車轉(zhuǎn)向和微調(diào)機(jī)構(gòu)

3 小車軌跡仿真

3.1 MATLAB 軌跡仿真

3.1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模。假設(shè)無(wú)碳小車在行進(jìn)過程速度保持恒定，并且與地面只做純滾動(dòng)，地面平整。無(wú)碳小車在行進(jìn)過程中存在著障礙物，其平均樁距應(yīng)該為350 毫米，轉(zhuǎn)彎半徑大約為175 毫米。小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞線軸在牽引線的作用下做轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，齒輪傳動(dòng)使繞線軸的運(yùn)動(dòng)傳遞給后輪軸，傳動(dòng)比為i12，當(dāng)物塊下落h 距離時(shí)，則主動(dòng)輪A（兩個(gè)大輪）移動(dòng)的距離為（R 為主動(dòng)輪半徑）。繞線軸帶動(dòng)小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的曲柄L1，小車行進(jìn)時(shí)曲柄L1 轉(zhuǎn)過的角度為：

3.1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模。REER 機(jī)構(gòu)構(gòu)成了小車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過建立起空間直角坐標(biāo)系，建立小車的數(shù)學(xué)模型求解曲柄L1 的輸入角β 和搖桿L3 的輸出角之間的關(guān)系模型，如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空間RSSR 機(jī)構(gòu)示意圖

則原式可寫為D cos θ + E sin θ+ F =0

求解上式得

3.1.3 小車行走軌跡仿真

在matlab 仿真軟件中編寫程序，賦初始值給各參數(shù)，不斷微改動(dòng)參數(shù)得到的無(wú)碳小車前輪、A 輪和B 輪的運(yùn)行軌跡如圖6 所示。

曲線平穩(wěn)、連續(xù)，其運(yùn)行結(jié)果較良好。

圖6 matlab 仿真軌跡

表1 無(wú)碳小車賦值參數(shù)

3.2 Solidworks 軌跡仿真

利用SolidWorks 軟件對(duì)無(wú)碳車進(jìn)行三維建模，并通過SolidWorks Motion 對(duì)無(wú)碳小車的雙8 字型運(yùn)行軌跡進(jìn)行了虛擬仿真。在SW 工具箱模型中設(shè)置各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作環(huán)境參數(shù)，使之與實(shí)際環(huán)境更相似，可以使結(jié)果更為合理真實(shí)，結(jié)果如如圖7 所示。通過比較分析仿真結(jié)果，確定了小車的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。通過與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相比，基于SolidWorks 的無(wú)碳小車行進(jìn)軌跡研究的虛擬仿真方案和實(shí)際要求相符。

圖7 Solidworks 仿真軌跡

4 結(jié)論

本文主要對(duì)無(wú)碳小車的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，針對(duì)其中的一些無(wú)碳小車的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)建立了一個(gè)初步的數(shù)學(xué)模擬，通過matlab 和Solidworks 仿真更好地調(diào)節(jié)小車各部分參數(shù)，減小試驗(yàn)時(shí)的試錯(cuò)率，為實(shí)物的制作做好基礎(chǔ)。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，可以使無(wú)碳小車按照預(yù)先設(shè)定好的行駛路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證了一種無(wú)碳小車的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬機(jī)構(gòu)的正確性。