基于重力勢能驅動小車的輪轂機構設計

魏同學 王崗 李星 黃良康

摘要：設計一種用于重力勢能驅動下小車的輪轂機構，該機構解決了小車傳動效率低、動能損耗快及穩定性差等問題，通過給重力勢能驅動小車加設該輪轂機構后行進距離、動能節約及穩定性方面得到了顯著提高，分別在行進距離、繞障數量等方面較之前提升了50%左右。

Abstract： Design a wheel hub mechanism for the car driven by gravity potential energy， which solves the problems of low transmission efficiency， fast kinetic energy loss and poor stability of the car. By adding the wheel hub mechanism to the gravity potential energy drive car， the travel distance， kinetic energy saving and stability have been improved significantly.

關鍵詞：輪轂;機構;動能;穩定性

Key words： hub;mechanism;kinetic energy;stability

中圖分類號：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0207-02

0? 引言

重力勢能驅動小車是憑借重力勢能本身的自然下落做為小車行進的動能、且具有行進、避障等功能的三輪小車，重力勢能驅動小車實現了無碳、環保、勢能轉換、多種機構相互作用等優勢[1-2]，如圖1重力勢能驅動小車構造圖所示。重力勢能驅動小車由于其構造靈活、動能損耗小，成為了青少年用來了解、學習機械結構知識的常用的機械模型，成為大學生用于實踐計算機繪圖、工藝設計、機械加工、調試裝配等專業方面能力的提升[3-4]。

現有的重力勢能驅動小車由車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構及微調機構裝配而成[5-6]，其中行走機構是由轉輪和軸承組成，由于轉動輪直徑大于100mm，厚度只有5mm，且軸承裝配在轉動輪的內緣，通過軸承與轉動軸的軸孔配合而帶動轉動輪的旋轉運動，但是由于轉動輪和轉動軸的尺寸較小，且軸承與轉動軸的接觸面積較小，因而在重力勢能驅動小車行進過程中，轉動輪與軸承容易相互脫離，使得轉動輪在小車的轉動軸上軸向竄動及跳動，從而使得小車的穩定性變差，并且縮短了小車的運動距離，損耗了動能。

1? 輪轂機構設計方案

該輪轂機構設計的目的是提供一種提升重力勢能驅動小車傳動效率的輪轂機構，解決了現有技術中存在的摩擦力大、穩定性差、動能損耗大等問題。

1.1 輪轂機構組成部件? 輪轂機構主要包括：輪轂主體、左側向心軸承、右側向心軸承、轉動軸以及轉動輪。

輪轂主體為回轉體軸套類零件，主要是連接轉動輪和轉動軸的作用，在輪轂主體的右側面和左側面沿輪轂主體的軸向分別開設左側圓形定位槽和右側圓形定位槽，左側向心軸承設于左側圓形定位槽內，右側向心軸承設于右側圓形定位槽內，通過兩個向心軸承的設置能夠增大軸承與轉動軸的接觸面積，增大輪轂結構的承受載荷的能力，極大提升輪轂機構的傳動效率，進而可以防止小車運動時轉動輪的軸向竄動、擺動，因而能夠增加小車運動的平穩性，使得小車的運動距離加長[7-8]。保證左側圓形定位槽和右側圓形定位槽以及小臺階外圓和中心軸線同軸度在0.02mm以內，同時左側圓形定位槽和右側圓形定位槽徑向尺寸公差在0.01mm以內，保證標準軸承和輪轂內孔的精準裝配，如圖2所示輪轂示意圖。

轉動輪為薄壁盤類零件，主要承載小車的負荷和旋轉前進的作用，轉動輪裝配在輪轂主體的小臺階外圓上。轉動輪的技術要求是：①薄壁，減少與地面的接觸面積;②鏤空，減輕轉輪的重量;③同軸度、平行度等形位公差控制，轉動輪外圓與內孔同軸度要求0.02mm，兩側端面平行度要求0.02mm，保證轉動輪轉動時不能出現軸向和徑向跳動，如圖3所示轉動輪示意圖。

轉動軸主要承載小車重量，連接主轉動輪和從轉動輪，技術要求是：細長軸，加工難度大，尺寸公差和形位公差要求高，要求剛性強重量輕，轉動軸的材料要求和加工要求都非常嚴格，保證與軸承裝配處尺寸公差控制在0.01mm以內，同軸度和圓度公差控制在0.02mm以內。

1.2 輪轂機構整體結構? 輪轂機構通過輪轂主體結合雙軸承配合，將轉動輪與轉動軸合理裝配，對小車的傳動效率提升和穩定性提供了保證。在保證零部件加工精度滿足圖紙要求的前提下，零部件的精確裝配工藝設計與正確的裝配方法對小車的傳動效率和穩定行進同樣起著至關重要的作用[9-10]，如圖4輪轂機構結構示意圖所示。

①轉動輪與輪轂。輪轂與轉動輪之間主要通過轉動輪內孔和輪轂小臺階外圓進行過渡配合，保證裝配精度和位置度要求，輪轂大臺階側面為轉動輪軸向定位基準面限制車輪的位置及保證車輪行進時的平穩性，最后通過3處螺栓孔用螺栓將輪轂與轉動輪連接。②輪轂與軸承。輪轂與左右兩側軸承之間通過過渡配合連接，要求軸承緊密的裝入輪轂兩側內孔內，保證兩個軸承之間的位置度要求以及軸承與輪轂的位置度要求。③軸承與轉動軸。兩側軸承與轉動軸之間同樣需要通過過渡配合連接來保證裝配精度，要求軸承內孔面與轉動軸外圓面進行過渡配合，軸承內圈端面與轉動軸軸肩定位基準面進行軸向精確配合，保證轉動輪、輪轂與轉動軸的配合精度要求，最后通過轉動軸頂端螺紋與螺母的配合將轉動輪、輪轂及轉動軸裝配鎖緊。

2? 機構檢測結果

經過設計裝配后的小車通過原有運動規則，在運動場地、重力勢能、實驗環境等不變的情況下進行測試。

2.1 傳動效率的提升? 在重力勢能下降的高度400mm不變的情況下，對加設輪轂機構和未加設輪轂機構的小車進行了多次測試，最終在多次測試中各選取最佳的一組數據進行比較，測試數據如表1所示。

通過重錘的下降速度與小車行進的距離可以計算出小車的傳動效率，從實驗數據得出如圖5所示的傳動效率對比曲線圖，通過曲線圖可以看出，未裝配輪轂機構的小車行進距離隨著重錘的快速下降行進距離僅有15m左右，而裝配有輪轂機構的小車行進距離隨著重錘的勻速緩慢下降行進距離在25m以上。

2.2 行車軌跡穩定性提高? 重力勢能小車按照S型軌跡進行測試實驗，要求小車在寬度2m的賽道上前行時能夠自動繞過賽道上設置的障礙物，如圖6所示S型測試軌跡圖。障礙物是相同尺寸規格的圓棒，在S型測試軌道中線上以1米±20厘米的間距進行設置。重力勢能小車必須從S型測試軌道起始段開始行進，小車車身完全繞過軌道中線且不能將障礙物碰倒或者將障礙物碰出限位圈以外，一直行進到小車停止為止。最后以小車行進的直線距離和順利繞過障礙物的個數來進行檢測，檢測結果如表2所示。

3? 結論

通過反復實驗改進，該輪轂機構成功的運用于重力勢能驅動小車的傳動裝置上，從實驗數據可以看出，當重力勢能驅動小車加設該輪轂機構后行進距離、能量節約及穩定性方面得到了顯著提高，分別較之前未加設輪轂機構的小車在行進距離、繞障數量等方面提升50%左右，同時運用該機構的重力勢能驅動小車在第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽陜西賽區競賽中榮獲一等獎并獲得第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽國家賽三等獎。

參考文獻：

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