基于重力勢能驅(qū)動小車的輪轂機構(gòu)設(shè)計

魏同學(xué) 王崗 李星 黃良康

摘要：設(shè)計一種用于重力勢能驅(qū)動下小車的輪轂機構(gòu)，該機構(gòu)解決了小車傳動效率低、動能損耗快及穩(wěn)定性差等問題，通過給重力勢能驅(qū)動小車加設(shè)該輪轂機構(gòu)后行進距離、動能節(jié)約及穩(wěn)定性方面得到了顯著提高，分別在行進距離、繞障數(shù)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(guān)鍵詞：輪轂;機構(gòu);動能;穩(wěn)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(qū)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(qū)動小車實現(xiàn)了無碳、環(huán)保、勢能轉(zhuǎn)換、多種機構(gòu)相互作用等優(yōu)勢[1-2]，如圖1重力勢能驅(qū)動小車構(gòu)造圖所示。重力勢能驅(qū)動小車由于其構(gòu)造靈活、動能損耗小，成為了青少年用來了解、學(xué)習(xí)機械結(jié)構(gòu)知識的常用的機械模型，成為大學(xué)生用于實踐計算機繪圖、工藝設(shè)計、機械加工、調(diào)試裝配等專業(yè)方面能力的提升[3-4]。

現(xiàn)有的重力勢能驅(qū)動小車由車架、原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、行走機構(gòu)及微調(diào)機構(gòu)裝配而成[5-6]，其中行走機構(gòu)是由轉(zhuǎn)輪和軸承組成，由于轉(zhuǎn)動輪直徑大于100mm，厚度只有5mm，且軸承裝配在轉(zhuǎn)動輪的內(nèi)緣，通過軸承與轉(zhuǎn)動軸的軸孔配合而帶動轉(zhuǎn)動輪的旋轉(zhuǎn)運動，但是由于轉(zhuǎn)動輪和轉(zhuǎn)動軸的尺寸較小，且軸承與轉(zhuǎn)動軸的接觸面積較小，因而在重力勢能驅(qū)動小車行進過程中，轉(zhuǎn)動輪與軸承容易相互脫離，使得轉(zhuǎn)動輪在小車的轉(zhuǎn)動軸上軸向竄動及跳動，從而使得小車的穩(wěn)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(gòu)設(shè)計方案

該輪轂機構(gòu)設(shè)計的目的是提供一種提升重力勢能驅(qū)動小車傳動效率的輪轂機構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的摩擦力大、穩(wěn)定性差、動能損耗大等問題。

1.1 輪轂機構(gòu)組成部件? 輪轂機構(gòu)主要包括：輪轂主體、左側(cè)向心軸承、右側(cè)向心軸承、轉(zhuǎn)動軸以及轉(zhuǎn)動輪。

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

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

轉(zhuǎn)動軸主要承載小車重量，連接主轉(zhuǎn)動輪和從轉(zhuǎn)動輪，技術(shù)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(zhuǎn)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(nèi)，同軸度和圓度公差控制在0.02mm以內(nèi)。

1.2 輪轂機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)? 輪轂機構(gòu)通過輪轂主體結(jié)合雙軸承配合，將轉(zhuǎn)動輪與轉(zhuǎn)動軸合理裝配，對小車的傳動效率提升和穩(wěn)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(shè)計與正確的裝配方法對小車的傳動效率和穩(wěn)定行進同樣起著至關(guān)重要的作用[9-10]，如圖4輪轂機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖所示。

①轉(zhuǎn)動輪與輪轂。輪轂與轉(zhuǎn)動輪之間主要通過轉(zhuǎn)動輪內(nèi)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(cè)面為轉(zhuǎn)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(wěn)性，最后通過3處螺栓孔用螺栓將輪轂與轉(zhuǎn)動輪連接。②輪轂與軸承。輪轂與左右兩側(cè)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(cè)內(nèi)孔內(nèi)，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(zhuǎn)動軸。兩側(cè)軸承與轉(zhuǎn)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(nèi)孔面與轉(zhuǎn)動軸外圓面進行過渡配合，軸承內(nèi)圈端面與轉(zhuǎn)動軸軸肩定位基準面進行軸向精確配合，保證轉(zhuǎn)動輪、輪轂與轉(zhuǎn)動軸的配合精度要求，最后通過轉(zhuǎn)動軸頂端螺紋與螺母的配合將轉(zhuǎn)動輪、輪轂及轉(zhuǎn)動軸裝配鎖緊。

2? 機構(gòu)檢測結(jié)果

經(jīng)過設(shè)計裝配后的小車通過原有運動規(guī)則，在運動場地、重力勢能、實驗環(huán)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(shè)輪轂機構(gòu)和未加設(shè)輪轂機構(gòu)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(shù)據(jù)進行比較，測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(gòu)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(gòu)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(wěn)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(shè)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(guī)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(shè)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(shù)來進行檢測，檢測結(jié)果如表2所示。

3? 結(jié)論

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

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