劉金肖，何秋熟，楊延清，張遠明

(東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 211189)

0 引言

目前國家正在大力倡導節(jié)能減排項目，國家教育部開展了以“無碳小車”為主題的全國大學生工程訓練綜合能力競賽。競賽內(nèi)容為:設計一種以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車，給定重力勢能為4 J(取g=10 m/s2)，通過重物下降來獲得，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，同時繞過前進道路上的障礙物，在不碰撞障礙物的前提下盡可能讓小車跑得更遠。圖1 為小車示意圖。

圖1 無碳小車

競賽小車在前行時能夠自動交錯繞過賽道上設置的間距為100 cm 的障礙物，如圖2 所示。

1 設計概述

通過對競賽命題的分析，小車須有驅動機構、傳動機構和轉向機構三個環(huán)節(jié)。由能量守恒定律可知:W(重)=W(地)+W(車)，即重物下降的重力做功等于小車與地面的摩擦做功加上小車內(nèi)部零件摩擦做功。在W(重)恒定情況下，應盡量簡化小車機構，減小W(車)，使W(地)足夠大。而W(地)=f×mg×s，在地面摩擦系數(shù)f 及W(地)一定情況下，為使行駛距離s 足夠大，應盡量減輕小車質量mg。為使小車能穩(wěn)定運行，小車應保持低速行駛，原因是:如果小車在高速行駛，由于重物和小車的慣性作用，在小車轉向時，必然會發(fā)生側偏現(xiàn)象，穩(wěn)定性大大降低;另外，在重物即將落到車底板上時，如果速度太快必然會與底板發(fā)生撞擊，造成能量損失，減少運行距離。在盡量提高運行距離的同時，必須設法提高小車的轉向精度，使小車左右偏移的時間和距離幾乎相同，以使小車能夠始終繞過障礙物。

圖2 無碳小車行走軌跡示意圖

綜上，為使小車在保持穩(wěn)定情況下跑得更遠，應盡量減輕小車質量，簡化小車結構和零件配合，保持低速前行。為提高小車的轉向精度，需要提高小車各個零件的制造精度以及整車的裝配精度，并設計合理的微調裝置以便調節(jié)偏移量。

2 設計思路和方案

2.1 動力驅動機構

為使重物的重力勢能有效地轉化為小車的動能，將重物與驅動輪通過繩子連接，重物下落時帶動驅動輪轉動。實驗得出，小車運行時先加速后勻速最后減速的過程是最為理想的，所以在驅動軸上套梯形軸(圖3)來實現(xiàn)這一效果。起步時，繩子繞在梯形軸直徑較大處，驅動力矩大于小車阻力矩，重物帶動驅動軸轉動，小車加速行駛;之后，繩子繞在梯形軸直徑較小處，驅動力矩等于阻力矩，小車勻速行駛;最后，重物能量即將耗盡，繩子繞在梯形軸直徑最小處，驅動力矩小于阻力矩，小車減速，該階段重物緩慢降落也避免了與小車底板的撞擊。

圖3 小車傳動轉向原理圖

小車兩后輪，一輪通過緊定螺釘固定在后輪軸上為驅動輪;另一后輪通過軸承配合套在后輪軸上，是從動輪。在小車轉彎時，兩輪必須存在差速，若兩輪同時為驅動輪，其中一輪必然與地面發(fā)生滑移，小車穩(wěn)定性降低。而一個主動輪、一個從動輪就能很好的解決這一問題。

2.2 傳動機構

在機械設計中，齒輪傳動效率可高達98%，因此采用齒輪傳動。為增加小車有效繞樁數(shù)目，考慮到如果采用多級傳動，多根軸的裝配要求必然會很高，多齒輪嚙合也會影響小車的傳動效率，同時也會增加成本，因此采用了一級傳動。見圖3 可知。

根據(jù)設計要求，確定小車寬度為0.18 m，大輪(驅動輪)直徑為0.19 m，障礙物直徑是0.02 m。小車要成功繞過障礙物，必須在與障礙物橫向共線時至少偏離0.09 m。考慮到小車穩(wěn)定性及地面摩擦的影響，假設定偏距為p，小車傳動比(即大齒輪與小齒輪齒數(shù)比)為k:1。由圖2和圖3，小車在繞樁過程中，每個周期會繞過2 個障礙物，重物驅動大齒輪轉動一周，則小齒輪轉動k 周，后輪行駛軌跡長為s=0.19π×k。下面通過C++編程，尋找定偏距p 與傳動比k 之間的關系，最終選出小車最優(yōu)行駛軌跡。

由圖2，可將小車軌跡定近似為正弦曲線，軌跡方程為y=p×sin(π×x)。

則編程為:

通過改變P 值得出k 與p 關系如表1 所示。

表1 偏距p 與傳動比k 及s 的關系

考慮地面摩擦及小車行駛過程中的最優(yōu)軌跡，確定p=0.3m，則k 可取4.6，所以選取小齒輪齒數(shù)為20，大齒輪齒數(shù)為92，齒輪模數(shù)為1，壓力角20°。

2.3 轉向機構

小車采用曲柄搖桿機構來實現(xiàn)左右均勻擺動，進而使小車在前進過程中能穩(wěn)定等偏距繞過障礙物。如圖4所示。

圖4 小車轉向機構示意圖

小車行駛過程中轉向必須均勻穩(wěn)定，所以曲柄搖桿機構不能有急回特性，即行程速度變化系數(shù)K=1，B1AB2 在一條直線上［1］。

由圖4 得:

兩式相減并整理得:

則構件之間滿足關系為:a2+d2=c2+b2

其中:a 為曲柄AB 長度，b 為連桿BC 長度，c 為搖桿CD長度，d 為機架AD 長度。

考慮到小車調試過程中的可調性，應將b 連桿中間設置微調機構，見圖3 中長度微調螺栓，以使小車在更加精確的軌跡上前行。

2.4 小車的整體設計方案

根據(jù)以上的各機構模塊的設計方案，在PROE 上建立三維模型，確定小車的整體設計方案如圖5 所示。

3 結語

在設計過程中，為克服遇到的困難，結合已學過的知識，給出了一些創(chuàng)新的解決方法。例如，應用C++編程的方法確定偏距與傳動比之間的關系，為選擇最優(yōu)的軌跡路線提供了很好的依據(jù);同時采用曲柄連桿機構，根據(jù)無急回特性的要求確定各構件間的關系，再應用微調裝置精確調節(jié)小車運行軌跡。這些方法對于無碳小車以及其他一些機械產(chǎn)品的設計都具有一定的參考價值。

圖5 小車的整體設計方案

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