李云濤等

摘 要： 針對2015年第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽主題為“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。設(shè)計一種小車，該小車特點是：小車采用單輪驅(qū)動，避免小車啟動時摩擦力較大，能量損失過多；采用鎖止弧、曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)小車的精確運行，行駛的更遠。通過第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽小車結(jié)構(gòu)可行性得到驗證。本設(shè)計為在現(xiàn)實生活中很常見，給“8”字運動軌跡相似的產(chǎn)品提供了良好的借鑒，有很好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： 8字形；間歇控制；機構(gòu)設(shè)計；曲柄搖桿機構(gòu)

1.前言

如今，科學(xué)技術(shù)日新月異，人們的生活水平有了很大的改善，然而環(huán)境污染問題也越來越凸顯出來，因此可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)被原來越多的人接納。堅持科學(xué)發(fā)展，走可持續(xù)發(fā)展的道路，是社會發(fā)展必然趨勢，為此我國正在努力將無碳技術(shù)應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)及日常生活的各個領(lǐng)域，縮小與發(fā)達國家的差距。作為當(dāng)代有素質(zhì)的大學(xué)生通過自己的知識來設(shè)計出一款無碳小車，具有重要的意義。本設(shè)計的要求：小車運動所需的能量完全由重力勢能提供，不得提供任何其它能量，且小車為行走時不可人工干預(yù)其行走。

2.運動軌跡分析及設(shè)計

設(shè)樁間距為400mm，一個8字路線總長800π，大輪周長為100π，完成一個8字大輪轉(zhuǎn)8圈，間歇機構(gòu)轉(zhuǎn)2圈如圖1。本設(shè)計分為三個階段。階段一：初始時，小車停在8字交點位置，前輪保持最大轉(zhuǎn)角，不完全齒輪剛好離開完全齒輪，不完全齒輪將空轉(zhuǎn)3/4圈，小車在前輪角度固定下行走大約3/4圓，之后不完全齒輪撥動完全齒輪，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向如圖2。階段二：完全齒輪被撥動的過程中，前輪由初始最大角回位再反向變到最大角，并保持這一角度前進，此時不完全齒輪剛好離開完全齒輪如圖3。階段三；在此階段，小車走過大概3/4圓，不完全齒輪又與完全齒輪嚙合，開始轉(zhuǎn)向，到B點結(jié)束，不完全齒輪又與完全齒輪分開，如此循環(huán)即可實現(xiàn)小車的8字形行走軌跡。

3.小車整體設(shè)計

根據(jù)今年比賽的新規(guī)定，樁被撞到則停止比賽，本作品在保證小車正常行駛的情況下，盡量減小小車的整體尺寸，本設(shè)計長150mm寬100mm高574mm。通過對小車行走的分析，可以知道一個8字周期內(nèi)大輪轉(zhuǎn)8圈，前輪需要轉(zhuǎn)2次向，為實現(xiàn)這一目的，設(shè)計本作品差速器右邊齒輪與主軸右邊齒輪傳動比為2：1，主軸左邊齒輪與底盤大齒輪傳動比為2：1，由此實現(xiàn)大輪轉(zhuǎn)8圈小輪轉(zhuǎn)2次向；為保證小車的平穩(wěn)行駛，在賦予小車了零件材料后，通過質(zhì)量分析，以及修改設(shè)計之后，小車質(zhì)心位于車身中心。

4 小車的主要結(jié)構(gòu)

本設(shè)計主要由原動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)四部分構(gòu)成，其中原動機構(gòu)由重錘下落使其重力勢能轉(zhuǎn)化為動能；傳動機構(gòu)采用齒輪傳動；轉(zhuǎn)向機構(gòu)由曲柄搖桿結(jié)合不完全齒輪構(gòu)成；調(diào)節(jié)機構(gòu)通過調(diào)節(jié)螺絲來完成。

4.1 原動機構(gòu)的設(shè)計

原動機構(gòu)將重錘的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車前進所需的的動能。本設(shè)計采用錐形軸作為驅(qū)動機構(gòu)的一部分，可以保證小車在啟動時、行進時、結(jié)尾時始終保持勻速平穩(wěn)行駛，并可以有效使小車低速落到車板上，減小碰撞能量損失，增加小車行駛的距離。

4.2 傳動機構(gòu)的改進

本設(shè)計采用齒輪傳動，可以高效率的將重錘的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能。采用單輪驅(qū)動，并且結(jié)合差速器實現(xiàn)小車的平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎，以此防止由于離心力過大小車的側(cè)倒。

4.3 轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)

本設(shè)計采用曲柄搖桿機構(gòu)與不完全齒輪結(jié)合的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)小車的精確轉(zhuǎn)向，通過計算小車起步時的擺放角度為20°如圖5。本作品采用的曲柄搖桿機構(gòu)通過SolidWorks的模擬仿真，經(jīng)過大量實驗將其極位夾角調(diào)到可以忽略的角度（1.47°），極大地減小了小車的急回問題。

4.4 調(diào)節(jié)機構(gòu)

通過旋進旋出螺絲來完成小車曲柄搖桿機構(gòu)調(diào)節(jié)，以此調(diào)整小車。

5.結(jié)語

本設(shè)計注重整體設(shè)計，經(jīng)過與其它作品的大量對比后設(shè)計出本作品。與其它作品相比本設(shè)計更看重能量利用率、整體穩(wěn)定性、運動精確性、結(jié)構(gòu)簡單性、以及制造成本。采用雙滑輪結(jié)構(gòu)，可以無形中增加繩的長度，提高能量利用率；采用三根柱約束導(dǎo)軌，可以防止小車在行走的晃動，提高小車的穩(wěn)定性；采用差速器機構(gòu)保證小車轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定；采用單輪驅(qū)動，避免了從動輪打滑，使小車更穩(wěn)定；采用曲柄搖桿機構(gòu)精確控制小車的轉(zhuǎn)向。

參考文獻：

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