周 威

(東北電力大學工程訓練教學中心，吉林吉林132012)

根據第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的主題，設計基于齒輪齒條傳動的無碳小車。大賽設計要求:驅動其行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。如圖1所示。該給定砝碼重力勢能為4 J，要求砝碼的可下降高度為400±2 mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。競賽小車在前行時能夠自動繞過賽道上設置的障礙物［1］。障礙物為直徑20 mm、高200 mm的圓棒，沿賽道中線等距離擺放，如圖2所示。由于這項賽事已經在全國各大高校開展了四年，老師和學生都在這項賽事中得到充分的鍛煉，取得了學校師生的高度認可。所以，多年來學?？蒲袌F隊對這項賽事的命題進行研究，取得了一些成果。

圖1 無碳小車示意圖

圖2 無碳小車在重力勢能作用下自動行走示意圖

1 設計思路及方案

1.1 整體結構設計

為了降低小車穿越障礙時刮碰圓棒的概率，并且盡量減小車體的質量。小車的寬度設計變窄，將小車制造的材料選用鋁材料。防止重心太靠前造成小車前輪轉動困難，導致小車無法啟動運行，將重物下落位置設計在兩個后輪軸線稍微靠前的位置［2］。提高小車轉彎時的穩(wěn)定性，將小車的底座設計靠近地面。

1.2 驅動結構設計

小車驅動繞線部分:利用重物下落的重力勢能，通過細繩帶動繞線輪轉動轉變成動能。為了減少動能損耗提高傳動效率，減少加工難度和裝配難度，繞線輪帶動一級齒輪傳動。要使小車運行距離增長，繞線輪直徑要小。繞線輪上要加一個直徑大于它的啟動輪，確保小車啟動時可以得到足夠的動能運行。

小車驅動部分:采用一級齒輪傳動形式。小車后軸承座安裝差速器進行小車運行差速功能的實現。模數m=0.5，傳動比1∶6。小車驅動輪機構采用差動輪系，以減小轉彎時驅動輪打滑產生的能量損和過大的行走誤差。

根據大賽要求模擬畫好小車行走圖，近似認為是正弦曲線軌跡，根據小車設計寬度120 mm及小車行駛繞過障礙柱子的余量間隙80 mm。得出:小車正弦軌跡的振幅為A=10(障礙柱半徑)+80(余量間隙)+60(小車一半寬度)=150 mm;周期T=2 000 mm。

則利用曲線積分公式得到半個周期曲線的長度為:

設計按照模數:m=0.5，齒輪傳動比1∶6，設計出大齒輪齒數為Z大=120小齒輪齒數為Z小=20。計算要求小車前行1 056 mm時轉向輪轉向一個方向，根據小車的行走軌跡，當后輪轉動3圈計算驅動輪直徑為:D=1 056÷3.14÷3=112 mm。由已知驅動輪軸的小齒數20，大齒輪齒數120，計算出齒輪軸轉動圈數為:N=20×3÷120=0.5圈。后輪每轉動3圈，大齒輪轉動0.5圈，轉向輪轉一個方向，正好符合設計要求。

圖3 傳動示意圖

1.3 小車轉向機構

小車轉向機構采用齒輪齒條和滑塊機構相結合。利用在大齒輪上連接一個滑塊，改變滑塊位置起到改變偏心位置的目的。滑塊相對一個滑道在上下方向移動，而滑道則進行直線的前后方向移動?；狼昂蠓较蛞苿油苿育X條移動，從而達到齒條帶動半個齒輪轉動，齒輪帶動前輪實現左右轉動，傳動示意圖3所示。

根據大賽要求，設計的小車多以S形路線進行周期轉向。這種以齒輪齒條和滑塊機構相結合的設計要優(yōu)于曲柄搖桿機構和凸輪機構。曲柄搖桿機構雖然設計制造簡單方便，但是轉向不穩(wěn)定性是在原理上無法解決的問題［3］。凸輪機構轉向雖然準確，但是計算軌跡非常困難，難有成功的競賽隊伍，而且小車制造精度要求特別高。齒輪齒條和滑塊結構結合的設計，不但運行精度高，而且制造工藝比凸輪機構簡單，所以采用這種方式實現小車轉向是一個合理的選擇。

2 小車重要部件工藝分析

保證小車平穩(wěn)準確運行除了巧妙的設計，還有合理的制造工藝安排。小車上的構件非常多，后軸承座是小車上重要的構件之一，其工藝簡圖圖4所示。

后輪軸承座的精度要求較高，其與軸承配合的孔必須保證同軸度。所以采用一次裝夾、鉆孔、鉸孔，并用線切割切開軸承座上半部分，用螺絲連接。這樣做是在保證軸承孔與軸承密切配合，同時不用加工臺階孔［4］。工藝上涉及到交叉孔的加工，根據加工工藝原則先加工螺紋孔，后加工軸承配合孔。

圖4 工藝簡圖

2.1 基準選擇

根據“粗基準”選擇原則和結構工藝分析可知，對于單件小批量生產，銑件時以第一加工表面為基準［5］，所以軸承座以第一步加工的大平面為基準平面，并用壓板定位裝夾加工四周輪廓以及上表面。

2.2 工藝路線

后軸承座加工工藝步驟如下:

(1)選料:選擇毛坯;

(2)銑床:銑基準面，并以此為基準銑外輪廓;

(3)鉆床:鉆螺紋孔攻絲;一次裝夾，鉆軸承配合孔、鉸孔;此步驟最為關鍵涉及到交叉孔的加工，必須先加工螺紋孔然后加工軸承配合孔，反之若次序顛倒，鉆螺紋孔的時候極易斷刀，還保證不了垂直度。另外6個φ2.5深孔由于絲錐長度不夠不能完成攻絲，這6個孔放到步驟五之后攻絲。

(4)銑床:銑減料區(qū)域;

(5)線切割:線切割軸承配合孔，分成上下兩個配合蓋;

(6)攻絲:步驟五中工件被切開后用M3絲錐對工件下半部分6個φ2.5孔進行攻絲。

3 小車運行效果

按照小車設計圖紙加工組裝小車，通過反復探索試驗，調整小車的運行狀態(tài)。最終實現重物下落400 mm時候繞線輪轉動20.53圈，根據大小齒輪傳動比1∶6，后輪Φ112 mm轉動圈數為120.23圈，重量塊下落過程中，加上慣性等因素，小車最好成績是小車行走41 m，繞柱36個。

4 結 語

本文所設計的小車，利用齒輪齒條和滑塊替代桿傳動或凸輪傳動，實現轉向功能。新的設計解決了桿傳動本身無法改變的運行缺陷，同時保留了桿傳動加工、運行方便的優(yōu)點。由于車輪與地面之間的摩擦系數無法解定，所以小車內部傳動系統仍然需要微調，保證小車運行的準確性?？傊?，新設計的小車，設計新穎、結構簡單，加工和裝配小車零件的難度下降，這些都順應未來無碳小車設計的發(fā)展趨勢。

［1］季元進.利用變心齒輪傳動的無碳小車的機構創(chuàng)新設計［J］.機械設計，2014，31(4):71－75.

［2］付大鵬.基于離心泵半開式葉輪的五軸數控加工技術研究［J］.東北電力大學學報，2013，33(3):47－49.

［3］鄒光明.基于不完全齒輪齒條機構的小車轉向系統研究［J］.機械工程師，2014(1):120－122.

［4］傅水根.創(chuàng)建有中國特色的工程實踐教學體系［J］.中國大學教學，2004，(7):24－26.

［5］楊英杰，欽鵬明.一種改進的GPS微弱信事情捕獲算法［J］.東北電力大學學報，2013，33(5):57－60.

［6］馮國亮，于天暝.超聲波檢測系統的前端電絡設計［J］.東北電力大學學報，2012，32(3):83－87.