張井洋 王恒廠 陳春陽(yáng)

（南京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇 南京211106）

1 設(shè)計(jì)背景

S型無(wú)碳小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)源于大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題——“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē)”。驅(qū)動(dòng)小車(chē)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(shì)能轉(zhuǎn)換得到的。該給定重力勢(shì)能由使用質(zhì)量為1kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（50×65mm，碳鋼制作）來(lái)獲得，要求砝碼的可下降高度為（400±2）mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車(chē)承載，不允許從小車(chē)上掉落。圖1為小車(chē)示意圖。

圖1 無(wú)碳小車(chē)示意圖

小車(chē)為三輪結(jié)構(gòu)且具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地。

2 設(shè)計(jì)概述

在對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件具有互換性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，按互換性要求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，最便于采用三化（標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化）設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）。對(duì)于小車(chē)需要加工制造的零件要進(jìn)行科學(xué)、合理、正確的尺寸精度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)以及選材設(shè)計(jì)。最終設(shè)計(jì)的小車(chē)要便于生產(chǎn)、制造、裝配、調(diào)試，且加工成本低、性能優(yōu)越，能夠精確、穩(wěn)定、安全、可靠地運(yùn)行。

無(wú)碳小車(chē)主要由車(chē)架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)組成，現(xiàn)分別對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 車(chē)架設(shè)計(jì)

車(chē)架是小車(chē)非常重要的裝配基準(zhǔn)零件，主要用來(lái)安裝連接軸承座、轉(zhuǎn)向架、砝碼導(dǎo)向桿零件，另外還要支撐砝碼的重量，要求其必須滿足預(yù)定的使用功能要求?？紤]到車(chē)架重量要輕，加工成本要低，便于加工，另外還要滿足足夠的強(qiáng)度、剛度要求等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，車(chē)架采用鋁合金材質(zhì)加工制作而成。對(duì)于不承受力且不影響強(qiáng)度的部位進(jìn)行鏤空，以減輕重量，如圖2所示。

2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將砝碼的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力，能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有多種，就效率和簡(jiǎn)潔性來(lái)看繩輪最優(yōu)。小車(chē)對(duì)原動(dòng)機(jī)構(gòu)還有其他具體要求：

圖2 車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

（1）驅(qū)動(dòng)力適中，不至于使小車(chē)拐彎時(shí)速度過(guò)大傾翻，或使砝碼下落時(shí)晃動(dòng)過(guò)大影響行走。

（2）砝碼將要下落到車(chē)架時(shí)其下落速度要盡可能小，以免對(duì)小車(chē)沖擊過(guò)大。同時(shí)要使砝碼的機(jī)械能盡可能地轉(zhuǎn)化到驅(qū)動(dòng)小車(chē)前進(jìn)上，如果砝碼下落的速度較大，砝碼本身還有較多動(dòng)能未釋放，則能量利用率不高。

（3）啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)該比行走過(guò)程中的力矩要大一些，采用線壓線的繞線模式。

基于以上分析，我們提出了輸出驅(qū)動(dòng)力可調(diào)的繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 繩輪式原動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。要使小車(chē)運(yùn)行得更遠(yuǎn)及按預(yù)定優(yōu)化設(shè)計(jì)的軌跡精確運(yùn)行，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕等。由于帶傳動(dòng)效率及傳動(dòng)精度并不高，長(zhǎng)期使用帶會(huì)變得松弛，而齒輪具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、傳動(dòng)比穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此采用齒輪傳動(dòng)。

為適應(yīng)大賽障礙物的距離（0.7～1.3m），設(shè)計(jì)小車(chē)一個(gè)周期行走路程約為3m。為實(shí)現(xiàn)這一要求，需要傳動(dòng)比較大，因此采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)。考慮到設(shè)計(jì)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的直徑為222 mm，二級(jí)傳動(dòng)的總傳動(dòng)比約為4.44∶1。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

各級(jí)傳動(dòng)比：

一級(jí)加速傳動(dòng)比：43/19≈2.263；

二級(jí)加速傳動(dòng)比：49/25＝1.96。

砝碼下降長(zhǎng)度（mm）/小車(chē)行走長(zhǎng)度（mm）：

400/［15×（43/19）×（49/25）×3.141 5×222］≈0.008 62

小車(chē)最大理論行走長(zhǎng)度：

15×（43/19）×（49/25）×3.141 5×222

≈46 403.7mm≈46.4m

小車(chē)距出發(fā)線最大理論距離：30×d（樁距）。

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車(chē)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，也是小車(chē)按照預(yù)定優(yōu)化軌跡實(shí)現(xiàn)周期性擺動(dòng)的保證。需要滿足盡可能減少摩擦耗能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件易獲得等基本條件，設(shè)計(jì)采用曲柄連桿＋搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。該機(jī)構(gòu)連桿之間采用關(guān)節(jié)軸承球鉸連接，使其摩擦阻力較小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)向輪叉架與車(chē)架采用一對(duì)滾動(dòng)軸承減小轉(zhuǎn)向摩擦阻力，保證了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)即三個(gè)輪子，采用單輪驅(qū)動(dòng)，即只利用一個(gè)輪子作為驅(qū)動(dòng)輪，另一個(gè)為導(dǎo)向輪，還有一個(gè)為從動(dòng)輪，從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪間的差速依靠與地面的運(yùn)動(dòng)約束來(lái)確定，效率高。

2.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

一臺(tái)完整的機(jī)器包括原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制部分、輔助設(shè)備，微調(diào)機(jī)構(gòu)就屬于小車(chē)的控制部分。由于前面確定了轉(zhuǎn)向采用曲柄連桿＋搖桿方案，而曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)加工誤差和裝配誤差很敏感，再加上理論分析與實(shí)際情況有差距，故只能通過(guò)理論分析得出較優(yōu)的方案而不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案，因此就必須加上微調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)誤差進(jìn)行修正。微調(diào)機(jī)構(gòu)是通過(guò)改變曲柄半徑的長(zhǎng)度及連桿的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整小車(chē)的幅值、周期、方向等，使小車(chē)沿著一條最優(yōu)的軌跡運(yùn)行。微調(diào)機(jī)構(gòu)包括粗調(diào)與細(xì)調(diào)兩部分，如圖6、圖7所示。

圖6 粗調(diào)

圖7 細(xì)調(diào)

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)S型無(wú)碳小車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，小車(chē)各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、傳力性能好、抗干擾能力強(qiáng)，能夠正確繞過(guò)0.7～1.3m間距樁，且能夠按照預(yù)定的優(yōu)化軌跡精確、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

［1］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.8 版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］申永勝.機(jī)械原理教程［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］杜志強(qiáng)，葛述卿，房建峰，等.基于MATLAB 語(yǔ)言的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2011.

［4］白雪，唐鵬達(dá).機(jī)械傳動(dòng)無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)構(gòu)想［J］.工業(yè)設(shè)計(jì)，2011（8）：145.