李書環(huán)等

摘 要：從力求結(jié)構(gòu)簡單的角度出發(fā)，確定了小車結(jié)構(gòu)方案，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)如驅(qū)動(dòng)力矩、驅(qū)動(dòng)輪直徑、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪齒數(shù)比、凸輪推桿位移及調(diào)節(jié)參數(shù)等進(jìn)行了分析。該分析對(duì)小車的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無碳小車；參數(shù)分析；驅(qū)動(dòng)力矩；軌跡設(shè)計(jì)

無碳小車是目前發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)大環(huán)境下，訓(xùn)練學(xué)生工程綜合能力的一個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過一定質(zhì)量的重物下落一定高度將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，并讓小車自動(dòng)前行，前行過程中，小車要能自動(dòng)避開預(yù)先在賽道上放置好的障礙物，障礙物之間間隔距離相等。小車須采用三輪結(jié)構(gòu)。

小車設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問題有以下幾個(gè)：重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、在動(dòng)能驅(qū)動(dòng)下小車自行行走、行走過程中能自動(dòng)避開障礙物等。按此功能要求，本著結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)化、成本低廉的原則，基本確定小車結(jié)構(gòu)方案如圖1所示[1][2][3]。以下就此方案對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。

1 驅(qū)動(dòng)力矩

小車前行以及轉(zhuǎn)向都需要有驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。該項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)力來源于重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成的動(dòng)能。圖2為能量轉(zhuǎn)化用滑輪或滑輪組，其中，G為重物的重量，重物系在線繩上，另有線繩繞在線軸（如圖1）上，F(xiàn)為線繩的拉力，同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)線軸轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，T=Fd/2為輸入力矩，d為線軸直徑。對(duì)于小車來說，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，也是輸入力矩的主要耗用者，因此，小車能不能行走以及能否穩(wěn)定行走與驅(qū)動(dòng)后輪的力矩TQ有關(guān)，在圖1方案a中，TQ=T/u，（u=z2/z1為齒輪齒數(shù)比），圖1方案b中，TQ=T。可見，驅(qū)動(dòng)力矩TQ與線繩拉力F、線軸直徑d以及傳動(dòng)方案有關(guān)。

為實(shí)現(xiàn)小車行走的穩(wěn)定性要求，驅(qū)動(dòng)力矩TQ大小要適中，既不能因?yàn)檫^大導(dǎo)致小車傾翻，或重塊晃動(dòng)影響正常行走，也不能因?yàn)檫^小導(dǎo)致小車不能啟動(dòng)。下面，針對(duì)影響驅(qū)動(dòng)力矩的因素進(jìn)行分析。

1.1 線繩拉力

如圖2所示，根據(jù)能量平衡，有G·H=F·L。式中，H為重物下落高度，L為纏繞驅(qū)動(dòng)軸的線繩移動(dòng)的距離，L的大小與小車走過的軌跡長度成正比關(guān)系。

根據(jù)力平衡，圖2（a）中，F(xiàn)=G，圖2（b）中，F(xiàn)=2G，圖2（c）中，F(xiàn)=G/2；由此可知：圖2（b）滑輪組產(chǎn)生的拉力最大，圖2（c）產(chǎn)生的拉力最小。在小車前行阻力比較小的情況下，使用圖2（c）滑輪組小車前行最穩(wěn)定；不過，由于產(chǎn)生的力矩也會(huì)最小，小車啟動(dòng)或有些困難。另外，圖2（a）中，L=H，圖2（b）中，L=H/2，圖2（c）中，L=2H，因此，使用圖2（c）滑輪組，小車行走的距離最遠(yuǎn)。

1.2 線軸直徑

從上面分析可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，線軸直徑d越大，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩越大。通常，小車啟動(dòng)需要比較大的啟動(dòng)力矩，而在小車行駛的過程中，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)有慣性，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩可以小些。因此，線軸可以做成變直徑錐形結(jié)構(gòu)，再通過合理纏繞線繩，就可以達(dá)到小車順利啟動(dòng)且穩(wěn)定行走的目的[4]。

另外，小車傳動(dòng)方案不同，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩也將不同。具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際摩擦力矩大小確定驅(qū)動(dòng)力矩大小，進(jìn)而確定小車結(jié)構(gòu)方案及相關(guān)參數(shù)。

2 小車運(yùn)行軌跡

小車前行過程中必須能夠周期性轉(zhuǎn)向，因此，行走的軌跡對(duì)小車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起著決定性作用。軌跡設(shè)計(jì)的原則是，在速度一定的前提下，小車的運(yùn)動(dòng)軌跡曲率盡可能是連續(xù)變化的，這樣，小車才能平穩(wěn)拐彎行駛[4]。從這一角度出發(fā)，小車運(yùn)行軌跡可選擇正弦曲線。但考慮到周期運(yùn)行距離盡量短些為好以及設(shè)計(jì)方便，在速度很低的情況下，考慮到小車結(jié)構(gòu)的簡化及障礙物間距改變之后調(diào)整的方便，可設(shè)定軌跡在一個(gè)周期內(nèi)由直線段與圓弧組成，直線與圓弧相切，且直線與圓弧長度在障礙物間距調(diào)整后保持不變，只是為適應(yīng)間距變化，圓弧半徑？籽將發(fā)生變化同時(shí)所對(duì)應(yīng)的小車前輪轉(zhuǎn)角？茲也將發(fā)生變化。

3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒數(shù)比

由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和行走系統(tǒng)的動(dòng)力來自于一個(gè)動(dòng)力源，兩部分運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性就需要通過傳動(dòng)系統(tǒng)來保證。以小車走過一個(gè)S形計(jì)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪走過一個(gè)S形，它即轉(zhuǎn)過nQ=s/？仔D圈（s為一個(gè)S形的距離，D為驅(qū)動(dòng)輪直徑）；同時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成左拐右拐一個(gè)周期。依據(jù)能量損失最少的原則，選擇以齒輪機(jī)構(gòu)來完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與行走系統(tǒng)之間的動(dòng)力傳遞。使用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)需要的轉(zhuǎn)速比即齒數(shù)比u=nQ。當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輪直徑D足夠大，nQ=1，從簡化結(jié)構(gòu)的角度，小車可設(shè)計(jì)為無傳動(dòng)系統(tǒng)。

4 小車驅(qū)動(dòng)輪直徑

5 凸輪推桿位移

不論S型軌跡如何設(shè)計(jì)，軌跡上曲率半徑并不是處處相同，因此，需實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪變角度往復(fù)水平擺動(dòng)。把豎直平面的驅(qū)動(dòng)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平面運(yùn)動(dòng)，是三維空間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，在綜合考慮后，采用凸輪機(jī)構(gòu)+正切機(jī)構(gòu)或正弦機(jī)構(gòu)。如圖3所示，s為凸輪推桿運(yùn)動(dòng)位移，它的變化規(guī)律可由小車運(yùn)行軌跡曲率半徑？籽推導(dǎo)獲得。小車轉(zhuǎn)向時(shí)，需保證三個(gè)輪子瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心相同，即O點(diǎn)。

6 小車調(diào)節(jié)參數(shù)

在障礙物距離改變后，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)能調(diào)整小車走出一條正確的路線。上述軌跡設(shè)計(jì)中，選擇軌跡由直線段與圓弧組成，直線與圓弧相切，在障礙物間距調(diào)整后，直線與圓弧長度保持不變，只是圓弧段曲率半徑？籽發(fā)生了變化。對(duì)于小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來講，只要調(diào)節(jié)相應(yīng)的距離b或l，就能實(shí)現(xiàn)小車沿既定軌跡運(yùn)行。

7 結(jié)束語

文章對(duì)小車設(shè)計(jì)過程中一些關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行了理論分析，但由于實(shí)際情況與理論分析存在一定差距，并且實(shí)際情況也存在一定的變數(shù)，因此在理論分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的小車，需通過來反復(fù)改造與調(diào)試，才能得到比較理想的項(xiàng)目結(jié)果[5]。

參考文獻(xiàn)

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[3]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006：343-383.

[4]王斌，王衍，李潤蓮，等.“無碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（1）：59-61.

[5]張磊.一種無碳小車的設(shè)計(jì)與性能分析[J].電子制作，2013.

作者簡介：李書環(huán)（1967-），女，河北故城人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究與教學(xué)工作。