袁名偉，楊 慧，潘 忠

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)世界技能大賽中國研究中心，天津 300222;2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222 3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 理學(xué)院，天津 300222)

0 引言

無碳越障小車作為全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽主題，要求驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向是純機(jī)械機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單精確，能量消耗追求最小化，使無碳小車按照規(guī)定區(qū)域和路線行走的路程更遠(yuǎn)，軌跡更精確。

該設(shè)計(jì)的無碳小車進(jìn)行了5個(gè)輪次以上的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，運(yùn)動(dòng)件采用滾動(dòng)副少且摩擦力小，并考慮波峰值和軌跡的最優(yōu)路線。小車差速器在全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中未有采用，支撐結(jié)構(gòu)國內(nèi)外尚無應(yīng)用。無碳越障小車高精度零件制造和精確裝配，特別是差速器的應(yīng)用和精巧結(jié)構(gòu)布局，小車進(jìn)行拐彎時(shí)，對(duì)后輪速度差進(jìn)行了有效的補(bǔ)償，避免了后輪的滑動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生;繞線軸采用多階臺(tái)尺寸，啟動(dòng)時(shí)繞線大直徑階臺(tái)，解決了因靜摩擦力啟動(dòng)力矩大的問題，勻速運(yùn)行時(shí)動(dòng)摩擦力相同，繞線經(jīng)過精確計(jì)算的直徑小的軸徑，保證小車平穩(wěn)勻速運(yùn)行。

通過一系列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實(shí)踐，該設(shè)計(jì)使小車準(zhǔn)確可靠地完成50個(gè)樁的繞行和直線行走距離接近55 m，達(dá)到理論核算值，達(dá)到了理想的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)效果，最終獲得全國第一名。

本研究針對(duì)無碳越障小車要求運(yùn)行軌跡準(zhǔn)確和行程距離長(zhǎng)等關(guān)鍵要素，研究小車的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和周期性地轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確避障等方面問題。

1 無碳越障小車要求與原理

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽第二屆和第三屆競(jìng)賽主題是要求設(shè)計(jì)一部以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車，小車在寬度為2 m 的賽道前行時(shí)能夠自動(dòng)避開障礙。

無碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走軌跡如圖1 所示。

圖1 無碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走軌跡

無碳小車的驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向原理圖如圖2 所示［1］。

圖2 無碳小車的驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向原理圖

無碳小車完成所有動(dòng)作的能量完全由重物塊1 提供，小車在前進(jìn)時(shí)重物塊緩慢下降，驅(qū)動(dòng)小車周期性繞樁前進(jìn)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

重物塊下降的勢(shì)能通過雙聯(lián)輪傳遞給繞線軸，繞線軸上的齒輪與差速器箱體上的齒輪嚙合［2］，本研究將驅(qū)動(dòng)力分配給左、右車輪，使小車在轉(zhuǎn)向時(shí)左、右車輪獲得不同的速度及保證轉(zhuǎn)向平穩(wěn)［3］。

無碳小車傳動(dòng)圖如圖3 所示。

圖3 無碳小車傳動(dòng)圖

雙聯(lián)輪在增大無碳小車行程的同時(shí)也降低了小車的驅(qū)動(dòng)力，考慮到小車啟動(dòng)時(shí)靜摩擦力和前進(jìn)過程中摩擦阻力并不相同，將繞線軸設(shè)計(jì)成階梯式［4］，方便調(diào)整啟動(dòng)力和前進(jìn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，從而讓小車在啟動(dòng)時(shí)既能克服靜摩擦力，在前進(jìn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力等于摩擦阻力，進(jìn)而控制小車的速度為勻速前進(jìn)。

無碳小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，左、右車輪的轉(zhuǎn)向半徑不相等，其中內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)速低，車輪的狀態(tài)是邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊滑動(dòng)，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速快，采用差速器可以自動(dòng)分配驅(qū)動(dòng)力給左、右后車輪，保證左、右后車輪的轉(zhuǎn)彎速度不相同，使小車的轉(zhuǎn)向過程更加平穩(wěn)。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)［5］采用空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。繞線軸通過齒輪機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)力傳遞給曲柄，再通過連桿(連桿兩端的運(yùn)動(dòng)副為球鉸)帶動(dòng)搖桿前后擺動(dòng)，由于前輪與搖桿為一整體件，小車前進(jìn)時(shí)，前輪左、右擺動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)周期性的繞樁?？臻g曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄的回轉(zhuǎn)中心在搖桿的擺動(dòng)平面內(nèi)，保證空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)不存在急回特性。搖桿的長(zhǎng)度等于連桿極限位置時(shí)其與車體中心的距離［6］。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在滿足零件使用性能要求的前提下，在零件設(shè)計(jì)時(shí)還充分考慮減少能量損耗及美化小車外觀等因素，支撐部件材料主要選用鋁合金［7］，運(yùn)動(dòng)部件采用NAK80，后輪因不需重載，為增加與地面摩擦力，采用有機(jī)玻璃，滿足小車運(yùn)動(dòng)需要的情況下，使小車質(zhì)量盡可能輕。

3.1 小車運(yùn)行軌跡建模

小車參數(shù)設(shè)置為:后輪位置X(s)，前輪位置Y(s)，后輪方向角β(s)，前輪方向角β(+θ)。

(1)位置關(guān)系:

式中:V1(s)—后輪方向:

式中:S—弧長(zhǎng)參數(shù)。

(2)姿態(tài)關(guān)系:

V1和V2夾角為θ:

繞線軸啟動(dòng)直徑d3=22 mm，驅(qū)動(dòng)直徑d4=12.5 mm，波峰波谷760 mm，后輪直徑d5=134 mm，前輪直徑d6=35 mm。

齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i54=0.4，i78=2.5，設(shè)計(jì)繞樁周期為2 m，一個(gè)周期內(nèi)小車行駛的距離S1≈2.6 m(通過專業(yè)軟件計(jì)算得出)。小車設(shè)計(jì)行程S2=L/d4×3.14×d5=67.3 m，周期數(shù)N1=67.3/S1=25.8，繞樁個(gè)數(shù)N2=25.8×2=51個(gè)。

3.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是保證小車準(zhǔn)確行走的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)設(shè)定行走曲線確定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部件的參數(shù)和尺寸。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 空間曲柄連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

設(shè)曲柄L1=20 mm，搖桿L3=65 mm，機(jī)架L4=128 mm。

連桿的長(zhǎng)度根據(jù)計(jì)算得L=129.5 mm，在設(shè)計(jì)分析中，搖桿的左、右理論極限位置關(guān)于搖桿擺動(dòng)中心線對(duì)稱。

小車方向:

后輪起始角度α=0 時(shí)，前輪起始角度θ=0，ΔX=R·cosθ=r·sinθ，故θ=arcsin(R/r·cosα)。

角速度控制:α=ω·S/R，其中:S—行走距離。

3.3 小車整體結(jié)構(gòu)與制造

由于設(shè)計(jì)、加工、裝配誤差的存在，無碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)很難達(dá)到理想的狀態(tài)，為了便于調(diào)整將連桿設(shè)計(jì)成螺紋差動(dòng)，本研究通過微調(diào)連桿的長(zhǎng)度，消除曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回問題和轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性。

小車在轉(zhuǎn)向時(shí)重物塊由于慣性會(huì)左、右晃動(dòng)，影響小車的穩(wěn)定性，本研究通過制作一個(gè)重物塊導(dǎo)向管，將重物塊限制在導(dǎo)向管內(nèi)，保證了其行走穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繞線軸、差速器、左/右支撐座及左/右后輪軸組成。繞線軸同時(shí)也是齒輪的驅(qū)動(dòng)軸，制造時(shí)應(yīng)保證較小的圓跳動(dòng)誤差。

本研究采用的錐齒差速器，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒差速結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和錐齒差速結(jié)構(gòu)

因差速器錐形齒輪特殊，需用數(shù)控銑床進(jìn)行三維造型后精確銑出齒形，再進(jìn)行鉗工修整［8］。左、右支撐座的軸承孔必須保持同軸度和高度方向的精度。本研究通過在加工中心上一次銑削兩個(gè)支撐座的軸承孔用浮動(dòng)鉸刀鉸孔至尺寸，可保證很好的形位精度和尺寸精度。采用帶法蘭軸承支撐，保證較高的軸向定位精度［9］，確保小車整體安裝精度。

整車結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 無碳小車實(shí)物圖

4 結(jié)束語

無碳小車的設(shè)計(jì)過程充分利用二維、三維繪圖和仿真軟件，不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，還大大縮短了設(shè)計(jì)周期，充分考慮到小車結(jié)構(gòu)、影響小車運(yùn)行穩(wěn)定性的因素、各個(gè)零部件加工工藝和整車的安裝精度等各種問題。無碳小車在加工、裝配、調(diào)試完成后，在復(fù)合木地板地面上最遠(yuǎn)繞樁50個(gè)，行走距離達(dá)到55 m，達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求。

小車具有較強(qiáng)的場(chǎng)地適應(yīng)性和可調(diào)性，能滿足大理石版、實(shí)木板場(chǎng)地的要求。憑借優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高精度的制作，無碳小車在全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力大賽中名列前茅。

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