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        一種S形無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2016-05-30 03:51:17張偉超
        科技尚品 2016年2期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        張偉超

        摘 要:根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,設(shè)計(jì)一種可將該小車的重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該無碳小車可自動(dòng)避障且行駛路線為S形。確定了S形無碳小車各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,達(dá)到了高效率、高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。

        關(guān)鍵詞:無碳小車;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);曲柄導(dǎo)桿

        0 引言

        S形無碳小車的主體部分包括車架、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、齒輪系和微調(diào)結(jié)構(gòu)4部分。車架用于支撐整個(gè)小車,轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)要用到曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),齒輪系的作用是將車軸的動(dòng)力傳給曲柄,使曲柄隨著車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而做周期性轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)。微調(diào)結(jié)構(gòu)是為了滿足賽事的要求,在不同的障礙物間距下行駛。

        1 行駛路線軌跡規(guī)劃

        設(shè) S形無碳小車行駛的安全距離是200mm,設(shè)計(jì)小車的寬度為130mm,在行駛軌跡周期為2m的情況下,其軌跡方程為:

        y=-0.33 cosx;

        一個(gè)周期的弧長為:S=2460mm;

        根據(jù)傳動(dòng)比和驅(qū)動(dòng)輪直徑之間的關(guān)系[1]:

        在選定傳動(dòng)比為的情況下,得到驅(qū)動(dòng)輪直徑D=156.6mm,則半徑R=78.3mm。設(shè)定 S形無碳小車底盤距地面高度為10mm,根據(jù)傳動(dòng)比的關(guān)系得到線輪軸距地面的關(guān)系H=70mm。設(shè)定驅(qū)動(dòng)軸距前輪軸的距離d=215mm,齒輪組模數(shù)m=2,小齒輪齒數(shù)為12,得到兩齒間距為72mm,根據(jù)幾何關(guān)系得到前輪軸距線輪軸b=143.48mm。設(shè)定曲柄半徑r1=20mm,線輪半徑r2=6.25mm。

        根據(jù)各幾何量之間的關(guān)系:

        路徑弧微分,后輪半徑R,后輪轉(zhuǎn)過的角度微分,

        為線輪轉(zhuǎn)過的微小角度;

        為重物下降的微小高度;

        經(jīng)過MATBLE程序[2],確定搖桿長度c=37.3mm,初始角度常數(shù)0.8958。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1.1 車梁

        車輪之間距離用后軸的軸肩進(jìn)行定位,車梁是車的載體,連接前后輪,使前輪與后輪間的距離為215mm,兩后輪間的距離為130mm;在車梁形心位置處安裝載物臺(tái),承載400g(Φ60×65mm)的重物;在車梁的兩側(cè)接近形心位置處,安裝一龍門架,承載1kg的重塊(Φ50×65mm),完成能量轉(zhuǎn)換;在后輪軸的地方安裝齒輪,用于實(shí)現(xiàn)固定傳動(dòng)比;在繞繩軸處安裝曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),以完成小車前輪的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

        2.1.2 龍門架

        車架上的龍門架具有安裝定滑輪和承載下落的重塊的作用。重塊下落前,重塊的下端面距車架的高度為400mm,加上重塊和滑輪的高度及加工余量,設(shè)計(jì)龍門架的高度為500mm。安裝時(shí),保持龍門架處于鉛直位置,重物(Φ50×65 mm)下落后,由于摩擦阻力的作用,小車將會(huì)慢慢停止。

        2.1.3 車輪

        前輪和后輪的直徑分別為d1=32mm和d2=156.6mm,前后輪的寬度分別為8mm、15mm。后輪為驅(qū)動(dòng)輪,與地面的摩擦力大些好;前輪為被動(dòng)輪,與地面的摩擦力小些好。車架的結(jié)構(gòu)如圖1所示:

        2.2 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.2.1 曲柄導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)

        曲柄導(dǎo)桿的桿長要細(xì)長,剛度大,不易變形。曲柄的長度與前輪的轉(zhuǎn)向密切相關(guān),直接影響轉(zhuǎn)向的角度。設(shè)計(jì)曲柄的長度為20mm。導(dǎo)桿的長度滿足前輪的轉(zhuǎn)向即可,導(dǎo)桿的長度確定為143mm。

        2.2.2 轉(zhuǎn)向輪的設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)一前叉,將導(dǎo)套與前叉固定,前叉用一推力軸承和車身相連,導(dǎo)桿與曲柄相連。安裝后,使車架保持水平,將型材切割成所需的形狀即可,上面裝一階梯軸,使其與車梁相連。

        2.3 齒輪系的設(shè)計(jì)

        一個(gè)周期內(nèi),曲柄轉(zhuǎn)過一周轉(zhuǎn)向輪也經(jīng)歷一個(gè)周期。在后車軸和曲柄之間的嚙合齒輪要滿足傳動(dòng)比為i=5的關(guān)系。曲柄相對(duì)于小車的旋轉(zhuǎn)中心要在小車的中心線上。否則,小車將會(huì)偏離寬度為2m的賽道。齒輪嚙合不能太緊,否則后車軸會(huì)彎曲變形[3],摩擦力也會(huì)很大,傳動(dòng)比不精確。直齒輪齒數(shù)分別為12、60,模數(shù)為2。

        2.4 微調(diào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        微調(diào)結(jié)構(gòu)主要依靠改變支撐導(dǎo)桿的導(dǎo)桿座的橫向距離來調(diào)節(jié)前輪的擺角幅度,進(jìn)而適應(yīng)不同的障礙物間距,滿足小車的理想行駛路線條件。導(dǎo)桿座橫向距離的改變主要依靠其在小車底座的位置改變來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),可得出相應(yīng)的距離改變量與擺角變化量的坐標(biāo)圖,進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)不同的比賽要求提供參考。

        3 結(jié)論

        通過對(duì)S形無碳小車的車架、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、齒輪系和微調(diào)結(jié)構(gòu)4部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了無碳小車在不同比賽要求下的理想行駛及避障條件。尤其是在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,將連接前輪的萬向閥裝置改裝成了導(dǎo)桿凹槽式,減小了運(yùn)動(dòng)誤差,使運(yùn)動(dòng)路線更加精準(zhǔn)。理論和實(shí)踐證明,本文所設(shè)計(jì)的S形無碳小車結(jié)構(gòu)合理、傳動(dòng)效率較高、運(yùn)行平穩(wěn),滿足大賽要求。

        參考文獻(xiàn)

        [1]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):59-62.

        [2]劉金肖,何秋熟,楊延清,等.無碳小車創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2014,(5):189-191.

        [3]劉鴻文.簡明材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008.

        (作者單位:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院)

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