摘 要：為了提高大學(xué)生科技創(chuàng)新及工程實(shí)踐能力，參加大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽，設(shè)計(jì)了一種利用重物下降勢(shì)能通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小車轉(zhuǎn)向并沿S形自動(dòng)繞樁的無碳小車。提出了采用轉(zhuǎn)向梯形的雙前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，巧妙地避免了小車?yán)@樁時(shí)的差速問題，參考汽車轉(zhuǎn)向梯形，最大程度上減小了由于前輪轉(zhuǎn)向半徑不同所產(chǎn)生的側(cè)滑現(xiàn)象。文章對(duì)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算進(jìn)行了分析推導(dǎo)，并采用MATLAB進(jìn)行計(jì)算及仿真分析優(yōu)化，利用有限的勢(shì)能，使小車盡可能準(zhǔn)確繞過最多樁數(shù)，行駛距離最遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞：無碳小車；轉(zhuǎn)向梯形；尺寸鏈計(jì)算；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

1 概述

為了提高大學(xué)生科技創(chuàng)新與實(shí)踐動(dòng)手能力，由北京市教育部財(cái)政部資助的一項(xiàng)綜合性工程訓(xùn)練能力競(jìng)賽，鼓勵(lì)學(xué)生以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車為載體進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，小車需要沿s形繞過不同間距（70cm～130cm）的樁桿，以行走最遠(yuǎn)距離和最多繞樁數(shù)為目標(biāo)。經(jīng)過三屆國(guó)賽和四屆北京市比賽，出現(xiàn)了多種多樣的設(shè)計(jì)，主要有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、凸輪滑塊轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、空間連桿機(jī)構(gòu)[1]-[5]，小車都是以一個(gè)前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，兩個(gè)后輪行走的三輪結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)都存在一個(gè)問題，即小車轉(zhuǎn)向過程中左右后輪轉(zhuǎn)速不同，需要采用差速器或采用單輪驅(qū)動(dòng)另一個(gè)輪子自由轉(zhuǎn)動(dòng)。采樣差速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，單輪驅(qū)動(dòng)則容易側(cè)滑。針對(duì)小車設(shè)計(jì)要求及行進(jìn)特點(diǎn)，本文提出了三種雙前輪轉(zhuǎn)向單后輪行走的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)小車，巧妙地解決了小車轉(zhuǎn)向時(shí)的差速問題，并設(shè)計(jì)了兩種連桿機(jī)構(gòu)形成轉(zhuǎn)向梯形，減小了小車側(cè)滑。

2 傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)

小車的動(dòng)力來自重物下降過程中勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，重物通過繩子向繞繩軸施加拉力帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，采用齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)后輪行走，同時(shí)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案多種多樣，采用最多的是連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，但連桿尺寸需要經(jīng)過精確計(jì)算，微小偏差都會(huì)帶來小車軌跡偏斜及運(yùn)動(dòng)的不靈活。項(xiàng)目采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，運(yùn)動(dòng)精度較高，尺寸鏈計(jì)算簡(jiǎn)單，提出了三種方案，平行連桿機(jī)構(gòu)、六桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形及四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形。參考汽車轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向梯形原理即各個(gè)車輪的軸線相交于一點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)車輪只發(fā)生純滾動(dòng)而不會(huì)打滑，設(shè)計(jì)了兩種采用轉(zhuǎn)向梯形理論的前輪轉(zhuǎn)向方案[6][7]。（1）平行連桿機(jī)構(gòu)如圖1所示，繞繩軸通過十字導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)前后移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)中間軸旋轉(zhuǎn)，通過連桿機(jī)構(gòu)同時(shí)帶動(dòng)左右輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)轉(zhuǎn)向[8][9]。該方案經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)要保證左右輪轉(zhuǎn)向的同步性需要連桿機(jī)構(gòu)的加工精度非常高，且容易側(cè)滑。（2）六桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形。如圖2所示，十字導(dǎo)軌的前后移動(dòng)帶動(dòng)右前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，右前輪通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左前輪同步轉(zhuǎn)向。該機(jī)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，效率高，但要實(shí)現(xiàn)同步精確轉(zhuǎn)向，計(jì)算較復(fù)雜。（3）四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形 如圖3所示，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)十字導(dǎo)軌前后移動(dòng)，導(dǎo)軌上安裝有連桿，驅(qū)動(dòng)右前輪轉(zhuǎn)向，左前輪與右前輪采用四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)向梯形，帶動(dòng)左邊前輪同步轉(zhuǎn)向。該方案計(jì)算、加工簡(jiǎn)單，效率高，傳動(dòng)精確，同步性好，可以有效避免小車轉(zhuǎn)向過程中的側(cè)滑。經(jīng)過以上分析，項(xiàng)目采用了方案三中的四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)。

為了使結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，為方案三中的右前輪驅(qū)動(dòng)采用了齒輪齒條轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[10]，如圖4所示，與導(dǎo)軌連接的連桿換為齒條，通過與齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，并且設(shè)計(jì)了中心距微調(diào)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)齒條位置以保證前輪左右擺動(dòng)時(shí)保持對(duì)稱。整車示意圖如圖5所示。

圖4 齒輪齒條轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3 小車結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

小車結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如6所示。

當(dāng)重物下降dh驅(qū)動(dòng)軸即繞繩軸轉(zhuǎn)過的角度為dθ1，則有：

y0=A，A為幅值，兩個(gè)相鄰的x值為樁距p。在此A為定值，p為可調(diào)的值（0.5～1.0）m

尺寸鏈計(jì)算公式推導(dǎo)[11]：

5 結(jié)束語

項(xiàng)目對(duì)無碳小車在轉(zhuǎn)向差速及側(cè)滑問題上進(jìn)行了深入思考，對(duì)其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提出了平行連桿機(jī)構(gòu)、六桿轉(zhuǎn)向梯形及四桿轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了分析，并對(duì)采用四桿轉(zhuǎn)向梯形的整車尺寸鏈進(jìn)行了分析，應(yīng)用matlab進(jìn)行了仿真分析優(yōu)化，得到了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)了樁距0.7m～1.3m可調(diào)的重物驅(qū)動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向小車，可以實(shí)現(xiàn)31根樁的精確繞樁。

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作者簡(jiǎn)介：孟玲霞（1980-），女，漢族，山西永濟(jì)人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。