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(guò)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(wú)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(wèn)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(guò)最多樁數(shù),行駛距離最遠(yuǎn)。
關(guān)鍵詞:無(wú)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(guò)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(guò)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(wèn)題,即小車轉(zhuǎn)向過(guò)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(wèn)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(lái)自重物下降過(guò)程中勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,重物通過(guò)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(guò)精確計(jì)算,微小偏差都會(huì)帶來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中的側(cè)滑。經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)
項(xiàng)目對(duì)無(wú)碳小車在轉(zhuǎn)向差速及側(cè)滑問(wèn)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。