宋志鵬+張蝶+沈陽

摘 要：針對全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽題目，設(shè)計一輛通過重力驅(qū)動的純機械結(jié)構(gòu)并具有周期性越障功能的無碳小車。本文提出了一種可按照S形軌跡行進的無碳小車結(jié)構(gòu)，其特征在于包含多級調(diào)速設(shè)計，柔性化程度高，經(jīng)簡單調(diào)節(jié)即可完成多種距離的越障任務(wù)。利用SolidWorks軟件對小車進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配模擬。實踐證明，此種結(jié)構(gòu)的無碳小車能夠按照預(yù)定的軌跡精確、穩(wěn)定、可靠地行進。

關(guān)鍵詞：無碳小車；結(jié)構(gòu)設(shè)計；S形軌跡

0 引言

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國性大學(xué)生科創(chuàng)實踐競賽活動，旨在提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識、實踐能力和團隊協(xié)作精神。為適應(yīng)全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的要求，筆者利用SolidWorks軟件設(shè)計了一種無碳小車，其特點在于有多級調(diào)試設(shè)計，柔性強，經(jīng)簡單的調(diào)試即可完成不同種距離的避障任務(wù)。本文將其結(jié)構(gòu)及功能、加工、結(jié)構(gòu)優(yōu)化做簡要介紹，供讀者參考。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳動系統(tǒng)的俯視圖如圖一所示。重錘吊線纏繞在繞線盤1上并環(huán)繞經(jīng)過小車頂部的定滑輪。當重錘下落時，通過吊線的牽引作用，將自身的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的動能。繞線盤1從左至右直徑逐漸增大，為使小車容易啟動，采用從左至右的方向纏繞，以增大啟動轉(zhuǎn)矩的力臂。下面介紹本方案的分級調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

一級調(diào)節(jié)采用了一組雙聯(lián)滑移齒輪2，不僅提供了兩種傳動比，而且可以采用滑移齒輪的方式，實現(xiàn)兩種傳動比的快速切換，穩(wěn)定可靠。

二級調(diào)節(jié)采用多梯度的帶傳動機構(gòu)3，通過使傳動帶搭載至不同梯度的傳動輪上，來實現(xiàn)各個傳動比的切換。

1.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)向機構(gòu)等軸側(cè)視圖如圖二所示。轉(zhuǎn)盤4與二級傳動的大傳動輪固定于相同轉(zhuǎn)軸上同步轉(zhuǎn)動，并將其傳遞來的轉(zhuǎn)動通過一組銷釘、滑槽轉(zhuǎn)化為T形桿5的直線運動。所述T形桿5可在固定于小車底板的組合滑槽6上平穩(wěn)滑動。T行桿5的末端固定有多孔板7，多孔板7與H形板8固接。H形板8末端通過一組銷釘、滑槽將傳遞來的直線運動轉(zhuǎn)化為滑軌9、前軸10相對于小車前軸10軸線的定軸轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動前輪的轉(zhuǎn)向。下面介紹本方案的分級調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

三級調(diào)節(jié)主要通過轉(zhuǎn)盤4上開設(shè)的不等間距的3排定位孔，以及一條無定位孔的滑槽來實現(xiàn)。通過3排定位孔，可以定量地改變銷釘與轉(zhuǎn)盤4回轉(zhuǎn)中心軸的距離，從而改變T行桿5前后直線運動的范圍，進而控制前軸10的轉(zhuǎn)角范圍。同理，通過無定位孔的滑槽可以實現(xiàn)前軸10轉(zhuǎn)角范圍的無級調(diào)節(jié)。

四級調(diào)節(jié)通過借助多孔板7上開設(shè)的等間距定位孔來實現(xiàn)。通過改變螺釘在定位孔中的位置，定量改變H形板8驅(qū)動滑軌9及前軸10的轉(zhuǎn)動力臂，從而控制前軸10的轉(zhuǎn)角范圍。

為使三級調(diào)節(jié)、四級調(diào)節(jié)中的銷釘、滑槽間相對運動順利進行，銷釘外均套設(shè)有法蘭軸承。

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體結(jié)構(gòu)等軸側(cè)視圖如圖三所示。本方案采用了多級調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，極大程度地提高了無碳小車的柔性特征。四級調(diào)節(jié)機構(gòu)如前所述，在此不再贅述。

整體采用了輕量化設(shè)計，結(jié)構(gòu)安排合理、緊湊。如對后輪、底盤等零件進行了適當?shù)溺U空以減輕車身重量，減少啟動力，以適配更大的傳動比，使小車的行程最大化。同時小車前輪采用了兩個同軸輪導(dǎo)向，以增大前輪對地面的抓持力度，防止前輪打滑。后輪在保證強度、剛度的前提下，應(yīng)盡量減少其厚度，把轉(zhuǎn)向時地面摩擦力的影響盡可能降低。再者，在小車后車軸、前轉(zhuǎn)向軸、滑槽等零部件相對運動頻繁的部位，加裝軸承；在齒輪嚙合部位適量加潤滑油等措施以減小摩擦對能量的損耗。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

實踐證明，采用帶傳動會導(dǎo)致瞬時傳動比變化。帶傳動是依靠傳動帶與傳動輪之間的摩擦力來傳動運動和動力的，然而帶傳動有緊邊和松邊之分，兩者之間存在一個與摩擦力的大小相等的拉力差。傳動帶屬于彈性體，在此拉力差的作用下必然會導(dǎo)致彈性形變，引發(fā)帶與帶輪之間的相對微量滑移，即彈性滑動。由于帶傳動中必然存在緊邊與松邊，故彈性滑動不可避免。

因此，二級調(diào)節(jié)采用多梯度的帶傳動會導(dǎo)致后續(xù)傳動環(huán)節(jié)瞬時傳動比不穩(wěn)定，進而導(dǎo)致前輪轉(zhuǎn)向出現(xiàn)微量偏差。在此，筆者提出兩種改進措施供讀者參考。

一、可根據(jù)兩傳動輪軸線距離適配一組齒輪傳動，軸上套固有兩個傳動齒輪，中間安裝惰輪以消除軸線距離過大對傳動的影響。

二、用同步帶傳動代替V帶傳動。

3 結(jié)束語

本文提出了一種可多級調(diào)節(jié)無碳小車，并對其調(diào)節(jié)機構(gòu)進行了較為詳盡的闡述。整體構(gòu)造簡單，摩擦損耗小，效率高，較容易制造安裝。通過閱讀本文，不僅能滿足參賽者對結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考需求，也能加強一般讀者對機械知識的了解。同時無碳小車易于實現(xiàn)量產(chǎn)化、商品化，激發(fā)青少年對機械構(gòu)造的熱情，可放于科技館讓大眾了解機械構(gòu)造的精妙與淵博，具有廣闊的推廣前景。

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