遲鐵，徐文，崔井軍

（吉林工商學(xué)院工學(xué)院，吉林 長春 130507）

無碳小車的設(shè)計以及制作已經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)變成為規(guī)模比較大的設(shè)計比賽。具體有下述幾個方面的設(shè)計要求：驅(qū)動為重力勢能以及可以很好的控制方向；三輪結(jié)構(gòu)為無碳小車的結(jié)構(gòu)，還應(yīng)具有可以進行功能調(diào)節(jié)或者結(jié)構(gòu)快速更換的轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)，進而能夠很好的適應(yīng)和避開放置于競賽場地中的障礙物；無碳小車行走和轉(zhuǎn)向的驅(qū)動來源是唯一的，僅由給定的重力勢能轉(zhuǎn)化為機械能。給定一個四焦的重力勢能，質(zhì)量是一千克的普通碳鋼重塊，為競賽中統(tǒng)一使用的重塊，將下降落差控制在398 ～402mm 之間。小車承載著處于下落過程中的重塊，其二者處于共同運動的狀態(tài)中。有一點值得注意,不允許出現(xiàn)重塊掉落小車這一狀況。因為有做S 形轉(zhuǎn)向運動這一要求，因而小車要具備自主轉(zhuǎn)向這一功能。要想達到這一設(shè)計目的，第一步要進行設(shè)計思路的探析，第二步進行設(shè)計要求的探析，當(dāng)明白了設(shè)計思路和設(shè)計要求后，第三步完成初始設(shè)計方案，最后一步優(yōu)化改進初始方案順利解決其中所出現(xiàn)的問題，進而使最終設(shè)計出的無碳小車與設(shè)計目標(biāo)相符合。

1 設(shè)計思路探析

1.1 能量轉(zhuǎn)化設(shè)計方面

下降的碳鋼重塊這一物塊所具有的重力勢能到機械能之間的轉(zhuǎn)化，這一方式是給定小車能量的來源，直接轉(zhuǎn)化是此次設(shè)計中所采用的方式，小車齒輪軸上繞線輪是由下落的碳鋼重塊帶動的，之后后軸是經(jīng)處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的齒輪的驅(qū)動得以轉(zhuǎn)動的，最終達成了重力勢能到機械能之間的轉(zhuǎn)變，進而使小車在驅(qū)動下得以行走和轉(zhuǎn)向設(shè)計的目的。

1.2 驅(qū)動設(shè)計方面

小車后軸的驅(qū)動源來自于重力勢能到機械能之間的轉(zhuǎn)化，之后小車所具有的傳動比再通過小車齒輪傳遞動力得以改變，進而得以調(diào)節(jié)小車轉(zhuǎn)向時間與小車轉(zhuǎn)向角度以及小車驅(qū)動輪行程距離，在協(xié)調(diào)二者的同時，達成順利完成要求路徑的目的。從對于各種各樣數(shù)據(jù)資料和多種多樣要求的分析中，可以得知要想使碳鋼重塊這一個同一重物所落下的距離是相同的，就應(yīng)該使在水平面上前進的小車的前進路程盡可能最長。與此同時，在對傳動效率等一些其他因素加以考慮的基礎(chǔ)上，1：3.9 為最終確定下來的大小兩個齒輪之間的傳動比，后輪軸為小齒輪安裝的具體位置，齒輪軸為大齒輪安裝的具體位置。

1.3 轉(zhuǎn)向設(shè)計方面

由于已知大小兩個齒輪之間所具有的傳動比，因而將位于小車前輪轉(zhuǎn)向軸上的橫銷和齒輪軸的轉(zhuǎn)動連接起來，使用兩個關(guān)節(jié)軸承連接位于小車前輪轉(zhuǎn)向軸上的橫銷和轉(zhuǎn)動的齒輪軸。此時在整個行進的全過程中，小車后輪轉(zhuǎn)兩圈，小車前輪支架來回扭轉(zhuǎn)將得以實現(xiàn)，這一個小車周期運動的實現(xiàn)，使小車可以與運動軌跡要求相符合。

2 設(shè)計要求探析

三輪結(jié)構(gòu)是無碳小車所采用的結(jié)構(gòu)，無碳小車的前轉(zhuǎn)向輪最大外徑大于30mm，將一塊普通的外形尺寸為50mm×65mm，質(zhì)量是一千克的碳鋼重塊裝載于小車上。給定一個四焦的重力勢能，具體是借著下降的重塊獲得這樣一個四焦的重力勢能，將下降落差控制在398 ～402mm 之間。小車承載著處于下落過程中的重塊，其二者處于共同運動的狀態(tài)中，不允許出現(xiàn)重塊掉落小車這一狀況。對處于前進中的無碳小車提出經(jīng)S 形轉(zhuǎn)向運動的要求。此時賽道上每隔一米的距離，會放置一個直徑為20mm 與高度為200mm的彈性障礙圓棒，處在運動中的小車應(yīng)該自主做出將這些障礙物避開的選擇。最終成績按照小車前進距離的多少與選擇避開障礙物的數(shù)目這二者的具體狀況進行評定。

3 初始設(shè)計方案探析

一級齒輪減速這一設(shè)計方案是本篇文章中進行無碳小車設(shè)計時所采用的方案，較寬的車型，較大的后輪直徑，做S形轉(zhuǎn)向運動時較易碰到障礙。當(dāng)設(shè)計的轉(zhuǎn)彎弧度不夠大時，都是采用這一設(shè)計方案所設(shè)計出的無碳小車的特點。但也正是由于這些特點的存在，在設(shè)計時，底盤位置可以比較低，因而無碳小車的重心也就相應(yīng)變低，因而具有較好的穩(wěn)定性，也有較強的適應(yīng)賽道的特性。

3.1 設(shè)計驅(qū)動部分的方案

基于大齒輪直徑會由于一級齒輪具有太大減速比而變得過大，進而使小車結(jié)構(gòu)出現(xiàn)協(xié)調(diào)性的問題，因而確定小車后車輪直徑為200mm。0.3m 是設(shè)定的小車理想軌跡和其軌跡中線之間的最大偏移量，從扇形計算公式可得，2.45 米為沿著弧線的小車所能行走距離的數(shù)值，每當(dāng)行走了一個周期之后，小車后輪過3.9 圈的圈數(shù)，此時可得齒輪速比是1：3.9，1為選定的齒輪模數(shù)，20 齒是小齒輪的齒數(shù)，可以得出78 齒是大齒輪的齒數(shù)。應(yīng)用人力三輪車這一方案解決小車轉(zhuǎn)彎時存在的差速這一問題。選擇把小車兩個后輪其中一個作為動力輪，而另一個則是從動輪。

3.2 設(shè)計轉(zhuǎn)向部分的方案

此次研究中所設(shè)計的無碳小車，是經(jīng)后輪支架，在其底盤上緊固住其后軸與后車輪的。還將轉(zhuǎn)盤與支架以及支承軸，還有大齒輪等一些組件安裝于前輪和后軸的中間。將大齒輪與轉(zhuǎn)盤安裝于支承軸上，大齒輪嚙合位于后軸上的小齒輪，以1：3.9 的減速比給支承軸傳遞運動，之后位于同軸的轉(zhuǎn)盤在處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的支承軸的帶動下開始轉(zhuǎn)動。還有一個滑槽位于轉(zhuǎn)盤上半徑方向，其中相對于轉(zhuǎn)盤中心的滑塊可以對半徑的大小進行調(diào)整，進而使前輪所要求調(diào)整的轉(zhuǎn)向角度得以滿足。小車驅(qū)動力由勢能轉(zhuǎn)化而來的全過程中，經(jīng)轉(zhuǎn)化滑輪組，并且后軸輪在線繩的帶動下開始轉(zhuǎn)動。為了使小車行走更多的路程，應(yīng)該在設(shè)計中最大限度的將后軸輪繞線這一部分的直徑減少。經(jīng)準確的計算后，確定4mm 為小車后軸線的繞線直徑，這時經(jīng)計算公式：M=力×力臂，可以得出小車后輪軸的行走力矩為2gm。據(jù)此，可以得出，當(dāng)小車后輪有3.9 圈的轉(zhuǎn)動，其行走弧長為2.45m，直線距離為2m 的時候，轉(zhuǎn)盤會在1：3.9 的齒輪副減速的帶動下開始旋轉(zhuǎn)。這時前輪會呈現(xiàn)周期性的左右轉(zhuǎn)動態(tài)勢，此時無碳小車的S 形轉(zhuǎn)向得以實現(xiàn)，并且會不間斷的避開障礙，向前滑動。

4 優(yōu)化改進初始方案探析

按照上述初始設(shè)計方案，小車得以制成，但是在實際試車的過程中，有一些問題出現(xiàn)?；诖?，還應(yīng)優(yōu)化和改進初始設(shè)計方案，徹底的解決這些出現(xiàn)的問題。

4.1 不穩(wěn)定的前輪運行問題

分析上述的初始設(shè)計方案中轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計方案得知，想要降低干擾或者說徹底避免干擾的存在，而采用將小車前輪所具有的自由轉(zhuǎn)向度提高的方法，但是卻沒有注意到轉(zhuǎn)向軸孔和前輪轉(zhuǎn)向軸這兩部分中間還存在空隙配合這一問題，使處于運行中的小車前輪出現(xiàn)極不穩(wěn)定這一問題。優(yōu)化改進初始方案中轉(zhuǎn)向部分設(shè)計方案中出現(xiàn)的不穩(wěn)定的前輪運行問題解決辦法：作為標(biāo)準件的小車前輪轉(zhuǎn)向軸，不能輕易改變其軸承的內(nèi)徑尺寸，但是可以從小車車身入手，采取加工小車車身的辦法解決這一問題。在上述的初始方案中，經(jīng)過盈配合的方式將一個軸承嵌入小車車身中，使其順利解決小車轉(zhuǎn)向軸孔和前輪轉(zhuǎn)向軸這兩部分中間存在的空隙配合這一問題。

4.2 過快的碳鋼重塊降速問題

從分析上述文章可以得出，一級齒輪減速方案是此次研究中所設(shè)計小車采用的減速方案，1：3.9 是小車齒輪速比，換句話說，大小兩個齒輪軸之間的轉(zhuǎn)速比是1：3.9。小齒輪軸是連接重塊的牽引線所選擇繞接的齒輪軸，因而使這一狀態(tài)中碳鋼重塊處于一個很快的下降速度。而與重塊連接的牽引線是繞接在小齒輪軸上的，這也導(dǎo)致碳鋼重塊的下降速度很快。優(yōu)化改進方案中解決過快的碳鋼重塊降速問題的辦法時，要想順利并且快速解決過快的碳鋼重塊降速問題就應(yīng)該從下述兩個方面著手：第一，選擇大齒輪軸作為連接重塊的牽引線所選擇繞接的齒輪軸；第二，為了達成將碳鋼重塊的下降速度再進一步降低的目的，可以選擇將連接重塊的牽引線和大齒輪軸繞接的地方制成一個錐形臺的方法，實踐證明，碳鋼重塊的下降速度得以進一步減緩。

5 結(jié)語

本篇文章首先從能量轉(zhuǎn)化設(shè)計方面、驅(qū)動設(shè)計方面、轉(zhuǎn)向設(shè)計方面這三個方面對S 形轉(zhuǎn)向運動小車的設(shè)計思路進行了詳盡而仔細的探析；其次，對S 形轉(zhuǎn)向運動小車的設(shè)計要求進行了詳盡而仔細的探析；再次，從設(shè)計驅(qū)動部分的方案、設(shè)計轉(zhuǎn)向部分的方案這兩個方面對S 形轉(zhuǎn)向運動小車的初始設(shè)計方案進行了詳盡而仔細的探析；最后，從不穩(wěn)定的前輪運行問題、過快的碳鋼重塊降速問題這兩個方面對S 形轉(zhuǎn)向運動小車的優(yōu)化改進初始方案進行了詳盡而仔細的探析，保障了項目的順利實施。