左偉玲

摘 要：重力勢能小車的原理是將鉤碼的重力勢能轉(zhuǎn)換為設(shè)計小車的動能，在不消耗能源的情況下，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，作為無碳小車動力源驅(qū)動其行進和轉(zhuǎn)向。根據(jù)全國大學生工程訓練綜合能力競賽中的S形運動軌跡無碳小車比賽相關(guān)要求，本文從能量轉(zhuǎn)化設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計及轉(zhuǎn)向避障設(shè)計等方面對S形運動軌跡無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行探析。

關(guān)鍵詞：S形運動軌跡;無碳小車;微調(diào)機構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）32-0084-03

Structural?Design?of?Gravity?Potential?Energy?Trolley

Based?on?S-shaped?Motion?Trajectory

ZUO?Weiling

（Wuchang?Institute?of?Technology，Wuhan?Hubei?430065）

Abstract：?The?principle?of?the?gravitational?potential?energy?trolley?is?to?convert?the?gravitational?potential?energy?of?the?hook?code?into?the?kinetic?energy?of?the?designed?trolley，?realize?the?energy?conversion?without?consuming?energy，?and?drive?its?travel?and?steering?as?a?carbon-free?trolley?power?source.?According?to?the?requirements?of?the??S-shaped?trajectory?carbon-free?car?competition?in?the?national?university?student?engineering?training?comprehensive?ability?competition，?this?paper?analyzed?the?structural?design?of?the?S-shaped?trajectory?carbon-free?car?from?the?aspects?of?energy?conversion?design，?drive?design?and?obstacle?avoidance?design.

Keywords：?S-shaped?motion?track;carbon-free?car;fine-tuning?mechanism;structural?design

第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題為“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”，S形運動軌跡無碳小車的設(shè)計是其中項目之一。要求設(shè)計注重創(chuàng)新與實用，在設(shè)計成本、材料選取、加工復雜度等方面做出合理的分析和調(diào)整，通過數(shù)據(jù)化設(shè)計使用Matlab和Sloidwords，對全車原理圖進行可行性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，成功實現(xiàn)無碳小車的S形運動路徑。本文結(jié)合自身比賽相關(guān)經(jīng)驗，針對S形運動軌跡無碳小車的設(shè)計及調(diào)試提出一些可行性思路和方法。

1 設(shè)計要求

本研究設(shè)計一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能，并可用來驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的裝置——無碳小車。如圖1所示，該小車采用三輪結(jié)構(gòu)，在前行時能夠自動避開賽道上設(shè)置的障礙物。要求無碳小車在前行中能靈活控制方向，小車整體結(jié)構(gòu)簡單、可靠，制造方便，易于裝配、調(diào)試，成本低，現(xiàn)場可拆裝。

2 選定無碳小車運動軌跡進行可行性分析

如圖2所示，S形競賽賽道寬度為2m，沿直線方向水平鋪設(shè)，小車在前行時能夠自動繞過賽道上設(shè)置的障礙物，障礙物為直徑20mm、長200mm的圓棒，沿賽道中線從距出發(fā)線1m處開始按平均間距1m擺放。

比賽要求無碳小車穩(wěn)定自如，有效繞樁數(shù)量多，垂直距離遠。因此，無碳小車的設(shè)計方案就非常關(guān)鍵。分析眾多的設(shè)計方案，筆者初步確定以下幾個重要結(jié)構(gòu)：前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計、動力傳動方式和后輪驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計。各部分機構(gòu)確定后，繪制小車的原理圖進行可行性分析。

根據(jù)設(shè)計無碳小車的原理圖，論證其能否實現(xiàn)S形運動軌跡。砝碼靠重力下落帶動繞繩軸旋轉(zhuǎn)，繞繩軸帶動一對嚙合大齒輪和小齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動前后輪，給小車運動提供前行動力。同時，繞繩軸旋轉(zhuǎn)又帶動右端的曲柄滑塊機構(gòu)，通過螺紋連桿和螺紋搖桿使前轉(zhuǎn)向輪左右搖擺，以達到小車前行過程中轉(zhuǎn)換方向的目的。

3 無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)所要實現(xiàn)的比賽要求，無碳小車的設(shè)計結(jié)構(gòu)有車架、動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)、傳動機構(gòu)、行駛機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和微調(diào)機構(gòu)等幾大部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與創(chuàng)新直接影響小車的運動穩(wěn)定性及行駛軌跡。

3.1 動力轉(zhuǎn)換機構(gòu)

驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的能量均由砝碼下落的重力勢能獲得，統(tǒng)一用質(zhì)量為1kg的標準鉤碼（[Φ]50×65mm，碳鋼制作），可下降高度為（400±2）mm，標準鉤碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。設(shè)計安裝在小車頂部支架的定滑輪將1kg的鉤碼下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動軸機械能，線繩繞在驅(qū)動軸上直接帶動驅(qū)動軸作為小車動力源，其結(jié)構(gòu)簡單，效率高。

值得注意的是，由能量守恒定律得知，[W勢能損][=W摩+W]，即鉤碼下落的勢能等于小車車輪與地面的摩擦力做功及小車內(nèi)部各個轉(zhuǎn)動零件相互摩擦損耗做功之和。所以，在[W]（勢能）恒定情況下，應(yīng)盡量簡化小車結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)部機構(gòu)損耗。小車要穩(wěn)定行走，小車的速度就必須適中。如小車進入高速行進狀態(tài)，受車身的慣性作用和砝碼的晃動影響，小車轉(zhuǎn)向時容易發(fā)生側(cè)翻或撞障礙物現(xiàn)象。

3.2 傳動機構(gòu)

本研究設(shè)計的無碳小車傳動機構(gòu)采用一級齒輪傳動，以達到有效減速的目的。一般傳動機構(gòu)的設(shè)計主要有齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動和蝸桿傳動等方式。其中鏈傳動不穩(wěn)定，蝸輪蝸桿傳動制造較復雜，能耗較多，不適用于無碳小車。而帶傳動結(jié)構(gòu)不緊湊，也容易打滑?？紤]到小車設(shè)計要求結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動效率高、便于裝拆等因素，筆者就選擇一級直齒輪傳動機構(gòu)。驅(qū)動軸的一端安裝一對嚙合的齒輪傳動，把動力傳遞給后驅(qū)動輪和前轉(zhuǎn)向機構(gòu)，以實現(xiàn)小車的前行與自由轉(zhuǎn)向。這種齒輪傳動具有傳動效率高、傳動平穩(wěn)、傳動比穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)簡單工作可靠的優(yōu)點。不足之處是制造成本偏高。小車傳動簡圖如圖3所示。

。

3.3 行駛機構(gòu)

驅(qū)動軸繞線部分采用錐形軸，利用驅(qū)動輪輪軸直徑的變化實現(xiàn)驅(qū)動力矩的變化，從而控制小車的行駛速度。行駛機構(gòu)采用單輪驅(qū)動實現(xiàn)差速，前輪轉(zhuǎn)向，后輪一個作為驅(qū)動輪，另一個作為從動輪。設(shè)計小車向前運動靠后輪驅(qū)動，但小車轉(zhuǎn)彎時左后輪、右后輪存在線速度差，因此需要設(shè)計一個差速機構(gòu)來滿足這種情況。一般的差速機構(gòu)采用錐形齒輪，而錐齒輪結(jié)構(gòu)復雜，制造精度難以保證，不易拆裝，價格也較高，不符合無碳小車輕便、結(jié)構(gòu)簡單、不承受重載的要求。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計在從動輪中心處安裝一對軸承，與主動輪連接的軸則和軸承內(nèi)圈配合實現(xiàn)差速，這樣既能實現(xiàn)兩輪差速運動，又避免了從動輪在運動中出現(xiàn)晃動，大大提高了運動精度。小車設(shè)計架構(gòu)如圖4所示。

3.4 微調(diào)機構(gòu)

微調(diào)部分所要實現(xiàn)的功能有兩個：一是實現(xiàn)前輪最大轉(zhuǎn)角，二是實現(xiàn)轉(zhuǎn)動周期的變化。根據(jù)以上功能要求，微調(diào)機構(gòu)可以用曲柄搖桿機構(gòu)。曲柄搖桿機構(gòu)能通過改變搖桿的長度，帶動連桿的擺角范圍增大，從而使前轉(zhuǎn)向輪的最大偏角發(fā)生改變。轉(zhuǎn)角α的改變具有連續(xù)性，再配用微調(diào)滑塊（有螺母緊固滑塊）式機構(gòu)，這樣微調(diào)調(diào)節(jié)就具有連續(xù)性，調(diào)節(jié)精度較高。

本設(shè)計采用微調(diào)螺母螺釘來修正無碳小車行駛軌跡。小車在長連桿安裝螺桿及雙螺母配合的微調(diào)機構(gòu)，通過螺旋桿調(diào)節(jié)桿長，改變轉(zhuǎn)向輪的最大偏角和周期，實現(xiàn)穩(wěn)定避障，行走出符合要求的S形軌跡。此微調(diào)機構(gòu)配合精度較低，微調(diào)一點就會引起小車運動軌跡偏差，行進狀態(tài)不易穩(wěn)定。

3.5 轉(zhuǎn)向機構(gòu)

小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)是設(shè)計的關(guān)鍵部分，直接決定小車行走軌跡。結(jié)構(gòu)必須簡單，要盡可能減少摩擦耗能，同時要具有特殊的運動特性，能將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為符合要求的來回擺動，從而帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)彎及避障。

S形軌跡無碳小車在比賽行進過程中不但要能自動轉(zhuǎn)向，避開障礙樁，而且要走出S形運動軌跡。無碳小車前輪轉(zhuǎn)向，一般設(shè)計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)有曲柄搖桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)三種。曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計簡單，調(diào)試方便，制造成本低廉，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，但存在急回特性。凸輪機構(gòu)設(shè)計比較復雜，制造成本高，對設(shè)備精度要求高，但穩(wěn)定性比較好。槽輪機構(gòu)設(shè)計簡單，但精度要求高，制造成本介于曲柄搖桿機構(gòu)與凸輪之間，轉(zhuǎn)向較急。經(jīng)過綜合考慮，筆者采用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。

設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)作為無碳小車行進中前輪的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，負責往復運動和擺動恒定的角度，由軸承與車架過盈配合，導向輪固定架用螺絲緊固于底板上，其垂直軸穿過軸承，調(diào)整曲柄、擺桿和連桿長度，可實現(xiàn)小車前輪的轉(zhuǎn)向，小車的隨動輪結(jié)構(gòu)主要是避免在轉(zhuǎn)彎過程中由于內(nèi)、外輪的線速度差異而造成的摩擦損耗。此機構(gòu)可使前輪呈現(xiàn)周期性左右轉(zhuǎn)動狀態(tài)，實現(xiàn)小車S形運動路徑。其不足是安裝誤差大，容易自鎖，行車速度快了就會有振動。

4 結(jié)語

無碳小車從設(shè)計到制作調(diào)試經(jīng)過了幾個階段，首先建立小車運動軌跡數(shù)學模型進行理論分析，運用Sloidwords軟件進行小車的實體建模和部分運動仿真，再通過Matlab進行能耗規(guī)律分析、運動學分析、動力學分析和靈敏度分析，進而得出小車的具體參數(shù)和運動規(guī)律。整個小車設(shè)計制作過程中，參數(shù)不斷優(yōu)化，結(jié)構(gòu)不斷改進，運行軌跡也不斷調(diào)試。本設(shè)計在這次比賽中取得了不錯的成績，但仍存在小車微調(diào)機構(gòu)設(shè)計不合理而導致小車行駛不穩(wěn)定、軌跡無規(guī)律的問題，這是下次比賽需要改進設(shè)計的地方。

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