吳紅靜，梁德灣，吳華偉，李海金

（1.湖北文理學(xué)院 純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441053；2.湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；3.湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

0 引言

無碳小車是一種以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制的自行小車。無碳小車沿“雙8”字軌跡前進(jìn)時(shí)，一對(duì)后輪在轉(zhuǎn)彎過程中必須使左、右輪速度不等，產(chǎn)生差速。如果兩后輪均為主動(dòng)輪，當(dāng)小車在轉(zhuǎn)向時(shí)兩輪的運(yùn)行速度相等，便會(huì)導(dǎo)致車身不穩(wěn)，甚至是側(cè)翻。為了解決上述差速問題，采用單輪驅(qū)動(dòng)的方法［1］可以構(gòu)成簡單的差速器，以解決小車轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)、外輪線速度不等的問題，從而達(dá)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。以往對(duì)于“8”字型小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)多采用槽輪機(jī)構(gòu)［2］、空間RSSR機(jī)構(gòu)［3］、凸輪機(jī)構(gòu)［4］等。槽輪機(jī)構(gòu)不利于調(diào)整小車的轉(zhuǎn)角，因此必須設(shè)計(jì)完全精確時(shí)才能保證小車行駛正確的軌跡；空間RSSR機(jī)構(gòu)作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力難以平衡。第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽要求小車需繞同一直線上的3個(gè)樁按“雙8”字軌跡循環(huán)運(yùn)行，因此對(duì)于軌跡的準(zhǔn)確性和小車的設(shè)計(jì)精度要求更高。由于凸輪機(jī)構(gòu)中合適的凸輪輪廓曲線能滿足從動(dòng)件復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［5］，不會(huì)出現(xiàn)慣性力等問題，故本設(shè)計(jì)采用凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向功能。通過計(jì)算確定凸輪行程及基圓半徑，并借助MATLAB對(duì)小車軌跡進(jìn)行優(yōu)化，從而得到合適的凸輪結(jié)構(gòu)。通過凸輪滑塊與鎖緊塊帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，使小車按正確的軌跡行走。

1 設(shè)計(jì)概述

設(shè)計(jì)一種三輪小車，在小車行進(jìn)過程中由標(biāo)準(zhǔn)1kg砝碼下落帶動(dòng)小車行進(jìn)，所產(chǎn)生的重力勢(shì)能為4J（取g＝10m／s2），且砝碼下降高度為400±2mm，因此小車的摩擦力以及傳動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力均對(duì)小車的行駛具有很大的影響。要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且具有可調(diào)節(jié)性，以適應(yīng)不同場(chǎng)地的需求。

根據(jù)小車的設(shè)計(jì)要求，本文將小車分為四個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，即原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)。原動(dòng)機(jī)構(gòu)采用繞線輪的方式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪機(jī)構(gòu)，微調(diào)機(jī)構(gòu)采用緊定螺釘調(diào)節(jié)凸輪滑塊實(shí)現(xiàn)微調(diào)。

2 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)

原動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力。能實(shí)現(xiàn)這一功能的方案有繩輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條，但是由于齒條需要較長空間，不容易實(shí)現(xiàn)，因此選用繩輪機(jī)構(gòu)，可以提高效率及簡潔性。繞線輪采用錐形結(jié)構(gòu)，可以保證小車啟動(dòng)時(shí)具有一定的加速度，行走過程中重物下落平穩(wěn)［6］。本設(shè)計(jì)采用彈性系數(shù)很小的尼龍線和定滑輪機(jī)構(gòu)，尼龍線的一端繞在重物上，另一端固定在主動(dòng)軸上的繞線輪上，使重物的重力可以轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)軸上的扭矩，從而帶動(dòng)主動(dòng)輪產(chǎn)生動(dòng)力。為了保證小車在運(yùn)行過程中能夠穩(wěn)定勻速前進(jìn)，主動(dòng)軸繞線部分的直徑設(shè)計(jì)尤為重要。

利用SolidWorks對(duì)小車裝配后，通過質(zhì)量屬性選項(xiàng)設(shè)定各零件材料，計(jì)算出整車重量（包含重物）m＝1.76kg，滾動(dòng)因擦系數(shù)σ取0.06。繞線輪的計(jì)算如表1所示。表1中，Dh為小車驅(qū)動(dòng)輪直徑，Dh＝110mm。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把驅(qū)動(dòng)軸上的動(dòng)力傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和主動(dòng)輪上，要使小車行駛得更遠(yuǎn)并按設(shè)計(jì)的軌道精確地行駛，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需傳遞效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)精確［7］。本設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)，在小車行走的過程中，重物的重力勢(shì)能帶動(dòng)繞線輪和繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線軸通過齒輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸。齒輪采用兩級(jí)傳動(dòng)，共三個(gè)齒輪，繞線軸上的齒輪為大齒輪，過渡輪軸上為中等齒輪，后輪軸上的齒輪為小齒輪，實(shí)現(xiàn)了小車行駛相對(duì)更遠(yuǎn)的路程，提高了能量的利用率。

表1 繞線輪的計(jì)算

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，需要盡可能地減少摩擦，并對(duì)小車轉(zhuǎn)彎速度進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)由凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)彎的功能［8］。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖1所示，在小車行駛過程中，凸輪6推動(dòng)與鎖緊塊2固定著的凸輪滑塊4，鎖緊塊帶動(dòng)前輪實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。此設(shè)計(jì)的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，小車行駛一個(gè)完整的“雙8”。

圖1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)機(jī)構(gòu)由凸輪滑塊4、鎖緊塊2等零件組成。凸輪滑塊4與鎖緊塊2之間用緊定螺釘連接，可以改變凸輪滑塊伸出長度。鎖緊塊2與前輪支架3用螺釘螺母固定，可以任意改變支架與前輪的旋轉(zhuǎn)方向。驅(qū)動(dòng)軸上有螺紋，凸輪與驅(qū)動(dòng)軸之間用螺母連接，當(dāng)下降高度固定在400mm的時(shí)候，可以調(diào)整凸輪的初始位置。

2.4 小車運(yùn)行時(shí)的角度

設(shè)主動(dòng)輪與前輪的橫向偏距為a，后輪軸與前輪的中心距離為d。假設(shè)前輪轉(zhuǎn)過θ角度時(shí)，小車前進(jìn)的距離為ds，整體轉(zhuǎn)過的角度為β，則小車行駛的曲率半徑為：

由公式（3）可知，小車前輪轉(zhuǎn)過的角度以及后輪與前輪的距離會(huì)影響小車整體轉(zhuǎn)過的角度，因而會(huì)影響小車的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 凸輪的參數(shù)設(shè)計(jì)

凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過高副接觸可以使從動(dòng)件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)凸輪滑塊在推程做等加速等減速運(yùn)動(dòng)，在回程運(yùn)動(dòng)中做余弦加速度運(yùn)動(dòng)，根據(jù)《機(jī)械原理》［9］，其運(yùn)動(dòng)方程分別為：

其中：h為推桿行程；δ0為推程運(yùn)動(dòng)角；δ0′為回程運(yùn)動(dòng)角；δ為凸輪轉(zhuǎn)角。

計(jì)算得出凸輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示。設(shè)計(jì)的凸輪結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

表2 凸輪的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 凸輪的結(jié)構(gòu)示意圖

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 MATLAB模擬軌跡

通過以上分析設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)簡單適用的“雙8”字型無碳小車，利用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，通過不斷調(diào)整小車中不同零件的參數(shù)，（如車輪直徑、傳動(dòng)比等），對(duì)小車軌跡進(jìn)行優(yōu)化處理，確定最終合適的參數(shù)。MATLAB運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 MATLAB運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

4.2 實(shí)物測(cè)試

為驗(yàn)證上述分析和結(jié)論的正確性，進(jìn)行了實(shí)物制作并進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試，得出影響小車運(yùn)動(dòng)軌跡的主要因素是前輪的轉(zhuǎn)角以及后輪與前輪之間的間距，調(diào)整好前輪的擺角大小是決定小車行走“雙8”軌跡的決定性因素。影響重物下落快慢的因素是繞線輪直徑的大小。測(cè)試時(shí)選用平整光滑的地面進(jìn)行試驗(yàn)，以保障小車運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，小車實(shí)物圖如圖4所示。

經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，小車行走“雙8”字軌跡可達(dá)20圈，所得到的軌跡變化規(guī)律與仿真實(shí)驗(yàn)大致相同，但由于凸輪等部分零件的加工精度等原因，造成小車行走過程中轉(zhuǎn)彎速度比預(yù)計(jì)的稍微快一些，但不影響上述分析的正確性。

圖4 小車實(shí)物圖

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用基于凸輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過計(jì)算設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)。微調(diào)機(jī)構(gòu)是小車的主要控制部分，在后期調(diào)試過程中起著重要的作用，本設(shè)計(jì)微調(diào)機(jī)構(gòu)可調(diào)性大，可適應(yīng)不同的間距行走。使用MATLAB不斷對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最終得到了理想的參數(shù)。本小車整體結(jié)構(gòu)簡單，能量損耗較少，成本不高。