盧 彤

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)也越來越強(qiáng)。以“無碳”為核心的全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽要求小車前進(jìn)以及轉(zhuǎn)向的能量只能通過1 kg配重砝碼下降產(chǎn)生的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化。

李林松等[1]通過建立目標(biāo)函數(shù)以及約束關(guān)系，采用Matlab對(duì)無碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索了相關(guān)參數(shù)對(duì)小車軌跡對(duì)稱性的影響。高文英等[2]采用扇形軌跡的方法對(duì)S型無碳小車進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，為S型無碳小車的設(shè)計(jì)提供了一種新的理論基礎(chǔ)。王政等[3]采用ADAMAS軟件對(duì)S型無碳小車的轉(zhuǎn)不同轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真對(duì)比，并得出正弦機(jī)構(gòu)通過參數(shù)的調(diào)整可以作為無碳小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最佳之選。

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽一方面競賽倡導(dǎo)環(huán)保節(jié)能，另一方面又提高了大學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，學(xué)以致用，將課堂所學(xué)轉(zhuǎn)化為實(shí)際可用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為社會(huì)所需的優(yōu)秀人才培養(yǎng)提供了良好的歷練平臺(tái)。本文整體采用齒輪傳動(dòng)，運(yùn)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向，通過仿真分析為無碳小車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的理論基礎(chǔ)。

1 無碳小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。無碳小車底板為3 mm厚的亞克力板。3根立柱頂端是帶有定滑輪的頂盤，線繩通過上端的定滑輪連接砝碼；無碳小車底板上端為三級(jí)齒輪傳動(dòng)組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞以及方向的轉(zhuǎn)換；底板下端為以曲柄搖桿為核心的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小車行駛過程中的轉(zhuǎn)向?qū)?。小車俯視圖如圖2所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

圖2 小車俯視圖

基于全國工程訓(xùn)練大賽往屆機(jī)構(gòu)，本文有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）無碳小車采用三軸設(shè)計(jì)，三級(jí)齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)精確效率高，齒輪分別布置于車體兩側(cè)，盡量滿足小車整體重量的對(duì)稱性。

（2）利用錐齒輪機(jī)構(gòu)巧妙地將豎直平面內(nèi)的齒輪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的水平面運(yùn)動(dòng)，避免空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的使用，降低了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)卡死發(fā)生的概率。

（3）錐齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)用將曲柄搖桿的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移到無碳小車底板背面，很大程度上避免了運(yùn)動(dòng)過程中的干涉，并且一定程度上降低了小車的重心，保證了運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（4）采用單輪驅(qū)動(dòng)，后輪其中一輪裝有單向軸承，起到差速器的作用，盡量保證了小車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性與一致性。

（5）中間軸（即繞線軸）上采用了錐形繞線輪，保證了小車啟動(dòng)、運(yùn)行及停止的穩(wěn)定性。

如圖2所示，1 kg的砝碼通過小車上端的定滑輪將重力勢(shì)能傳遞到中間軸（即繞線軸），小車的動(dòng)力傳遞分為兩個(gè)路徑：（1）繞線軸——中間軸大齒輪——后輪軸小齒輪——后輪軸（驅(qū)動(dòng)輪），該傳遞路徑實(shí)現(xiàn)了小車的行走；（2）繞線軸——中間軸小齒輪——錐齒輪軸大齒輪——錐齒輪——曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，該傳遞路徑實(shí)現(xiàn)了小車的轉(zhuǎn)向功能。

整個(gè)小車通過齒輪機(jī)構(gòu)高效并且精確地進(jìn)行行走以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞，該結(jié)構(gòu)最后通過錐齒輪結(jié)構(gòu)將豎直方向的動(dòng)力傳遞巧妙地傳遞為水平方向，避免了空間曲柄搖桿結(jié)構(gòu)的使用。

圖3 無碳小車運(yùn)動(dòng)函數(shù)軌跡

2 無碳小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽題，根據(jù)競賽規(guī)則，兩相鄰樁的樁距為（350±50）mm，取樁距為350 mm以及正弦曲線的振幅為150 mm，初定小車軌跡曲線為軌跡曲線如圖3所示。取小車后驅(qū)動(dòng)輪直徑D=150 mm，小車運(yùn)動(dòng)周期一個(gè)周期內(nèi)小車行駛的距離一個(gè)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，小車前輪完成4次換向，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄轉(zhuǎn)過圈數(shù)n2=1，前后軸傳動(dòng)比因此驅(qū)動(dòng)輪軸與錐齒輪軸的傳動(dòng)比Z3=17，Z2=30，Z4=20，齒輪模數(shù)m=1.5，則傳動(dòng)比i2=2.07，與小車前后軸傳動(dòng)比i1=2.02相吻合。傳動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 傳動(dòng)參數(shù)

3 無碳小車曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)搖桿最大擺角

3.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)桿長確定

圖5所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的示意圖，其中曲柄搖桿存在的條件為[4]：（1）平面四桿機(jī)構(gòu)的最短桿和最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和；（2）最短桿的任何一個(gè)相連構(gòu)件為機(jī)架。

圖4 無碳小車轉(zhuǎn)彎示意圖

圖5 曲柄搖桿結(jié)構(gòu)示意圖

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中存在無急回特性的充分必要條件為曲柄與機(jī)架長度平方和等于連桿與搖桿長度平方和[5]，即

式中：a為曲柄長度；b為連桿長度；c為搖桿長度；d為機(jī)架長度；γ為搖桿最大擺角。

4 Ansys有限元設(shè)計(jì)分析

無碳小車的底板是小車受力的核心部件，小車底板通常選取碳纖維板，亞克力板，鋁合金板等材料進(jìn)行加工，考慮各種材料的綜合性能，最終選用亞克力板作為小車底板的加工材料，其屬性參數(shù)如表2所示。

表2 亞克力板材料屬性參數(shù)

圖6 網(wǎng)格劃分

通過Solidworks軟件建立無碳小車底板的三維數(shù)模，將數(shù)模導(dǎo)入Ansys結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊。定義底板的力學(xué)參數(shù)，對(duì)底板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的底板模型如圖6所示。根據(jù)小車底板的實(shí)際受力情況添加約束，施加載荷，Solve求解，查看分析結(jié)果。

如圖7、圖8所示，小車底板的最大變形量為0.000514 mm，最大應(yīng)力為21.3 MPa，無碳小車的的應(yīng)力以及應(yīng)變均較小。因此該無碳小車的底板設(shè)計(jì)合理可靠。

圖7 應(yīng)變?cè)茍D

圖8 應(yīng)力云圖

5 Solidwork運(yùn)動(dòng)仿真

通過Solidworks軟件建立各部件的三維模型，然后進(jìn)行裝配。導(dǎo)入仿真運(yùn)動(dòng)分析模塊，建立無碳小車的Motion分析。圖9所示為簡化后的無碳小車運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖9 無碳小車運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖可以看出小車可以按照最初設(shè)定的S型軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)彎時(shí)后輪內(nèi)外側(cè)車輪將依次作為驅(qū)動(dòng)輪，雖已采用單向軸承的形式，但波峰與波谷之間還是存在些許的差異，但是該差異并不影響整體的一致性。

圖10所示為無碳小車前輪的角位移情況，可以看出前輪擺角的對(duì)稱性良好。將仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格進(jìn)行分析，篩選出前兩次波谷以及第一次波峰的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表3所示。從表中可以看出，波谷運(yùn)動(dòng)到波峰以及波峰運(yùn)動(dòng)到波谷的時(shí)間均為3 s，運(yùn)動(dòng)一致性良好。且前輪實(shí)際的最大擺角γ=-50.002°-(-124.358°)=74.356°，與無碳小車最初設(shè)計(jì)的理論擺角74.36°相吻合，證明設(shè)計(jì)精確可靠。

圖10 無碳小車前輪角位移

表3 前輪擺角參數(shù)

6 結(jié)束語

本文基于全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽題設(shè)計(jì)出的S型軌跡無碳小車，采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行能量的傳遞，盡量減少了能量的損耗，提高了傳遞效率，并且保證了傳遞的精度。選用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，保證了轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的精度以及小車運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)稱度。通過Ansys軟件對(duì)無碳小車的核心構(gòu)件底板進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其應(yīng)力以及應(yīng)變情況，在靜力學(xué)層面證明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可行性。通過Solidworks軟件對(duì)無碳小車進(jìn)行建模以及裝配，并對(duì)無碳小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到其運(yùn)動(dòng)軌跡情況以及前輪（轉(zhuǎn)向輪）的實(shí)際擺角情況，運(yùn)動(dòng)軌跡以及前輪擺角對(duì)稱性以及周期性良好，很大程度上避免了無碳小車運(yùn)動(dòng)后期軌跡偏移的現(xiàn)象。

齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行能量傳遞，巧妙運(yùn)用錐齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞方向的空間切換，以及平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制的方式，為后續(xù)全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽S型軌跡無碳小車的設(shè)計(jì)制作提供了切實(shí)可行的依據(jù)。