朱志康 王慧攀 黃振振 孫超 李偉東

（河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南洛陽 471003）

1 概述

無碳小車需要采用三輪結(jié)構(gòu)，它運動（包括前進和轉(zhuǎn)向等）的能量必須來自給定小物塊的重力勢能，重力勢能的能量總和應(yīng)為四焦耳，即為重量1kg 的物塊（碳鋼，尺寸為50X65mm）垂直下降400mm 獲得的4J 能量。必須小物塊下落后不脫離車身，隨著小車一起運動。

圖1 重力勢能要求

設(shè)計目的是要求小車既能夠保證穩(wěn)定前進，同時還能按照程序繞過設(shè)置的障礙物（障礙物為每隔1 米放置的直徑為20mm、高為200mm 的彈性圓棒）。經(jīng)過對小車的運動要求分析小車，得知小車需要完成兩個主要要求：要較大程度地完成對重力勢能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動自身行走的動能、要以最小的能耗完成轉(zhuǎn)向，即能夠以最接近障礙物的距離自動避開障礙物。

圖2 無碳小車的設(shè)計理念

在方便設(shè)計原則上，根據(jù)小車需要完成的目標(biāo)：以最小的能耗、最便捷的轉(zhuǎn)向完成運動，可把小車劃分為車架部分、原動機構(gòu)部分、傳動機構(gòu)部分、轉(zhuǎn)向機構(gòu)部分、行走機構(gòu)部分五個板塊進行總體的機械設(shè)計。

2 無碳小車的機構(gòu)設(shè)計

2.1 車架部分的設(shè)計

圖3 車架部分設(shè)計思想

車架作為小車的主體部分，只起到對小車整體的支撐作用，在受力方面不用承受很大的力，因此精度要求不高?？紤]到要保證小車能夠在固定的重力勢能之下前進更遠的距離，小車的總體質(zhì)量應(yīng)盡可能的輕，所以車架部分應(yīng)當(dāng)選擇鋁、鈦等輕金屬。

2.2 原動機構(gòu)部分的設(shè)計

圖4 原動機構(gòu)部分的設(shè)計思想

原動機構(gòu)的作用是將給定物塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車機械系統(tǒng)的機械能。不難考慮到原動機構(gòu)越簡單，其能量轉(zhuǎn)換效率越高。顯然，結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)化效率較高的繩輪結(jié)構(gòu)是首選。而在具體設(shè)計過程中，原動機構(gòu)除了要能將重力勢能轉(zhuǎn)化為機械能之外，還應(yīng)具有以下具體要求：（1）機構(gòu)總體應(yīng)簡單：保證能量轉(zhuǎn)換效率的不過度增加小車自重；（2）能保證物塊下降的速度穩(wěn)定、提供的驅(qū)動力穩(wěn)定：避免小車拐彎時速度過快車體傾翻或物塊劇烈晃動提高能耗，從而降低了小車總體的能量轉(zhuǎn)換率；（3）物塊在豎直方向的下落速度要盡可能保持在一定范圍內(nèi)：這樣能夠在減少物塊對車架沖擊的同時，使重塊的重力勢能盡量多地轉(zhuǎn)化為小車內(nèi)部的機械能。

3 傳動機構(gòu)部分的設(shè)計

圖5 傳動機構(gòu)部分設(shè)計思想

傳動機構(gòu)的作用是把重力勢能轉(zhuǎn)化的機械能傳遞到驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)上。為了使小車行駛距離更遠，同時保證小車能夠按照預(yù)定的軌道精確行駛，傳動機構(gòu)必須具備結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、傳動平穩(wěn)、傳動效率高等優(yōu)點。滿足以上要求的三種傳動方式如下：（1）動力軸直接與驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行接觸傳動：是結(jié)構(gòu)最簡單的傳動方式，具有較高的傳動效率；（2）帶輪機構(gòu)進行傳動：帶輪的機構(gòu)簡單，能在保證傳動平穩(wěn)的同時、還具備緩沖吸震等特點；但帶輪的會發(fā)生彈性滑動或打滑，導(dǎo)致傳動不平穩(wěn)；（3）齒輪傳動：齒輪具有傳動比穩(wěn)定、傳動效率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等良好性質(zhì)，但相同傳動條件下，齒輪的結(jié)構(gòu)更加緊湊，小車的質(zhì)量可能較大。

具體傳動機構(gòu)需要更細致的分析，但優(yōu)先考慮方案（1）或（3）。

4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)部分的設(shè)計

圖6 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計思想

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是小車設(shè)計的最重要的部分，直接決定了小車的性能。除了盡量地減少摩擦耗能、結(jié)構(gòu)簡單、總體質(zhì)量輕等基本條件，轉(zhuǎn)向機構(gòu)還需具備以下運動特性：能夠?qū)鲃訖C構(gòu)部分的機械能（動力軸或齒輪的旋轉(zhuǎn)），轉(zhuǎn)化為前輪控制裝置的機械能（左右擺動），從而實現(xiàn)拐彎避障的功能。能夠達到要求的機構(gòu)有：凸輪+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿等機構(gòu)。以下分別對三種機構(gòu)進行具體分析。

（1）凸輪優(yōu)點：設(shè)計方案恰當(dāng)?shù)耐馆嗇喞梢允箯膭蛹搭A(yù)期任意運動；結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，設(shè)計方便；缺點：凸輪輪廓難以加工、精度難以保證；重量較大，效率低能量損失大；（2）曲柄連桿+搖桿優(yōu)點：單位面積所受壓力較小；面接觸便于潤滑，單位面積的磨損速度??；制造方便，易取得較高精度等；缺點：設(shè)計較為復(fù)雜，運動軌跡的綜合可能不夠準(zhǔn)確；機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)會相對復(fù)雜；安裝精度大；（3）曲柄搖桿優(yōu)點：結(jié)構(gòu)較為簡單，重量低；缺點：有滑動的摩擦副，所以能量損失率會較高；急回特性導(dǎo)致難以設(shè)計出較好的機構(gòu)。

圖7 行走機構(gòu)設(shè)計思想

5 行走機構(gòu)部分的設(shè)計

小車的行走機構(gòu)即小車的三個支撐輪，需綜合考慮輪子的大小、厚度、強度、摩擦系數(shù)等因素進行設(shè)計：由摩擦理論得摩擦力矩與正壓力的關(guān)系為：

M＝N·б

其中M 為摩擦力矩，N 為正壓力，б 為一個與材料摩擦系數(shù)等因素有關(guān)的數(shù)，材料相同時δ 為定值，同時根據(jù)：

f＝M/R＝N·б/R

其中f 為摩擦力，R 為摩擦力臂。綜合以上公式得：行走輪的大?。ㄖ睆剑┖托≤囀艿降淖枇Τ煞幢?，因此輪子越大，小車能行駛的距離越遠。

6 設(shè)計總結(jié)

本文按照無碳小車的兩大設(shè)計準(zhǔn)則：傳動效率以及轉(zhuǎn)動準(zhǔn)確，從五個方面分別對小車系統(tǒng)進行了綜合設(shè)計。保證傳動效率限制了系統(tǒng)各部分的自重不能過大以及結(jié)構(gòu)不能過于復(fù)雜，這符合無碳環(huán)保的核心思想；保證傳動的準(zhǔn)確則要求了轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計精準(zhǔn)，以及小車零部件的精度高。小車設(shè)計的核心在于尋找到效率和精準(zhǔn)度的最優(yōu)點和平衡點，完美的設(shè)計離不開大量實際數(shù)據(jù)。

圖8 小車總體三維圖