張金玲　肖坤　邊普陽　趙宏宇　曹偉龍

摘 要： 為提高在校本科生動手能力、工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，我校特舉辦大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽，該賽事的主題是“無碳小車”，針對競賽項(xiàng)目，在充分領(lǐng)悟命題要求的基礎(chǔ)上，著重方案選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面闡述了“8”字型無碳小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過小車的設(shè)計(jì)、制作、安裝與調(diào)試，強(qiáng)化了學(xué)生的工程訓(xùn)練效果，發(fā)揮了學(xué)生的潛力，綜合體現(xiàn)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際動手能力、工程管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

關(guān)鍵詞： 無碳小車； 方案設(shè)計(jì)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 創(chuàng)新意識

中圖分類號： TH 122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）03-0069-04

0 引 言

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽，是2009年由教育部高等教育司舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動，是國家“本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”資助賽事之一，也是教育部主辦的最具影響力的競賽之一。該賽事的競賽主題是無碳小車越障競賽，競賽命題是以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行裝置，我校為提高在校本科生動手能力、工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，也積極加入無碳小車競賽中來，根據(jù)國賽命題要求，結(jié)合本校工程訓(xùn)練中心及學(xué)生自身情況，舉辦了哈爾濱理工大學(xué)第一屆無碳小車綜合能力競賽，競賽命題要求參賽者設(shè)計(jì)一種小車，利用給定勢能而不能使用其他能源，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理來驅(qū)動和控制小車行走，小車應(yīng)具有轉(zhuǎn)向和微調(diào)機(jī)構(gòu)，三輪著地。競賽項(xiàng)目分為“S”型賽道場地常規(guī)賽和“8”字型賽道場地常規(guī)賽兩種，在這里著重介紹“8”字型無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 小車設(shè)計(jì)流程

小車的設(shè)計(jì)是提高小車性能的關(guān)鍵。通過對命題的分析，根據(jù)自己所選參賽項(xiàng)目從而確定小車的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還應(yīng)綜合考慮小車材料的選擇、加工方法的確定以及制造成本等多方面因素，力求做到簡單實(shí)用，既規(guī)范又具創(chuàng)新。在參數(shù)設(shè)計(jì)方面，我們借鑒了參數(shù)化設(shè)計(jì) 、優(yōu)化設(shè)計(jì) 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)明理論方法；采用了MATLAB、PROE等軟件輔助設(shè)計(jì)，圖1為小車的設(shè)計(jì)流程。

2 方案設(shè)計(jì)

由于我們參加的是“8”字型常規(guī)賽，根據(jù)小車所要完成的功能，以及繞過障礙的間距，從而確定車體的大小、零部件的選擇。為了設(shè)計(jì)方便我們進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)小車各部分所實(shí)現(xiàn)的功能具體劃分為：車底板、能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、微調(diào)機(jī)構(gòu)六個(gè)部分，為了達(dá)到清晰明了的效果，將每一模塊的多種可行方案均一一例舉出來，便于設(shè)計(jì)者分析、比較、權(quán)衡利弊，從而確定最佳可行方案。設(shè)計(jì)時(shí)始終應(yīng)堅(jiān)持的原則：車重心要低；結(jié)構(gòu)盡量簡單；傳動件數(shù)少；質(zhì)量?。徽駝有?；操作、調(diào)整方便靈活[1]。圖2為方案設(shè)計(jì)框圖。通過對設(shè)計(jì)方案的對比、分析，最終確定小車每一模塊的具體實(shí)施方案。

3 加工制作

3.1 車底板

車底板因不需承受很大的力，精度要求不是很高，考慮到加工方便、質(zhì)量輕、成本低等因素，決定用δ=4mm鋁合金薄板加工制作三角形式底板?？梢岳娩X合金板的邊角廢料，節(jié)約且易加工，如圖3所示。

3.2 能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是將重塊的重力勢能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動力，即勢能轉(zhuǎn)換動能。為實(shí)現(xiàn)這一功能在此結(jié)構(gòu)中應(yīng)具有讓重塊保持一定高度的支架以及重塊帶動車體的連接部件滑輪、繞線輪等，考慮到立柱在滿足一定強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡可能的輕，我選用鋁合金材料，起初用單根立柱來固定重塊，但發(fā)現(xiàn)小車在行駛過程中，重塊晃動過大，極易造成翻車現(xiàn)象，后來采用三根立柱但要注意控制好三根立柱的間距，因?yàn)榱⒅g間距過大，重塊同樣會劇烈晃動，通過多次的改進(jìn)最終立柱采用的是三根角鋁，既輕便又穩(wěn)固達(dá)到預(yù)期效果。至于滑輪是選動滑輪還是定滑輪，應(yīng)根據(jù)車體的重量來確定，如果車體較輕選用動滑輪比較好，在重塊下降同樣高度的情況下，動滑輪使小車前進(jìn)的更遠(yuǎn)，如果車體較重，小車不易起動，那最好采用定滑輪，定滑輪不僅穩(wěn)定且易改變力的方向，由于車體及車輪均采用鋁合金板而不是材質(zhì)較輕的雅格利板、碳板，故選用了定滑輪。圖4為能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

圖4中，針對小車在行走過程中由于慣性會出現(xiàn)越來越快，從而造成小車失控跑偏或翻車現(xiàn)象，繞線輪采用錐形結(jié)構(gòu)，可以通過改變繞線的位置來實(shí)現(xiàn)輸出不同驅(qū)動力，避免行走結(jié)束時(shí)對小車過大的沖擊。

3.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本小車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，尤其“8”字型小車對轉(zhuǎn)向要求更加嚴(yán)格。能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制的機(jī)構(gòu)通常有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等幾種方式。通過實(shí)際對比分析，可知凸輪機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但輪廓軌跡計(jì)算、加工等難度較大，曲柄連桿+搖桿結(jié)構(gòu)，工作原理簡單易懂，零件設(shè)計(jì)、加工均易實(shí)現(xiàn)，故我們小車采用該種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，曲柄與連桿的結(jié)合能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滿足要求的直線往復(fù)運(yùn)動，從而推動搖桿帶動轉(zhuǎn)向輪做周期性左右轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)拐彎避障功能，為減少緊固連接造成的摩擦耗能，或因部件之間間隙過大產(chǎn)生的控制誤差，在連桿兩端使用了萬向節(jié)，萬向節(jié)具有轉(zhuǎn)向靈活，結(jié)構(gòu)緊湊是標(biāo)準(zhǔn)件可購買，既提高控制轉(zhuǎn)向精度又降低了小車成本，此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有簡單易加工、成本低，調(diào)節(jié)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，借助于Pro/E軟件建立一種運(yùn)動機(jī)構(gòu)的參數(shù)化實(shí)體模型，通過對簡化模型的靈敏度分析確定滿足無碳小車運(yùn)動要求的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，并基于這些參數(shù)進(jìn)行具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動學(xué)仿真與數(shù)學(xué)分析計(jì)算的交互設(shè)計(jì)[2]。

3.4 傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定了小車的性能，能量是否充分利用，轉(zhuǎn)向是否精確皆取決于此。傳動機(jī)構(gòu)通常采用以下幾種傳動方式：①直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而不需要其他傳動裝置，這樣結(jié)構(gòu)雖簡單能量損失小，但小車行駛距離太短；②皮帶傳動，雖傳動平穩(wěn)易調(diào)節(jié)，但容易出現(xiàn)打滑丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。③齒輪傳動，是目前應(yīng)用最廣的傳動方式之一，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、效率高、傳動穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此傳動機(jī)構(gòu)選擇了一級齒輪傳動，在齒輪材質(zhì)的選擇上，考慮到金屬齒輪質(zhì)量太重且價(jià)格較高不宜采用，塑料齒輪材質(zhì)輕、價(jià)格便宜、規(guī)格齊全是我們優(yōu)先選擇的對象，對于小車所需齒輪強(qiáng)度要求不高的情況，也可用3D打印件，成本會更加低廉，小車傳動機(jī)構(gòu)如圖6所示。

3.5 驅(qū)動機(jī)構(gòu)

小車具有三輪結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)后車輪加一個(gè)轉(zhuǎn)向輪，小車的驅(qū)動是通過重塊下降的勢能通過繞線輪轉(zhuǎn)化為動能后，驅(qū)動小車后輪和轉(zhuǎn)向輪，從而實(shí)現(xiàn)小車行走。對于后輪可以采用雙輪同步驅(qū)動，單輪驅(qū)動，雙輪差速驅(qū)動等幾種方式。當(dāng)采用雙輪同步驅(qū)動時(shí)，由于小車是沿著“8”字曲線前進(jìn)的，左右兩側(cè)輪子所走過的距離不同、速度不同，必定造成有一輪子與地面打滑，那么小車行駛的軌跡就不確定了無法實(shí)現(xiàn)小車的繞障功能。當(dāng)采用單輪驅(qū)動時(shí)，即一側(cè)輪子裝有軸承作為從動輪；另一側(cè)輪子固定鎖緊作為驅(qū)動輪，當(dāng)小車行走時(shí)通過轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，驅(qū)動輪與轉(zhuǎn)向輪行車軌跡一致，從動輪與驅(qū)動輪間的差速則需依靠與地面的運(yùn)動約束來確定，雖然單向軸承能夠解決小車曲線行走造成的差速問題，但由于單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導(dǎo)致運(yùn)動不準(zhǔn)確。通過建立無碳小車的Admas模型，并多次修改前輪位置，得到機(jī)架質(zhì)心的運(yùn)動軌跡，結(jié)果表明，前輪與驅(qū)動輪共面更有利于無碳小車機(jī)架質(zhì)心軌跡的直線度[3]。最好的驅(qū)動方式應(yīng)該是雙輪差速驅(qū)動，裝有差速器的小車既能滿足運(yùn)動軌跡要求，又能使摩擦損耗降至最小，但市場上很難買到我們所需規(guī)格的差速器，我們的小車裝有自制的簡易差速器，即將兩車輪之間的軸斷開，中間裝有帶滾珠的軸承，再車兩個(gè)固定件，將斷開的軸通過固定件與中間滾珠軸承相連接，即可實(shí)現(xiàn)一側(cè)輪子向前時(shí)，而另一側(cè)輪子向后，在小車曲線前進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)差速效果。

3.6 微調(diào)機(jī)構(gòu)

微調(diào)機(jī)構(gòu)屬于小車的控制部分，通過微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)可以修正小車行走軌跡。我們確定了小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用曲柄、連桿+搖桿方案，連桿兩端各裝有一個(gè)萬向節(jié)，通過螺紋連接使連桿長度可調(diào)，實(shí)現(xiàn)對小車運(yùn)行軌跡的控制。連桿與曲柄安裝位置可調(diào)，連桿與搖桿通過螺栓相連，通過螺栓在搖桿上滑動實(shí)現(xiàn)小車擺角大小。由于萬向節(jié)的使用實(shí)現(xiàn)了連桿與曲柄、搖桿無間隙連接，但由于各部件加工誤差和裝配誤差，在實(shí)際調(diào)試過程中，還需反復(fù)調(diào)整，總結(jié)出自己的發(fā)車規(guī)律。微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖7所示。

3.7 小車實(shí)體模型

通過設(shè)計(jì)方案的對比分析與結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，這里成功研制出結(jié)構(gòu)簡單適用的“8”字型無碳小車，圖8為基于Pro/E的“8”字型無碳小車整體外觀模型。

4 結(jié)束語

在無碳小車的設(shè)計(jì)、建模、運(yùn)動仿真、制作及調(diào)試等環(huán)節(jié)中，經(jīng)過反復(fù)探索，不斷前進(jìn)，最終小車的實(shí)際效果基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在這個(gè)過程中不僅提高了學(xué)生的專業(yè)技能，更重要的是鍛煉了學(xué)生的動手能力，懂得了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。并且體會到工程設(shè)計(jì)中不能只注重理論而忽視實(shí)踐，理論與實(shí)踐之間往往存在一定的差距。要將所學(xué)的專業(yè)理論知識融入到實(shí)踐中，在零件的制作過程中，車、鉗、銑等加工方法用到的最為普遍，同時(shí)也涉及到工序編排等問題，有時(shí)因結(jié)構(gòu)需要、材料限制等客觀因素，還采用3D打印技術(shù)來完成工件加工，通過親身體驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)及制造過程，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識、提高了工程實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：徐興華）