張偉超

摘 要：根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計一種可將該小車的重力勢能轉(zhuǎn)換為機械能并驅(qū)動小車行走的裝置。該無碳小車可自動避障且行駛路線為S形。確定了S形無碳小車各結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，達(dá)到了高效率、高穩(wěn)定性的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：無碳小車；結(jié)構(gòu)設(shè)計；曲柄導(dǎo)桿

0 引言

S形無碳小車的主體部分包括車架、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、齒輪系和微調(diào)結(jié)構(gòu)4部分。車架用于支撐整個小車，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)要用到曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)，齒輪系的作用是將車軸的動力傳給曲柄，使曲柄隨著車軸的轉(zhuǎn)動而做周期性轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)向輪做周期性轉(zhuǎn)動。微調(diào)結(jié)構(gòu)是為了滿足賽事的要求，在不同的障礙物間距下行駛。

1 行駛路線軌跡規(guī)劃

設(shè) S形無碳小車行駛的安全距離是200mm，設(shè)計小車的寬度為130mm，在行駛軌跡周期為2m的情況下，其軌跡方程為：

y=-0.33 cosx；

一個周期的弧長為：S=2460mm；

根據(jù)傳動比和驅(qū)動輪直徑之間的關(guān)系[1]：

在選定傳動比為的情況下，得到驅(qū)動輪直徑D=156.6mm，則半徑R=78.3mm。設(shè)定 S形無碳小車底盤距地面高度為10mm，根據(jù)傳動比的關(guān)系得到線輪軸距地面的關(guān)系H=70mm。設(shè)定驅(qū)動軸距前輪軸的距離d=215mm，齒輪組模數(shù)m=2，小齒輪齒數(shù)為12，得到兩齒間距為72mm，根據(jù)幾何關(guān)系得到前輪軸距線輪軸b=143.48mm。設(shè)定曲柄半徑r1=20mm，線輪半徑r2=6.25mm。

根據(jù)各幾何量之間的關(guān)系：

路徑弧微分，后輪半徑R，后輪轉(zhuǎn)過的角度微分，

為線輪轉(zhuǎn)過的微小角度；

為重物下降的微小高度；

經(jīng)過MATBLE程序[2]，確定搖桿長度c=37.3mm，初始角度常數(shù)0.8958。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 車梁

車輪之間距離用后軸的軸肩進(jìn)行定位，車梁是車的載體，連接前后輪，使前輪與后輪間的距離為215mm，兩后輪間的距離為130mm；在車梁形心位置處安裝載物臺，承載400g（Φ60×65mm）的重物；在車梁的兩側(cè)接近形心位置處，安裝一龍門架，承載1kg的重塊（Φ50×65mm），完成能量轉(zhuǎn)換；在后輪軸的地方安裝齒輪，用于實現(xiàn)固定傳動比；在繞繩軸處安裝曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)，以完成小車前輪的轉(zhuǎn)向運動。

2.1.2 龍門架

車架上的龍門架具有安裝定滑輪和承載下落的重塊的作用。重塊下落前，重塊的下端面距車架的高度為400mm，加上重塊和滑輪的高度及加工余量，設(shè)計龍門架的高度為500mm。安裝時，保持龍門架處于鉛直位置，重物（Φ50×65 mm）下落后，由于摩擦阻力的作用，小車將會慢慢停止。

2.1.3 車輪

前輪和后輪的直徑分別為d1=32mm和d2=156.6mm，前后輪的寬度分別為8mm、15mm。后輪為驅(qū)動輪，與地面的摩擦力大些好；前輪為被動輪，與地面的摩擦力小些好。車架的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 曲柄導(dǎo)桿的設(shè)計

曲柄導(dǎo)桿的桿長要細(xì)長，剛度大，不易變形。曲柄的長度與前輪的轉(zhuǎn)向密切相關(guān)，直接影響轉(zhuǎn)向的角度。設(shè)計曲柄的長度為20mm。導(dǎo)桿的長度滿足前輪的轉(zhuǎn)向即可，導(dǎo)桿的長度確定為143mm。

2.2.2 轉(zhuǎn)向輪的設(shè)計

設(shè)計一前叉，將導(dǎo)套與前叉固定，前叉用一推力軸承和車身相連，導(dǎo)桿與曲柄相連。安裝后，使車架保持水平，將型材切割成所需的形狀即可，上面裝一階梯軸，使其與車梁相連。

2.3 齒輪系的設(shè)計

一個周期內(nèi)，曲柄轉(zhuǎn)過一周轉(zhuǎn)向輪也經(jīng)歷一個周期。在后車軸和曲柄之間的嚙合齒輪要滿足傳動比為i=5的關(guān)系。曲柄相對于小車的旋轉(zhuǎn)中心要在小車的中心線上。否則，小車將會偏離寬度為2m的賽道。齒輪嚙合不能太緊，否則后車軸會彎曲變形[3]，摩擦力也會很大，傳動比不精確。直齒輪齒數(shù)分別為12、60，模數(shù)為2。

2.4 微調(diào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

微調(diào)結(jié)構(gòu)主要依靠改變支撐導(dǎo)桿的導(dǎo)桿座的橫向距離來調(diào)節(jié)前輪的擺角幅度，進(jìn)而適應(yīng)不同的障礙物間距，滿足小車的理想行駛路線條件。導(dǎo)桿座橫向距離的改變主要依靠其在小車底座的位置改變來實現(xiàn)。經(jīng)過多次實驗，可得出相應(yīng)的距離改變量與擺角變化量的坐標(biāo)圖，進(jìn)而為實現(xiàn)不同的比賽要求提供參考。

3 結(jié)論

通過對S形無碳小車的車架、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、齒輪系和微調(diào)結(jié)構(gòu)4部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了無碳小車在不同比賽要求下的理想行駛及避障條件。尤其是在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將連接前輪的萬向閥裝置改裝成了導(dǎo)桿凹槽式，減小了運動誤差，使運動路線更加精準(zhǔn)。理論和實踐證明，本文所設(shè)計的S形無碳小車結(jié)構(gòu)合理、傳動效率較高、運行平穩(wěn)，滿足大賽要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王斌，王衍，李潤蓮，等.“無碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計[J].山西大同大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，（1）：59-62.

[2]劉金肖，何秋熟，楊延清，等.無碳小車創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械制造與自動化，2014，（5）：189-191.

[3]劉鴻文.簡明材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

（作者單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院）