河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 李永浩 呂文興 杜小康 鄧國雨 李朝亮 張艷茹

關(guān)鍵字：無碳小車；軌跡；傳動設(shè)計

引言

“雙8”字無碳小車作為第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的項目之一，僅靠1kg 碳鋼錘的重力勢能驅(qū)動小車避障行進(jìn)，對于小車的創(chuàng)新設(shè)計提出了較高的要求。

1 設(shè)計思路

依照競賽命題，小車設(shè)計成三輪結(jié)構(gòu)，后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)動凸輪連帶前輪連桿實現(xiàn)周期轉(zhuǎn)彎。小車行走動力依靠重物牽引細(xì)線直接獲得，采用多齒輪嚙合實現(xiàn)后輪作為驅(qū)動輪。牽引細(xì)線經(jīng)過頂部變比定滑輪纏繞在增速軸上，細(xì)線的拉力轉(zhuǎn)換成扭矩，通過一級增速驅(qū)動后輪軸轉(zhuǎn)動，兩后輪采用超越離合器實現(xiàn)差速，驅(qū)動小車前行；前軸依靠錐齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向與行走周期的無級傳動；錐齒輪軸與前主軸垂直，外部安裝有凸輪，通過推動前輪連桿，帶動前輪做周期性轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)小車雙8 字曲線行走避開障礙物；通過調(diào)節(jié)連桿伸出的長度來改變前輪的擺動角度，進(jìn)而調(diào)節(jié)前輪轉(zhuǎn)向角度以適應(yīng)距離的樁距；通過百分尺精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向桿長度與前輪角度保證小車行走軌跡的對稱中心線為障礙物連成的直線。在保證結(jié)構(gòu)剛性的前提下，盡可能減輕車重，減少運動部件摩擦，盡量采用簡潔穩(wěn)定的傳動鏈確保小車的穩(wěn)定性，提高小車的行走距離。設(shè)計過程中盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件如滑軌滑塊，軸承，高精度測量工具如百分尺、游標(biāo)卡尺來提高小車運行可靠性及微調(diào)精密度。

2 小車出發(fā)定位方案

利用發(fā)車架作為小車每次繞樁發(fā)車的基準(zhǔn)，從而確定出發(fā)位置：發(fā)車架上角尺部件用于前進(jìn)方向直線定位，使其與障礙物所在直線平行；通過直尺測量發(fā)車架基準(zhǔn)點到發(fā)車線以及與側(cè)輪與障礙物所在直線的距離，確定位置后發(fā)車架固定不動；通過改變發(fā)車架上百分尺的刻度來確定不同樁距下小車的發(fā)車角度。通過T 形擋鐵貼住轉(zhuǎn)向?qū)U，確定整車傳動機(jī)構(gòu)的發(fā)車起始位置。

3 數(shù)據(jù)計算

3.1 傳動設(shè)計數(shù)據(jù)

各級傳動比：

變比滑輪i1=1.5；大齒輪到小齒輪i2=3.75；

砝碼下降長度（mm）/小車行走長度（mm）：400/60000

小車最大理論行走長度：

S=(400×2)/（6×3.14）×i2×（160×3.14）=60000mm=60m

小車距出發(fā)線最大理論距離：

小車距出發(fā)線最大理論距離=S/1.57=34m

3.2 轉(zhuǎn)矩設(shè)計數(shù)據(jù)

各級轉(zhuǎn)矩及摩擦力矩分析：

設(shè)小車最終驅(qū)動力矩M，重錘質(zhì)量m=1kg，G≈10N，取鋁合金齒輪傳動效率η=0.96，變比滑輪傳動比i1=1.5，齒輪傳動比i2=3.75；繞線軸驅(qū)動力矩：

M1=G×Φ/2×i1=10×6/2/1000/1.5=0.02N·m.

經(jīng)一級齒輪傳動后傳動軸驅(qū)動力矩：

M2=G×Φ/2/i2/i1×η1=10×6/2/1000/1.5/3.75×0.96=0.005 N·m

滾動摩擦系數(shù)為f=0.01 后輪半徑R=80mm 重心距后輪x=70mm，輪距l(xiāng)=170mm，則：

F=Gf(l-x)/l=15×0.01×(170-70)/170=0.088N.

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新

每一個軸上都裝有滾動軸承，可以減少摩擦，保證運動的流暢性和準(zhǔn)確性。

后輪作為驅(qū)動輪，制作應(yīng)稍粗糙，重錘盡量壓于后方，增大與地面的摩擦力，以便有足夠的驅(qū)動力驅(qū)動小車前進(jìn)，同時保持小車的穩(wěn)定。前輪摩擦應(yīng)盡量減小，且輪寬較小，轉(zhuǎn)向靈活；后輪差速對小車轉(zhuǎn)向影響較大，所以后輪尺寸大小并不相同，主動輪尺寸相差較大；后輪主動輪轉(zhuǎn)彎時角度與尺寸都不相同，為了減少誤差，前輪安裝在了小車的一側(cè)；前輪的轉(zhuǎn)向支撐桿垂直，可以靈活轉(zhuǎn)動。

5 總結(jié)

本無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，傳動機(jī)構(gòu)調(diào)整方便，實現(xiàn)了命題要求。采用摩擦副結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了精確調(diào)整，而且通過摩擦輪預(yù)壓力大小可以微調(diào)小車整體的運行阻力以控制小車速度。通過標(biāo)準(zhǔn)件以及測量工具的靈活運用和小車的整體制作過程，增強了自身的動手能力。