李星

摘要：根據(jù)之前比賽過程當(dāng)中，許多的無碳小車出現(xiàn)跑偏、周期長(zhǎng)短調(diào)節(jié)不精確以及前輪轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)不精準(zhǔn)等諸多問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的無碳小車。對(duì)小車的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析論證，并對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)微調(diào)機(jī)構(gòu)以及行駛軌跡進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。實(shí)踐證明，小車在競(jìng)賽中具有運(yùn)動(dòng)靈活、累計(jì)誤差小、運(yùn)動(dòng)距離長(zhǎng)、避障數(shù)目多等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無碳小車;曲柄;微調(diào)螺桿

1? 設(shè)計(jì)背景

根據(jù)第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的要求：自主設(shè)計(jì)并制作一種具有方向控制功能的無碳小車，要求其行走過程中完成所有動(dòng)作所需的能量全部來自給定小錘的重力勢(shì)能，不可以使用任何其他來源的能量。給定重力勢(shì)能由質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（Ф50×65mm碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400+ -2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。

具體要求：

①要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)需要具有可調(diào)節(jié)裝置，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的場(chǎng)地。

②要求小車為三輪機(jī)構(gòu)。其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外兩輪為行進(jìn)輪，允許兩行進(jìn)輪其中之一輪為從動(dòng)輪。

“S”型賽道如圖1所示，賽道寬度為2米，沿直線方向水平鋪設(shè)。兩個(gè)障礙物的間距為1米。

2? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)大賽要求，我們的無碳小車的采用鎂鋁合金材料，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用圓柱直齒輪，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以及原動(dòng)機(jī)構(gòu)等其它幾部分組成。無碳小車整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2.2 原動(dòng)機(jī)構(gòu)

僅有1Kg砝碼提供的重力勢(shì)能支持無碳小車的行走，這些能量完全用于繞樁與轉(zhuǎn)向，才能保證小車行駛足夠遠(yuǎn)的距離。行走裝置和轉(zhuǎn)向裝置需要相互配合，才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。因此，運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性就需要通過傳動(dòng)系統(tǒng)來保證。組成動(dòng)力部分的有細(xì)線、鋁管、定滑輪、1Kg的砝碼、圓柱齒輪（大）和驅(qū)動(dòng)軸。能量控制方面采用了鎂鋁管來固定重錘，防止下落過程中的擺動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于減少砝碼擺動(dòng)過程中不必要的能量損耗盡可能使小車行駛穩(wěn)定，防止小車在行進(jìn)過程中的出現(xiàn)翻車、跑偏等問題。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。若要使小車行駛的距離更遠(yuǎn)且按照設(shè)計(jì)的軌跡精確地運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必需具有傳遞效率高、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)?；谝陨系囊螅覀冞x用圓柱直齒輪作為我們的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它解決了我們的啟動(dòng)困難、傳動(dòng)不穩(wěn)定等諸多問題。設(shè)障礙物的間距為2米，小車運(yùn)行一個(gè)周期的距離L，后輪直徑d=130mm。

由傳動(dòng)比得：i=L/（∏d）

計(jì)算得傳動(dòng)比：5.43。按第一系列（模數(shù)為0.5）選取大齒輪齒數(shù)152，小齒輪齒數(shù)28。

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車的核心，要求機(jī)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、加工方便、運(yùn)動(dòng)靈活和穩(wěn)定等特性。綜合各方面因素考慮，我們選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖3所示。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理：曲柄繞著驅(qū)動(dòng)軸的中軸線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲柄推動(dòng)連桿使滑塊做前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，固連于滑塊上的開槽過渡桿也跟隨滑塊做前后運(yùn)動(dòng)，搖桿連接在過度桿上，在一定的范圍內(nèi)做前后擺動(dòng)。

曲柄的長(zhǎng)短可以改變周期的長(zhǎng)短。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)周期過長(zhǎng)，可將微調(diào)螺桿1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之運(yùn)動(dòng)周期過小，可將微調(diào)螺桿1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。

開槽過渡桿可以調(diào)節(jié)前輪轉(zhuǎn)角的大小，即小車在運(yùn)動(dòng)中，轉(zhuǎn)角過大，可將微調(diào)螺2桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，反之?dāng)[動(dòng)角度小，將微調(diào)螺桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3? 運(yùn)動(dòng)分析

3.1 小車運(yùn)動(dòng)軌跡分析計(jì)算

兩個(gè)樁距之間的距離為1000mm，筆者設(shè)計(jì)無碳小車的軌跡為余弦函數(shù)曲線，T=2000mm，A=400mm。

3.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)分析計(jì)算

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，必須保證前輪左右擺動(dòng)的幅度相等，即需曲柄的回轉(zhuǎn)中心與搖桿擺動(dòng)平面處于等高位置。

如圖4所示，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)左極限位置、右極限位置和零點(diǎn)位置進(jìn)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)分析。

圖4中L、L1、L2*、L2**、L3分別為搖桿到曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心、曲柄、連桿、過渡桿、搖桿的長(zhǎng)度，θ為搖桿擺動(dòng)的角度，曲柄的轉(zhuǎn)角為ɑ。

4? 總結(jié)

4.1 小車整體性能的提高

在重量方面，無碳小車全部采用鎂鋁合金材料制成比起之前采用鋁制小車重量減輕。

在傳動(dòng)方面，我們采用0.5模的齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，它的優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)的間隙較小，使得小車在行走過程中的誤差大幅降低。

在轉(zhuǎn)向方面，我們采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，比之前的空間連桿機(jī)構(gòu)更加穩(wěn)定，傳動(dòng)更加精準(zhǔn)，保證了前輪的左右擺動(dòng)幅度相同。

4.2 個(gè)人工程實(shí)踐能力的提高

在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，我們自己獨(dú)立完成了小車大部分零件，在此過程中，我們學(xué)會(huì)了車床、銑床、鉆床;掌握使用激光切割、線切割、以及五軸銑床的加工方法;學(xué)會(huì)了零件的加工工藝流程，使得加工工藝更優(yōu)化，提高了動(dòng)手能力。

4.3 對(duì)機(jī)械行業(yè)更深刻的理解

在準(zhǔn)備比賽的過程中，我們明白了設(shè)計(jì)的好壞決定了機(jī)械產(chǎn)品品質(zhì)，若能在機(jī)械設(shè)計(jì)初期就發(fā)現(xiàn)一些問題，就可最大限度地降低產(chǎn)品研發(fā)成本，提高產(chǎn)品性能和成品率。同時(shí)，通過對(duì)小車加工，我們也明白了機(jī)械加工工藝的重要性：合理加工工藝可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)對(duì)加工工藝的了解可以設(shè)計(jì)出更易加工的產(chǎn)品。

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