8字形軌跡無碳小車的創(chuàng)新性設(shè)計

摘要：針對第三屆全國大學生工程訓練綜合競賽“無碳小車”主題，設(shè)計一種以重力勢能驅(qū)動具有方向控制功能8字形軌跡自行小車，提出了一種創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單，制作容易的無碳小車，該小車特點是：小車為邊三輪結(jié)構(gòu)，采用共軛凸輪滾子直動推桿轉(zhuǎn)向機構(gòu)，采用了動滑輪組、錐形滾筒及約束導軌，提高了能量利用率及行駛穩(wěn)定性，使得行駛軌跡更精確，行駛路程更遠。本設(shè)計為日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、兒童玩具車中需要“8”字形軌跡控制的小車機構(gòu)設(shè)計提供了借鑒，有較好應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：無碳小車、8字形軌跡、方向控制、共軛凸輪、機構(gòu)設(shè)計

1 引言

當今世界，科學技術(shù)飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，然而環(huán)境污染也日益嚴重，可持續(xù)發(fā)展已成時代潮流，“低碳生活”觀念已成共識。堅持科學發(fā)展觀，走可持續(xù)發(fā)展道路是社會發(fā)展必然趨勢，現(xiàn)在許多發(fā)達國家都把無碳技術(shù)運用到工農(nóng)業(yè)及日常生活各領(lǐng)域，我國也在加大無碳生產(chǎn)技術(shù)的研究。鑒于此，設(shè)計無碳小車模型具有重要意義。小車設(shè)計要求：全部能量由重力勢能提供，能繞一定間距兩障礙物走8字形軌跡，能自動轉(zhuǎn)向。

2 運動軌跡分析及設(shè)計

小車在行駛時能繞一定間距兩障礙物沿8字形循環(huán)繞行，要求轉(zhuǎn)向機構(gòu)能周期轉(zhuǎn)向，在速度一定下，必須保證小車運動軌跡曲率是連續(xù)的，否則曲率突然改變，小車容易晃動甚至傾覆。因此，可將小車軌跡設(shè)計成由兩個相切的圓組成的8字形，使小車在每走完半個8字時轉(zhuǎn)向機構(gòu)換向一次，即實現(xiàn)8字繞行。

3 驅(qū)動及轉(zhuǎn)向原理

重物下降過程中，重力勢能通過繩輪式原動機構(gòu)傳遞給后輪軸，軸帶動后輪轉(zhuǎn)動，帶輪傳動機構(gòu)將能量傳遞給共軛凸輪滾子直動推桿轉(zhuǎn)向機構(gòu)，控制小車前輪自動轉(zhuǎn)向，在行走機構(gòu)驅(qū)動下使小車前行，根據(jù)小車行駛8字形軌跡大小來設(shè)計帶輪傳動機構(gòu)傳動比及轉(zhuǎn)向機構(gòu)凸輪形狀，同時在微調(diào)機構(gòu)調(diào)節(jié)下對前輪擺角進行微調(diào)，使前輪在每走完半個8字時轉(zhuǎn)向一次，即實現(xiàn)小車走8字形軌跡。

圖4：驅(qū)動轉(zhuǎn)向原理圖（2. 驅(qū)動軸4.滾筒 6.帶輪 8.定滑輪 12.凸輪18.前輪 20.邊輪 23.后輪24.小帶輪）

4 機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)功能要求把小車分為原動機構(gòu) 、傳動機構(gòu) 、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 、行走機構(gòu)四個模塊，進行模塊化設(shè)計。分別針對每個模塊進行多方案設(shè)計，通過綜合對比選擇最優(yōu)方案組合。為使設(shè)計盡可能做到科學合理，在滿足功能前提下盡量降低成本，設(shè)計須做到系統(tǒng)性規(guī)范性和創(chuàng)新性，須綜合考慮材料 、加工、成本等各因素。

設(shè)計為邊三輪結(jié)構(gòu)，小車的固定框架為三角底板式、原動機構(gòu)采用了錐形滾筒及動滑輪、傳動機構(gòu)采用帶輪傳動、轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用共軛凸輪滾子直動推桿、行走機構(gòu)采用單輪驅(qū)動。

4.1 原動機構(gòu)設(shè)計

原動機構(gòu)功能是將重力勢能轉(zhuǎn)化為小車動能。為了滿足功能，原動機構(gòu)必須滿足條件：a.起動力矩大，起動后牽引力適中使小車平穩(wěn)行駛，不至拐彎速度過大傾翻；b.到達終點前速度要小，避免對小車沖擊。使重塊的動能盡可能的轉(zhuǎn)化到驅(qū)動小車前進上，若重塊豎直方向速度較大，重塊還有較多動能未釋放，能量利用率不高。c.不同場地摩擦力不同，小車需要的動力也不同，因此要求牽引力可調(diào)。

4.2 傳動機構(gòu)設(shè)計。

傳動機構(gòu)功能是把動力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動輪上。要使小車行駛遠及軌跡精確，傳動機構(gòu)必需效率高、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單。不用其它額外的傳動裝置，直接由動力軸驅(qū)動輪子和轉(zhuǎn)向機構(gòu)，效率最高、結(jié)構(gòu)最簡，但功能實現(xiàn)很難；齒輪傳動效率高、傳動比穩(wěn)定但價格高，加工復雜，安裝難度大；鏈傳動具有傳動平穩(wěn)，傳動比穩(wěn)定，工作可靠等優(yōu)點，但其安裝、加工制造復雜、價格較高。綜合各種傳動機構(gòu)優(yōu)劣及傳動穩(wěn)定，加工制造，安裝調(diào)節(jié)、造價等因素，設(shè)計中選擇帶輪傳動。

4.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

小車要完成8字軌跡，必須能周期性轉(zhuǎn)向，在速度一定下，必須保證小車的運動軌跡曲率連續(xù)變化，小車才能平穩(wěn)行駛，否則曲率突然改變，小車易晃動甚至傾覆。這要求轉(zhuǎn)向機構(gòu)精確可靠，運行平穩(wěn)。

凸輪是具有一定曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，運動時，通過高副接觸可使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的預期往復運動。設(shè)計適當凸輪輪廓便可使從動件得到任意預期運動，且結(jié)構(gòu)簡單緊湊、設(shè)計方便。因此，設(shè)計采用共軛凸輪滾子直動推桿轉(zhuǎn)向機構(gòu)，推桿的一端通過滑塊與控制前輪的搖桿相連，形成滑塊搖桿機構(gòu)控制前輪轉(zhuǎn)向。

4.4 行走機構(gòu)設(shè)計

行走機構(gòu)是小車運動執(zhí)行部件，小車驅(qū)動使用后輪驅(qū)動，可行方案有雙輪同步驅(qū)動，差速驅(qū)動，單輪驅(qū)動。雙輪同步驅(qū)動必定有輪子會與地面打滑產(chǎn)生滑動摩擦，使得能量利用率降低，且小車前進受到過多約束，軌跡誤差增大；雙輪差速驅(qū)動可避免雙輪同步驅(qū)動的問題，可以通過差速器或單向軸承來實現(xiàn)差速，同時差速器能較好的減少摩擦，但單向軸承存在側(cè)隙，在主動輪從動輪切換過程中出現(xiàn)誤差導致運動失準；考慮到加工難度及成本，設(shè)計了單輪驅(qū)動。

5 結(jié)語

本設(shè)計主要注重方案設(shè)計，在方案設(shè)計時對主要機構(gòu)設(shè)計進行了多方案對比分析。與其它類似小車模型相比，本設(shè)計更注重能量利用率、車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、軌跡運行精確性，機構(gòu)簡單性，及制造成本。同時本小車不僅結(jié)構(gòu)簡單，且成本低；使用動滑輪組，能有效延長小車行駛距離，提高能量利用率；采用邊三輪結(jié)構(gòu)及單輪驅(qū)動解決了小車轉(zhuǎn)彎，從動輪打滑問題，使軌跡更穩(wěn)定。采用約束導軌，重塊在三根立柱約束導軌內(nèi)滑落，避免了重塊在小車行駛中擺動，提高了穩(wěn)定性；采用共軛凸輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，能夠精確控制小車轉(zhuǎn)向。

參考文獻：

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