S型無碳小車結構優化設計

張井洋 王恒廠 陳春陽

（南京航空航天大學工程訓練中心，江蘇 南京211106）

1 設計背景

S型無碳小車結構設計來源于大學生工程訓練綜合能力競賽命題——“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”。驅動小車行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換得到的。該給定重力勢能由使用質量為1kg的標準砝碼（50×65mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為（400±2）mm。標準砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖。

圖1 無碳小車示意圖

小車為三輪結構且具有轉向控制機構，此轉向控制機構具有可調節功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。

2 設計概述

在對零件進行設計時盡可能選用標準件。標準件具有互換性，在產品設計中，按互換性要求設計的產品，最便于采用三化（標準化、系列化、通用化）設計和計算機輔助設計（CAD）。對于小車需要加工制造的零件要進行科學、合理、正確的尺寸精度設計、結構工藝性設計以及選材設計。最終設計的小車要便于生產、制造、裝配、調試，且加工成本低、性能優越，能夠精確、穩定、安全、可靠地運行。

無碳小車主要由車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、行走機構、微調機構組成，現分別對其進行優化設計。

2.1 車架設計

車架是小車非常重要的裝配基準零件，主要用來安裝連接軸承座、轉向架、砝碼導向桿零件，另外還要支撐砝碼的重量，要求其必須滿足預定的使用功能要求。考慮到車架重量要輕，加工成本要低，便于加工，另外還要滿足足夠的強度、剛度要求等問題，經過實驗驗證分析，車架采用鋁合金材質加工制作而成。對于不承受力且不影響強度的部位進行鏤空，以減輕重量，如圖2所示。

2.2 原動機構設計

原動機構的作用是將砝碼的機械能轉化為小車的驅動力，能實現這一功能的方案有多種，就效率和簡潔性來看繩輪最優。小車對原動機構還有其他具體要求：

圖2 車架結構設計示意圖

（1）驅動力適中，不至于使小車拐彎時速度過大傾翻，或使砝碼下落時晃動過大影響行走。

（2）砝碼將要下落到車架時其下落速度要盡可能小，以免對小車沖擊過大。同時要使砝碼的機械能盡可能地轉化到驅動小車前進上，如果砝碼下落的速度較大，砝碼本身還有較多動能未釋放，則能量利用率不高。

（3）啟動時驅動力矩應該比行走過程中的力矩要大一些，采用線壓線的繞線模式。

基于以上分析，我們提出了輸出驅動力可調的繩輪式原動機構，如圖3所示。

圖3 繩輪式原動機構

2.3 傳動機構設計

傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到轉向機構和驅動輪上。要使小車運行得更遠及按預定優化設計的軌跡精確運行，傳動機構必須傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單、重量輕等。由于帶傳動效率及傳動精度并不高，長期使用帶會變得松弛，而齒輪具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定等特點，因此采用齒輪傳動。

為適應大賽障礙物的距離（0.7～1.3m），設計小車一個周期行走路程約為3m。為實現這一要求，需要傳動比較大，因此采用二級齒輪傳動。考慮到設計時驅動輪的直徑為222 mm，二級傳動的總傳動比約為4.44∶1。機構運動簡圖如圖4所示。

圖4 機構運動簡圖

各級傳動比：

一級加速傳動比：43/19≈2.263；

二級加速傳動比：49/25＝1.96。

砝碼下降長度（mm）/小車行走長度（mm）：

400/［15×（43/19）×（49/25）×3.141 5×222］≈0.008 62

小車最大理論行走長度：

15×（43/19）×（49/25）×3.141 5×222

≈46 403.7mm≈46.4m

小車距出發線最大理論距離：30×d（樁距）。

2.4 轉向機構設計

轉向機構是小車的關鍵機構，也是小車按照預定優化軌跡實現周期性擺動的保證。需要滿足盡可能減少摩擦耗能、結構簡單、零部件易獲得等基本條件，設計采用曲柄連桿＋搖桿機構實現。該機構運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小，制造方便，已獲得較高精度；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸。該機構連桿之間采用關節軸承球鉸連接，使其摩擦阻力較小，轉動靈活，轉向輪叉架與車架采用一對滾動軸承減小轉向摩擦阻力，保證了轉向機構的穩定性與可靠性，如圖5所示。

圖5 轉向機構設計

2.5 行走機構設計

行走機構即三個輪子，采用單輪驅動，即只利用一個輪子作為驅動輪，另一個為導向輪，還有一個為從動輪，從動輪與驅動輪間的差速依靠與地面的運動約束來確定，效率高。

2.6 微調機構設計

一臺完整的機器包括原動機構、傳動機構、執行機構、控制部分、輔助設備，微調機構就屬于小車的控制部分。由于前面確定了轉向采用曲柄連桿＋搖桿方案，而曲柄連桿機構對加工誤差和裝配誤差很敏感，再加上理論分析與實際情況有差距，故只能通過理論分析得出較優的方案而不能實現最優方案，因此就必須加上微調機構，對誤差進行修正。微調機構是通過改變曲柄半徑的長度及連桿的長度來調整小車的幅值、周期、方向等，使小車沿著一條最優的軌跡運行。微調機構包括粗調與細調兩部分，如圖6、圖7所示。

圖6 粗調

圖7 細調

3 結語

對S型無碳小車進行結構優化設計后，小車各部分結構設計合理、傳力性能好、抗干擾能力強，能夠正確繞過0.7～1.3m間距樁，且能夠按照預定的優化軌跡精確、穩定、可靠運行。

［1］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.8 版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］申永勝.機械原理教程［M］.2版.北京：清華大學出版社，2005.

［3］杜志強，葛述卿，房建峰，等.基于MATLAB 語言的機構設計與分析［M］.上海：上海科學技術出版社，2011.

［4］白雪，唐鵬達.機械傳動無碳小車的設計構想［J］.工業設計，2011（8）：145.