基于不完全齒組合機構“8字形”無碳小車的創新設計

郝小峰,劉賈鉉,張振軍（西安石油大學　機械工程學院,西安　710300）

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基于不完全齒組合機構“8字形”無碳小車的創新設計

郝小峰,劉賈鉉,張振軍
（西安石油大學機械工程學院,西安710300）

摘 要：針對2015年第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的命題“無碳小車繞8字組”的要求，經過任務分析，初步選定幾種可行方案后，通過進一步探討了提高小車運行平穩的方法與措施,影響小車運行的平穩、運動換向機構、驅動及周期性轉向等關鍵性問題, 為了提高了小車的運行精度, 最后選定了一種小車的結構參數及總體方案。實踐表明，小車結構合理，運行軌跡符合“8字形”的要求，小車運行平穩，能量損失較少，設計方案正確，取得了不錯的競賽成績。

關鍵詞：無碳小車； 8 字行；結構設計；不完全齒輪

0　引言

本文主要介紹的是利用自身重力驅動的小車，也就是無碳小車，并且要求小車具有按照一定的軌跡轉向的功能。小車在一定面積的平整桌面上，繞相距400mm兩個障礙物沿8字型軌跡繞行，按照規定，小車要求可以成功繞開障礙物，同時繞的半徑不能過大以防掉下桌面。障礙物為一定直徑和一定長度的2個圓棒，相距要求的距離放置在桌面的中線上，完成的8字型圈數越多成績越高。在比賽中同時設置有小車挑戰賽，要求小車具有高度的可調整性。

1　任務分析

2015年第四屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽延續上一屆的設計要求，即重力原動力自動換向無碳小車，相比于往屆比賽，這一屆比賽同時增加了更多的靈活性，要求小車具有高度的可調整性。小車是由驅動機構、齒輪機構、換向機構以及調整機構組成，在比賽中每一個機構都要高度協調一致，如果其中一個機構出現問題都會讓比賽失敗。其中最主要的部分必定是轉向方案的選擇和轉向機構的調整方案，不同的轉向機構其轉向半徑以及軌跡都不相同。

2　機構設計方案

小車的整體設計準則是結構簡單，零件容易加工，傳動方案合理，能量損失最小化，變向機構準確。

（1）主動輪分析。當小車在轉彎時，后輪一定會產生差速，即兩個后輪轉速不一樣，若采用雙輪同時驅動，其中一個車輪必定會與地面產生滑動摩擦，導致軌跡發生變化，不能按照設計的軌跡前進。結合生活中常見的單邊摩托車，我們想到了單輪驅動和將轉向輪置于與驅動輪同側的結合方案。這樣可以有效的解決以上提到的問題，即小車的側滑和偏移。但是，單輪驅動的唯一不足就是速度過快的時候容易失去平衡發生翻車現象。因此，將小車的重心置于靠近驅動輪的那一側，可以有效解決這個問題，同時降低小車重錘的下落速度也很有必要；（2）驅動輪軌跡的確定。根據單輪驅動的設計原理，小車在運動中，小車的驅動輪必定繞的是一個規則的左右對稱的圖形。因此，在研究小車繞行軌跡的時候只需要研究小車的驅動輪的軌跡即可。但是，在小車運動軌跡模擬中，我們發現如果將轉向輪置于小車的中線上，那么轉向會帶來極大的不便，如果假設左后輪就是驅動輪，那么左轉時驅動輪在旋轉半徑內側，右轉時驅動輪在旋轉半徑外側，所以軌跡與理論軌跡發生出入。所以我們為了避免出現理論計算的繁瑣，我們將小車的前輪置于與驅動輪同側的設計方案。根據軌跡模擬，證明這要的方案是可行的；（3）間歇機構的設計。無碳小車在物任何外界輔助的情況下可以按照8字型軌跡運動，其最主要的機構就是間隙機構。因此在選擇間隙機構的時候我們仔細斟酌，機械結構中常見的間隙機構有：槽輪機構、凸輪機構、不完全齒輪機構等。經過對比我們選擇了不常見的不完全齒輪機構，主要原因就是，不完全齒輪機構都有標準的國標，我們需要做的就是根據設計要求，選擇合適的齒輪，這樣為我們節省了很大一部分時間；（4）轉向機構的設計。因為8字的左右是對稱點，所以我們只要保證其中一半的軌跡是準確的便能保證小車的整個運動軌跡是正確的。考慮到小車的換向是周期往復運動，所以我們想到了利用不完全齒輪的停歇比來控制轉向輪的換向時間，再通過齒條框將運動傳遞到前輪，使前輪發生一定角度且左右對稱的旋轉， 從而達到小車按預先設計軌跡進行周期往復運動的目的；（5）驅動機構的設計。齒輪有很高的傳動效率，因此可以更高的提高小車能量的利用率。為了使重錘在下降過程中更大化的轉化為小車前進的動力，我們選擇了傳動比為1比5,模數均為0.5的齒輪副作為小車動力的傳遞機構。為了減輕小車的整車質量，使小車走的更遠，我們選擇工程塑料作為小車齒輪的材料。而考慮到小車的啟動階段需要的動力較大，為了增大力矩，我們將繞線筒設計為一個錐形，避免小車無法正常啟動的問題。

3　整車的設計與組裝

小車最重要的部分就是底板了，為了加強小車的承載強度，減輕小車的重量，我們選擇5MM厚的鋁板作為車身架構，然后用細線繞過頂部的定滑輪連接在小車的主軸上，再用齒輪傳動將動力傳遞到后輪上以驅動小車前行。通過計算得出，小車的后輪越大時，受到的摩擦力越小，再結合小車轉向時的角度和轉向的半徑問題，最終計算得出主動輪D=152mm。轉動機構通過一對停歇比為 1:3 的不完全齒輪齒條機構組合，使前輪達到周期往復換向的效果。

4　整車的模擬運動軌跡

經過前期的計算，我們已基本確定了小車的各個參數。運用SolidWorks將小車的各個零部件按照之前計算出的尺寸繪制出來，進行裝配。再用插件進行模擬試驗，并將發現的一些問題進行了修改。因為8字的左右兩邊是對稱的，所以我們只需要保證其中一半的軌跡是準確的，便可保證整個8字的軌跡無誤。

5　結束語

本次設計的小車通過重錘下落拉動主動輪運動，再用齒輪把動力傳遞給后輪，使后輪成為驅動輪帶動小車前行。前輪換向時的角度是通過計算兩個后輪的輪距與前后軸間距的比值得出，而換向的時間則是通過不完全齒輪的間歇比來控制的。通過不斷優化和改進，最終本次設計的小車具有，整車質量輕，轉向靈活，可調范圍大等特點。 最終，經過不斷的調試和修整，小車可實際繞8字3圈。

參考文獻：

[1]濮良貴,陳國定,吳立言.機械設計[M].高等教育出版社,2012.

[2]朱琳,機械制造工程學[M].中國石化出版社.

[3]鄒慧君，殷鴻梁.間歇運動機構設計與應用創新[M].機械工業出版社,2008.

國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目201410705020

作者簡介：郝小峰（1994-），男，陜西榆林人，本科，研究方向：機械設計制造等。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.211