一種S形無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張偉超

摘 要：根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)一種可將該小車的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)小車行走的裝置。該無(wú)碳小車可自動(dòng)避障且行駛路線為S形。確定了S形無(wú)碳小車各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了高效率、高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)碳小車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；曲柄導(dǎo)桿

0 引言

S形無(wú)碳小車的主體部分包括車架、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、齒輪系和微調(diào)結(jié)構(gòu)4部分。車架用于支撐整個(gè)小車，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)要用到曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，齒輪系的作用是將車軸的動(dòng)力傳給曲柄，使曲柄隨著車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)。微調(diào)結(jié)構(gòu)是為了滿足賽事的要求，在不同的障礙物間距下行駛。

1 行駛路線軌跡規(guī)劃

設(shè) S形無(wú)碳小車行駛的安全距離是200mm，設(shè)計(jì)小車的寬度為130mm，在行駛軌跡周期為2m的情況下，其軌跡方程為：

y=-0.33 cosx；

一個(gè)周期的弧長(zhǎng)為：S=2460mm；

根據(jù)傳動(dòng)比和驅(qū)動(dòng)輪直徑之間的關(guān)系[1]：

在選定傳動(dòng)比為的情況下，得到驅(qū)動(dòng)輪直徑D=156.6mm，則半徑R=78.3mm。設(shè)定 S形無(wú)碳小車底盤距地面高度為10mm，根據(jù)傳動(dòng)比的關(guān)系得到線輪軸距地面的關(guān)系H=70mm。設(shè)定驅(qū)動(dòng)軸距前輪軸的距離d=215mm，齒輪組模數(shù)m=2，小齒輪齒數(shù)為12，得到兩齒間距為72mm，根據(jù)幾何關(guān)系得到前輪軸距線輪軸b=143.48mm。設(shè)定曲柄半徑r1=20mm，線輪半徑r2=6.25mm。

根據(jù)各幾何量之間的關(guān)系：

路徑弧微分，后輪半徑R，后輪轉(zhuǎn)過的角度微分，

為線輪轉(zhuǎn)過的微小角度；

為重物下降的微小高度；

經(jīng)過MATBLE程序[2]，確定搖桿長(zhǎng)度c=37.3mm，初始角度常數(shù)0.8958。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 車梁

車輪之間距離用后軸的軸肩進(jìn)行定位，車梁是車的載體，連接前后輪，使前輪與后輪間的距離為215mm，兩后輪間的距離為130mm；在車梁形心位置處安裝載物臺(tái)，承載400g（Φ60×65mm）的重物；在車梁的兩側(cè)接近形心位置處，安裝一龍門架，承載1kg的重塊（Φ50×65mm），完成能量轉(zhuǎn)換；在后輪軸的地方安裝齒輪，用于實(shí)現(xiàn)固定傳動(dòng)比；在繞繩軸處安裝曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，以完成小車前輪的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

2.1.2 龍門架

車架上的龍門架具有安裝定滑輪和承載下落的重塊的作用。重塊下落前，重塊的下端面距車架的高度為400mm，加上重塊和滑輪的高度及加工余量，設(shè)計(jì)龍門架的高度為500mm。安裝時(shí)，保持龍門架處于鉛直位置，重物（Φ50×65 mm）下落后，由于摩擦阻力的作用，小車將會(huì)慢慢停止。

2.1.3 車輪

前輪和后輪的直徑分別為d1=32mm和d2=156.6mm，前后輪的寬度分別為8mm、15mm。后輪為驅(qū)動(dòng)輪，與地面的摩擦力大些好；前輪為被動(dòng)輪，與地面的摩擦力小些好。車架的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 曲柄導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)

曲柄導(dǎo)桿的桿長(zhǎng)要細(xì)長(zhǎng)，剛度大，不易變形。曲柄的長(zhǎng)度與前輪的轉(zhuǎn)向密切相關(guān)，直接影響轉(zhuǎn)向的角度。設(shè)計(jì)曲柄的長(zhǎng)度為20mm。導(dǎo)桿的長(zhǎng)度滿足前輪的轉(zhuǎn)向即可，導(dǎo)桿的長(zhǎng)度確定為143mm。

2.2.2 轉(zhuǎn)向輪的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一前叉，將導(dǎo)套與前叉固定，前叉用一推力軸承和車身相連，導(dǎo)桿與曲柄相連。安裝后，使車架保持水平，將型材切割成所需的形狀即可，上面裝一階梯軸，使其與車梁相連。

2.3 齒輪系的設(shè)計(jì)

一個(gè)周期內(nèi)，曲柄轉(zhuǎn)過一周轉(zhuǎn)向輪也經(jīng)歷一個(gè)周期。在后車軸和曲柄之間的嚙合齒輪要滿足傳動(dòng)比為i=5的關(guān)系。曲柄相對(duì)于小車的旋轉(zhuǎn)中心要在小車的中心線上。否則，小車將會(huì)偏離寬度為2m的賽道。齒輪嚙合不能太緊，否則后車軸會(huì)彎曲變形[3]，摩擦力也會(huì)很大，傳動(dòng)比不精確。直齒輪齒數(shù)分別為12、60，模數(shù)為2。

2.4 微調(diào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微調(diào)結(jié)構(gòu)主要依靠改變支撐導(dǎo)桿的導(dǎo)桿座的橫向距離來(lái)調(diào)節(jié)前輪的擺角幅度，進(jìn)而適應(yīng)不同的障礙物間距，滿足小車的理想行駛路線條件。導(dǎo)桿座橫向距離的改變主要依靠其在小車底座的位置改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，可得出相應(yīng)的距離改變量與擺角變化量的坐標(biāo)圖，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)不同的比賽要求提供參考。

3 結(jié)論

通過對(duì)S形無(wú)碳小車的車架、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、齒輪系和微調(diào)結(jié)構(gòu)4部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)碳小車在不同比賽要求下的理想行駛及避障條件。尤其是在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將連接前輪的萬(wàn)向閥裝置改裝成了導(dǎo)桿凹槽式，減小了運(yùn)動(dòng)誤差，使運(yùn)動(dòng)路線更加精準(zhǔn)。理論和實(shí)踐證明，本文所設(shè)計(jì)的S形無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)合理、傳動(dòng)效率較高、運(yùn)行平穩(wěn)，滿足大賽要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王斌，王衍，李潤(rùn)蓮，等.“無(wú)碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，（1）：59-62.

[2]劉金肖，何秋熟，楊延清，等.無(wú)碳小車創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2014，（5）：189-191.

[3]劉鴻文.簡(jiǎn)明材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

（作者單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院）