“8”字型無碳小車的結構設計

劉育良，呂曉，白文秀長春理工大學機電工程學院

“8”字型無碳小車的結構設計

劉育良，呂曉，白文秀長春理工大學機電工程學院

我校為提高大學生創新能力、實踐能力以及團隊合作能力，積極參與第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽，該比賽的主題是“無碳小車”。針對該比賽的要求，在充分領悟比賽意義與宗旨的前提下，本文闡述了其中“8”字比賽中無碳小車的設計方案，該方案原理簡單，結構相對簡便，并且也具有一定的穩定性與適度的可調性。

無碳小車；繞“8”字；結構設計；凸輪

一、基本設計原理

原理結構簡圖如圖1。

圖1

小車設計的基本原理是利用能量轉換機構將重錘下降的勢能轉換成動能，通過傳動機構將動能傳給驅動機構和轉向機構，驅動機構可使小車行走，轉向機構控制小車實現繞障功能。[1]

1.驅動原理

在齒輪傳動還是皮帶傳動之間進行選擇時，考慮到轉向等因素，小車的傳動比在行進時需要相對精確，而皮帶由于打滑等原因不如齒輪傳動。[2]因此本設計采用齒輪傳動。如圖將重錘用線通過定滑輪與車的傳動機構相連接。其中9為繞線處,該結構將動力通過齒輪7傳動到齒輪6然后帶動到行驅動輪8，實現驅動輪的驅動功能。

2.轉向原理

轉向機構的設計直接決定了小車的行走軌跡。5為齒輪跟凸輪的結合體（或者使兩者分開，加工成同軸），齒輪6帶動齒輪5運轉，然后帶動推桿4進行有規律的前后移動，進而控制導向輪左右偏轉。

3.調距原理

通過調節3和4的橫向相對位置來調節凸輪推桿3到轉向輪2中心的橫向距離，從而能夠控制轉向輪轉向時偏轉角度的大小，進而改變軌跡。微調裝置的作用是調整小車的行走路線以及平衡零件加工和裝配的誤差。除了3、4的橫向相對距離可調外，他們的縱向距離也可通過螺紋配合可調。

二、路線設計

路線設計是在原理確定之后的首要設計。如圖2為小車中心的運動軌跡設計，根據此次比賽要求的特性，設計路線如下圖所示，中部相交的兩直線分別與左右兩側圓弧相切，其中左側圓弧半徑較小，是有兩根桿的一側，小車從兩桿之間穿過以節省能量；右側圓弧半徑較大，是有一根桿的一側。在比賽要求范圍內,無論障礙物在什么位置，小車均能順利通過。如此設計既能滿足比賽題目要求，又能最大限度得利用有限的運動空間來設計小車。

圖2

圖3

根據如圖3幾何關系可以有已經確定行進軌跡半徑r來確定導向輪轉角β與小車導向輪中心到后輪軸的距離d尺寸之間的關系，根據速度重心等綜合考慮小車選用合理的輪廓尺寸d以及總體車寬。然后再確定轉角β的值。

tanβ=d/r

三、結構設計

1.傳動機構設計

圖4

如圖4所示，繞線輪帶動同軸齒輪1轉動，齒輪1與齒輪2嚙合進而帶動齒輪2轉動，齒輪2與驅動輪同軸，使驅動輪轉動；另一方面齒輪2與齒輪3嚙合，而凸輪4與齒輪3同軸，凸輪4轉動帶動推桿5前后移動（推桿后移時由一橡皮筋拉回），當凸輪轉動時，便可觸發轉向機構進行工作。

2.轉向機構

轉向機構原理：如圖4所示，傳動機構主要由凸輪4和推桿5加一滑道機構6組成，凸輪經傳動機構帶動，凸輪便可推動推桿5前后移動，凸輪與推桿高副連接，推桿通過一豎直連接桿8與滑道機構移動副連接。推桿前后移動，進而推動豎直連接桿8，使得零件7繞定軸轉動，從而帶動導向輪轉向。推桿5用橡皮筋（圖中未畫）拉回，橡皮筋套在支座10與圖中零件9的位置。

當轉小彎道的時候，凸輪往前推動推桿5，導向輪左偏，此時推程最大；小彎之后接下來就是一段直線的運動，此時凸輪推程為中間值，此時導向輪不偏；隨后就是大彎，此時凸輪推程為零，導向輪右偏。

3.調距機構

如圖5，調距主要分縱向（直線行走的方向）和橫向兩部分。圖中零件4為滑道，主要起支撐推桿作用。

3.1 縱向部分

原理敘述：縱向整個推桿1分成兩大部分，這兩部分通過螺紋連接（如圖5，零件1其中一部分加工螺紋軸，另部分加工為螺紋孔），因此兩者可通過擰動來微調兩部分的總體長度，進而改變整個推桿的總長度。該部分的調節主要平衡縱向的加工裝配誤差，保證小車在走直線的時的直線度。

3.2 橫向部分

原理敘述：如圖5零件2，實際加工時標注刻度刻度，與頂部帶螺紋孔的零件3相配合，小車行進時頂部可擰上螺釘將兩者固定緊；需要調距時，將螺釘擰松，調節零件2在零件3槽中移動，進而可調節零件2與導向輪中心的距離。凸輪推程一定，當零件2往左或者右移動后，小車行走時導向輪偏角便會與原來不同，其所走圓弧半徑便會改變，進而起到調距功能。

圖5

設計參數：零件2下端圓柱中心距離導向輪中心的理論橫向距離為12mm。此處實際有+、-2mm的左右移動空間，如此設計小車轉彎時導向輪轉角便可通過此處的左右移動調節進行變動，進而小車的轉彎半徑便可相應改變。由上文路線設計時確定的d以及車寬，可計算出具體轉角與半徑對應關系，其數據見下表：

四、結束語

本次無碳小車設計先是根據比賽題目要求確定其總體原理以及運行路線，然后根據各個環節的數據分析與計算設計具體結構形狀以及尺寸，隨后就是制造和調試。在所有過程中都需要以嚴密、科學地計算與分析為基礎。通過本次對無碳小車的設計在鞏固原有理論知識的同時也增強了學生的理論聯系實際的能力以及團隊協作的能力。更重要的是學生在這個過程中對研發設計機械產品有了一定的過程體驗，為未來更高技術的產品設計提供了寶貴的學習經驗。

[1]徐巖.基于物探小車的優化設計[J].硅谷，2014（5）：14-16.

[2]朱孝錄.機械傳動設計手冊[M].北京：電子工業出版社，2007.

劉育良（1996-），男，漢族，山東煙臺人，單位：長春理工大學機電工程學院2014級本科；

呂曉（1994-），男，漢族，山東煙臺人，單位：長春理工大學機電工程學院2014級本科；

白文秀（1996-），女，漢族，山西大同人，單位：長春理工大學機電工程學院2014級本科。