無(wú)碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及仿真

樊曉帥， 廖顯羲， 馬坤武， 李曉舟， 紀(jì)思國(guó)

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

根據(jù)第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽命題一，設(shè)計(jì)一種無(wú)碳小車，驅(qū)動(dòng)其行駛及轉(zhuǎn)向的能量均來(lái)源于1 kg重物的垂直下落（400±2）mm的能量[1]。要求小車在行走過(guò)程中完成所有動(dòng)作所需的能量均由此給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來(lái)源的能量。要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地[2]。要求小車為三輪結(jié)構(gòu)。其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外二輪為行進(jìn)輪，允許二行進(jìn)輪中的一個(gè)輪為從動(dòng)輪。具體設(shè)計(jì)、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)公開抽簽，在200～300 mm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)“S”型賽道第一輪障礙物間距變化值和變化方向。競(jìng)賽小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物，見圖1。賽道寬度為2 m，障礙物為直徑20 mm、高200 mm的圓柱棒，沿賽道中線從距出發(fā)線1 m處開始按間距1 m擺放，擺放完成后，將偶數(shù)位置的障礙物按抽簽得到的礙物間距變化值和變化方向進(jìn)行移動(dòng)（正值遠(yuǎn)離，負(fù)值移近），形成的即為競(jìng)賽時(shí)的賽道。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來(lái)評(píng)定成績(jī)。

圖1 無(wú)碳小車在重力勢(shì)能作用下自動(dòng)行走示意圖

競(jìng)賽是以小車過(guò)樁數(shù)的多少來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)，因此要想取得較好的成績(jī)，就必須要保證小車的能量轉(zhuǎn)換效率、方向控制精度和調(diào)整精度，而這些也正是小車設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。

1 無(wú)碳小車方案設(shè)計(jì)

1.1 原理設(shè)計(jì)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖在小車設(shè)計(jì)中較為重要，如圖2所示。

1）驅(qū)動(dòng)原理。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將重塊的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車的驅(qū)動(dòng)力，重物通過(guò)滑輪組，繞在繩輪上，重物下落時(shí)，繞線輪5帶動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)軸上的大齒輪8與后輪軸上的小齒輪6嚙合，大齒輪8帶動(dòng)小齒輪6實(shí)現(xiàn)后輪7的單驅(qū)動(dòng)。

圖2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2）轉(zhuǎn)向原理。繞線輪5帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸帶動(dòng)調(diào)節(jié)盤9轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)盤帶動(dòng)微調(diào)連桿3前后運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿帶動(dòng)前輪1周期性左右擺動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖3 基于SolidWorks的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3）調(diào)距原理。微調(diào)連桿3末端在調(diào)節(jié)盤9上的位置和微調(diào)連桿本身長(zhǎng)度的變化，從而帶動(dòng)前輪1最大擺角變化，導(dǎo)致小車初始角度變化，由于后輪的狀態(tài)由繞線軸決定是不變的，故可以將小車調(diào)到不同的振幅和周期，即實(shí)現(xiàn)調(diào)距。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖對(duì)小車裝配，布局有重要意義，如圖3所示。

主要運(yùn)動(dòng)原理：重物下落，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為主動(dòng)軸上的動(dòng)能，帶動(dòng)齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使后輪所在軸轉(zhuǎn)動(dòng)，小車開始運(yùn)動(dòng)。（由于計(jì)算得知主動(dòng)軸當(dāng)做繞線軸完全能啟動(dòng)小車，但考慮到后期平穩(wěn)運(yùn)行，將在主動(dòng)軸上切出溝槽以減小力矩）[4]。

1.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由小齒輪、大齒輪、調(diào)節(jié)盤、微調(diào)連桿組成，如圖4所示。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理:繞線軸提供動(dòng)力帶動(dòng)同軸的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)5:1的傳動(dòng)比由小齒輪使一個(gè)后輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其作為驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)；而前輪由齒輪2同軸帶動(dòng)一調(diào)節(jié)盤，調(diào)節(jié)盤與微調(diào)連桿由軸承相連帶動(dòng)微調(diào)連桿運(yùn)動(dòng)，從而控制前輪的運(yùn)動(dòng)[5]。

1.2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由前輪、連接桿、微調(diào)連桿、調(diào)節(jié)盤組成，如圖5所示。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理:采用調(diào)節(jié)盤和微調(diào)連桿，調(diào)節(jié)盤定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)盤與微調(diào)連桿用軸承連接，微調(diào)連桿與連接桿球面副連接，使連接桿在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，連接桿控制前輪轉(zhuǎn)向，所以前輪在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向[6]。

1．小齒輪 2．大齒輪 3．調(diào)節(jié)盤 4．微調(diào)連桿

1.2.4 調(diào)距機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車的調(diào)距機(jī)構(gòu)主要由微調(diào)連桿、球頭關(guān)節(jié)軸承組成，如圖6所示。

微調(diào)連桿前部由一定長(zhǎng)度的螺紋連接著球頭關(guān)節(jié)軸，調(diào)節(jié)盤半徑上有一定長(zhǎng)度的槽，可供微調(diào)連桿自由固定，主要參數(shù)及原理說(shuō)明如下。

1）調(diào)距原理。微調(diào)連桿末端在調(diào)節(jié)盤上的位置和微調(diào)連桿本身長(zhǎng)度的變化，從而帶動(dòng)前輪最大擺角變化，導(dǎo)致小車初始角度變化，由于后輪的狀態(tài)由繞線軸決定，是不變的，故可以將小車調(diào)到不同的振幅和周期，即實(shí)現(xiàn)調(diào)距(如圖7所示)[7]。

2）具體原理。改變最大轉(zhuǎn)角，曲線開始的斜率會(huì)變化，如1處斜率變小的話，由于1/4周期處是斜率為0，驅(qū)動(dòng)輪在這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)的圈數(shù)和沒(méi)改變最大轉(zhuǎn)角時(shí)一樣，故路程基本相同，所以1/4周期將會(huì)向右移即變大，故實(shí)現(xiàn)調(diào)周期，由藍(lán)色線條變成黑色線條（注意此時(shí)振幅變?。?。

2 建模及仿真

用Matlab計(jì)算小車軌跡，用CATIA對(duì)小車的軌跡進(jìn)行模擬仿真（如圖8所示），其中長(zhǎng)方形代表小車整體所占用的最大空間，正弦曲線是小車?yán)碚撛O(shè)計(jì)所行走的軌跡，而橫軸上的小圓點(diǎn)則是障礙物的最大偏置距離±300 mm，若障礙物偏置±300 mm時(shí)，小車依舊可以安全通過(guò)，則在障礙物偏置±200～300 mm任意距離時(shí)，小車都可以通過(guò)[8]。

經(jīng)CATIA模擬，小車邊緣離障礙物最近距離25.72mm（如圖9所示），因考慮到實(shí)際零件加工過(guò)程中精度所限，及小車實(shí)際運(yùn)行中摩擦，風(fēng)速等實(shí)際條件，25 mm以上的安全距離可以確保小車安全通過(guò)障礙物[9]。

圖6 調(diào)距機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖7 基于SolidWorks的調(diào)距示意圖

圖8 基于CATIA的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬圖

圖9 小車距離障礙物最近示意圖

3 小車的調(diào)試方法

在小車加工裝配完成之后，調(diào)試也是一個(gè)非常重要的步驟，調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)小車設(shè)計(jì)過(guò)程中的缺陷與不足，且可以在設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)的進(jìn)行改進(jìn)[10]。在小車調(diào)試的初期，可以在小車后粘貼熒光筆來(lái)跟蹤軌跡[11]。經(jīng)過(guò)初期調(diào)試后，可在車底板上放一個(gè)以一定的速度滴水的小容器，實(shí)現(xiàn)軌跡的跟蹤。這種軌跡跟蹤方式，更加準(zhǔn)確，并且容易清理[12]。在軌跡的調(diào)直過(guò)程中，通過(guò)在發(fā)車線前45 cm(以行走周期為1 m為例)處貼一張中心線與障礙物所在直線重合的16 K的紙來(lái)定發(fā)車角[13]。具體方法:在紙的左上角標(biāo)出前輪位置，保持前輪位置不變，通過(guò)改變后輪位置改變發(fā)車角度，并隨時(shí)在紙上標(biāo)記后車輪位置。當(dāng)小車左輪擦桿時(shí)，減小發(fā)車角，當(dāng)右輪擦桿時(shí)，增大發(fā)車角，從而走出直線[14]。

小車的行走過(guò)程是一個(gè)不斷磨合的過(guò)程。在不斷的行走練習(xí)過(guò)程中，小車的各種零件才能實(shí)現(xiàn)更好的配合[15]。

4 結(jié)論

本文給出的無(wú)碳小車設(shè)計(jì)方案，用Matlab進(jìn)行軌跡計(jì)算，SolidWorks進(jìn)行裝配分析，CATIA進(jìn)行軌跡模擬，經(jīng)過(guò)較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C，得出方案可行，加上基于本文設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車，在第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中取得了較好的成績(jī)，進(jìn)一步論證了本方案的可行性[16]。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李剛,周致成,袁航,等.S形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無(wú)碳小車的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014(2):13-16.

[2]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):59-62,96.

[3] 李立成,徐漫琳,柯昌輔.S型無(wú)碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015(3):152-154.

[4] 陳曉東,石雁南,張莉莉.無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)、制作與創(chuàng)新實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(12):92-95.

[5] 朱孝錄.機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[6] 戴海燕,蔡鍇文,吳鑰烺,等.基于工程訓(xùn)練的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)[J].汽車零部件,2014(11):26-27,37.

[7] 王躍進(jìn).機(jī)械原理[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.

[8] 劉旋坤,李衛(wèi)國(guó),王利利.S型路線無(wú)碳小車設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息,2016(15):133-134.

[9] 葛桐旭,吳藝偉,胡志超.重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的智能越障小車的設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng),2017(13):2.

[10] 張普,李森,劉洋.重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的自控?zé)o碳小車設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù),2017(4):39-41.

[11] 任帆,韓梓潤(rùn),劉晴.S型無(wú)碳小車的研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(7):205-206.

[12]劉旋坤,李衛(wèi)國(guó),王利利.S型路線無(wú)碳小車設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息,2016(15):133-134.

[13] 艾孝杰,汪朝暉,蘇磊,等.重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)方向控制無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016(4):157-160.

[14] 豆龍江,詹長(zhǎng)庚,龐晨露,等.無(wú)碳小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2014(2):84-86.

[15] 李書環(huán),田源,盧增元,等.無(wú)碳驅(qū)動(dòng)小車關(guān)鍵參數(shù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(29):38-39.

[16] 戴海燕,蔡鍇文,吳鑰烺,等.基于工程訓(xùn)練的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)[J].汽車零部件,2014(11):26-27,37.