無碳小車“電控組”上坡機構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計★

黃 利， 左義海， 張浩波， 李 勝， 白 意

（太原工業(yè)學(xué)院， 山西 太原 030008）

引言

第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽—合肥賽，命題為“重力勢能驅(qū)動的自控行走小車越障競賽”，要求自主設(shè)計一種符合本命題要求的小車，經(jīng)賽場內(nèi)外分步制作完成，并進行現(xiàn)場競爭性運行考核。題目是在往屆工訓(xùn)競賽無碳小車命題基礎(chǔ)上的修改，保留了重力勢能驅(qū)動行進的特點，增加了自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能，為此賽道也有所變化。

小車設(shè)計的難點在于小車如何實現(xiàn)上下坡，同時要求小車可以有較強的適應(yīng)性，可以實現(xiàn)在規(guī)定的賽道中避過隨機擺放的障礙，在障礙平路和上下坡隨時轉(zhuǎn)換。

小車通過1 kg的砝碼、高度為400mm的重力勢能提供前進的所有動力，要盡可能提高能量利用效率，讓小車可以走得更遠，這樣才有機會得到更多的分數(shù)。上坡時，需要有一部分的能量提供給小車上坡，小車上坡相對于平路上來說需要耗費更多的能量，又考慮到要使小車有較強的適應(yīng)性，所以需要設(shè)計出一種創(chuàng)新型的機構(gòu)來實現(xiàn)這一過程。同時所有機構(gòu)都要考慮到能量利用效率問題，這就需要巧妙的機構(gòu)和較高的加工精度。

1 傳動機構(gòu)的分析

1.1 傳動機構(gòu)總體介紹

如圖1所示，通過滾珠滑槽檢測坡道，行進齒輪組、上坡齒輪組和離合器組合實現(xiàn)上坡時的換擋，小車的轉(zhuǎn)向則由舵機控制小車前輪實現(xiàn)。

圖1 小車整體簡圖

1.2 傳動機構(gòu)的分析

傳動機構(gòu)就是將砝碼的重力勢能轉(zhuǎn)換為主動輪的驅(qū)動力，從而將重力勢能轉(zhuǎn)換為小車前進的動力。如下頁圖2所示，將魚線兩端分別連接在砝碼和主動軸上，砝碼的重力勢能可以轉(zhuǎn)換為主動軸的扭矩，從而帶動驅(qū)動輪產(chǎn)生小車前進的動力。主動軸直徑的選擇影響著砝碼重力勢能的利用率，直徑越小，能量利用率越高。直徑的大小選擇與小車整體摩擦大小有關(guān)，選擇直徑過大會使小車行駛過快，應(yīng)當(dāng)選擇的直徑剛好可以使小車平穩(wěn)前行。

齒輪的傳動效率高達98%[1]，所以在主動軸與從動軸間選擇齒輪傳動，如下頁圖2所示。傳動比選擇同樣影響能量的利用效率，傳動比越大，能量利用率越高。傳動比的選擇受小車能否平穩(wěn)的前進和軸間距的影響。小車平穩(wěn)前進使小車可以更加穩(wěn)定，好調(diào)試，出現(xiàn)的突變少；軸間距不宜過大，過大時會使軸承座太高，從而主動軸和從動軸的同軸度會受到影響，小車的摩擦?xí)龃蟆ｒ?qū)動輪固定在從動軸兩端，通過法蘭盤將其固定。在兩端法蘭盤內(nèi)裝有單向軸承，實現(xiàn)小車的差速。

圖2 傳動機構(gòu)

2 傳動機構(gòu)的設(shè)計

2.1 齒輪組的計算與設(shè)計

2.1.1 平路齒輪組的計算與設(shè)計

在平路齒輪組的設(shè)計過程中，最主要的就是傳動比的選擇。為了使在同等的重力勢能下小車行駛得遠，我們應(yīng)該選擇相對較大的傳動比。傳動比小時能量利用率低，此時小車行駛速度快、穩(wěn)定性不夠；傳動比很大時小車啟動困難，行走不流暢。在設(shè)計中我們選擇了如表1所示的幾種傳動比，分別測試了它們行駛中的最大距離和平均速度，然后經(jīng)過選擇，確定了選用的小車平路行駛傳動比7.2∶1。

2.1.2 上坡齒輪組的計算與設(shè)計

表1 行進齒輪組不同傳動比的狀態(tài)

由于上坡的過程和平路行駛不一樣，如果繼續(xù)使用平路行駛傳動比則造成無法上坡的結(jié)果，所以我們需要設(shè)計一組上坡齒輪組。根據(jù)能量守恒定律。即

式中：m1是重錘質(zhì)量，h是上坡的高度。m1、h為固定值，所以m2越小，小車上坡需要消耗的能量越小。小車質(zhì)量m2和重錘下降高度h1的關(guān)系如表2所示。

當(dāng)車身質(zhì)量達到2.5 kg時，上高度為40mm的坡長為h的坡時需要1 J的能量，此時砝碼需下降100mm。上坡的長度經(jīng)過計算在573.4～1 146.2mm之間，通過勾股定理計算，坡高40mm，當(dāng)坡為2°時，上坡長度為1 146.2mm，當(dāng)坡為4°時，上坡長度為573.4mm。取坡為3°時計算，當(dāng)驅(qū)動輪為Φ150mm，通過小齒輪帶動大齒輪實現(xiàn)能量的大功率的輸出，經(jīng)過計算，理論值傳動比為1∶3.6，此時小車剛好可以行駛到坡頂。但實際情況中，小車的質(zhì)量會在2.5 kg左右浮動，小車傳動時的摩擦也會存在一定的影響，所以實際值應(yīng)當(dāng)比理論值大。

表2 小車質(zhì)量和重錘下降高度關(guān)系

因為坡度會存在一定的誤差，通過實踐可知：當(dāng)坡度為2°～3°時，上坡傳動比為1∶4.6時，小車剛好可以穩(wěn)定上坡，到達坡頂；當(dāng)坡度為3°～4°時，上坡傳動比為1∶4.8時，小車剛好可以穩(wěn)定上坡，到達坡頂。考慮到要適應(yīng)賽場上可能出現(xiàn)的變化，應(yīng)當(dāng)以坡度為3°～4°考慮。在后期不斷調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，小車在剛開始上坡時，小車會以V0初速度、a的加速度做減速運動（小車沿坡面向下的加速度為a），如圖3所示。當(dāng)小車停止時，小車會出現(xiàn)兩種情況：第一種為小車前輪在坡上，后輪在平路上；第二種為小車的前輪和后輪都在坡上。無論出現(xiàn)哪種情況，在小車出現(xiàn)一定的傾斜角度時，小車停止，因為小車各個連接的部位存在著一定的摩擦。最大靜摩擦力f0＞滑動摩擦力f。所以需要的扭矩應(yīng)當(dāng)比勻速行進時的扭矩大。此時，1∶4.8的傳動比在第一種情況時，可以上坡；在第二種情況時扭矩小，無法啟動。考慮到要適應(yīng)賽場上的各種情況，應(yīng)將傳動比再提高。經(jīng)過實踐，當(dāng)傳動比為1∶5.1時，小車可以在任意情況下啟動，并且行進到坡頂。

圖3 坡度示意圖

2.2 齒輪組轉(zhuǎn)換的設(shè)計

小車在平路行進時，行進齒輪組傳動比以7.2∶1進行傳動；在上坡過程中，上坡齒輪組傳動比以1∶5.1進行傳動。兩組齒輪若同時嚙合時，會存在齒輪傳動上的干涉，導(dǎo)致齒輪組卡死，無法繼續(xù)傳動。如下頁圖4所示，假設(shè)沒有齒輪傳動干涉，可以注意到在平路行駛時，若行進齒輪組驅(qū)動，上坡齒輪組小齒輪相對主動軸轉(zhuǎn)速快；在上坡時，若上坡齒輪組驅(qū)動，行進齒輪組大齒輪相對主動軸轉(zhuǎn)速慢。在這里就可以用到單向軸承。

如圖4所示，在固定上坡小齒輪法蘭盤內(nèi)裝配單向軸承（單向軸承有正反之分）。在平路行駛時，主動軸轉(zhuǎn)速為v1，轉(zhuǎn)動帶動行進大齒輪，行進齒輪組傳動到驅(qū)動輪上，小車向前行駛；同時，上坡大齒輪跟著從動軸一起轉(zhuǎn)動，帶動上坡小齒輪轉(zhuǎn)動，上齒輪轉(zhuǎn)速為v2，此時，v1＜v2，單向軸承則可以使上坡小齒輪相對于主動軸空轉(zhuǎn)。當(dāng)小車上坡時，以上坡齒輪組驅(qū)動小車向前行駛，此時行進齒輪組可通過離合器不進行嚙合，由于上坡小齒輪通過單向軸承和主動軸連接，此時，主動軸轉(zhuǎn)速v1＞上坡小齒輪轉(zhuǎn)速v2，但在單向軸承作用下，主動軸會帶動上坡小齒輪實現(xiàn)同速，此時行進齒輪組不嚙合，上坡大齒輪大功率輸出能量，小車可以穩(wěn)定上坡，到達坡頂。在行進齒輪組和上坡齒輪組轉(zhuǎn)換時，采用離合器實現(xiàn)行進齒輪組的嚙合與分離。

圖4 齒輪組轉(zhuǎn)換

如圖5所示，離合器用來固定行進大齒輪的同時還控制著行進齒輪組的嚙合。在平路行進時，離合器控制行進齒輪組一直屬于嚙合的狀態(tài)，由于上坡小齒輪固定用的單向軸承，齒輪轉(zhuǎn)動不會產(chǎn)生干涉，只需要克服單向軸承的摩擦，小車就可以穩(wěn)定前行；在平路轉(zhuǎn)為上坡時，如圖5所示，離合器內(nèi)部也固定有單向軸承，用來實現(xiàn)離合器左右滑動，在離合器槽口的位置用舵機連接的小軸承左右撥動，實現(xiàn)齒輪組的分離和嚙合，當(dāng)齒輪分離時，小車可由上坡齒輪組提供前進動力，小車可穩(wěn)定上坡。在上坡結(jié)束后，離合器在舵機控制下時行進齒輪組再次嚙合。（離合器的小法蘭軸承用來保證離合器所固定的大齒輪與主動軸同心）

圖5 離合器

3 檢測機構(gòu)的設(shè)計

3.1 對于上坡的檢測傳感器

首先小車支撐底板要保證水平，在小車水平的位置放置滾珠滑槽，滑槽如圖6所示。滑槽通過檢測滾珠是否遮擋紅外對射的接收來控制離合器的左右撥動，滾珠在滑槽內(nèi)滾動，滑槽存在3°～4°的坡度，紅外對射探測器位于滑槽最高處。當(dāng)小車處于水平時，滾珠會一直處于滑槽坡度較低的一端，紅外對射始終可以接收到信號，離合器處于初始位置；當(dāng)小車到達上坡位置時，小車速度逐漸減為零，停止后滑槽相對于水平面向后傾斜，滾珠向后滑動，此時，滾珠正好對紅外對射的接收產(chǎn)生阻礙，紅外對射探測器接收不到信號，程序處理后執(zhí)行離合器分離命令，行進齒輪組分離。

圖6 滾珠滑槽

在小車開始上坡時，計數(shù)模塊開始工作，計數(shù)模塊通過檢測碼盤來計算小車行進的路程，其工作原理類似光電式編碼器。碼盤每過一個透光區(qū)與不透光區(qū)為一個完整周期，記一個數(shù)。每一個周期代表著碼盤轉(zhuǎn)過一定的角度，碼盤和從動軸固定在一起，從動軸帶動行進輪使小車前行，這就可以通過采集碼盤計數(shù)量計算行進輪前進量，如圖7所示。由賽題可知上坡路程為573.4～1 146.2mm，考慮到計數(shù)模塊的局限性，設(shè)計碼盤線數(shù)為20，當(dāng)采集數(shù)據(jù)為20～27個完整周期時，小車可以完成上坡，此時，程序執(zhí)行離合器往回撥的命令，行進齒輪組再次嚙合。行進小齒輪的齒應(yīng)當(dāng)經(jīng)過砂輪機打磨光滑，減少齒輪組再次嚙合時出現(xiàn)卡齒的現(xiàn)象。

圖7 計數(shù)模塊

3.2 對離合器的控制

舵機通過舵盤控制小軸承的左右擺動，從而控制離合器的左右滑動。如第84頁圖8所示，在離合器的一端存在槽口，槽口內(nèi)有舵機控制的小軸承。為了減小摩擦，槽口兩端絕對豎直并且平行，槽口的寬度應(yīng)當(dāng)比小軸承略大0.3～0.6mm。在平路行駛時，小軸承使離合器限位在行進齒輪組嚙合的狀態(tài)；在上坡時，舵機控制小軸承拉動離合器，此時，行進齒輪組分離。離合器控制的機構(gòu)裝配要求非常高，裝配需要每個部位恰到好處，若過于緊，摩擦大，小車無法行進；若過于松，卡齒現(xiàn)象會非常頻繁。

4 結(jié)論

本設(shè)計根據(jù)無碳小車電控組的新規(guī)則設(shè)計了一種上坡和平路齒輪組轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，避免了利用粗繞線軸直接沖坡造成的能量損失。巧妙利用光電傳感器識別上坡位置，再加上單向軸承的超越離合原理，使得兩套不同傳動比的齒輪組可以完美銜接。采用該結(jié)構(gòu)，可避免依靠加粗繞線軸，以增大加速度，通過行駛3～4m的直線距離，將車速度提高沖到坡頂?shù)脑O(shè)計，無需通過加速度提高車速，即可以在任何時候?qū)崿F(xiàn)上坡，大大增強了小車的適應(yīng)性。本設(shè)計在第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力大賽中取得決賽二等獎的優(yōu)秀名次。

圖8 離合器控制機構(gòu)