S形無碳小車的設(shè)計(jì)

陳新， 張俊， 鄭智鵬， 黃世杰

（湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽 441100）

0 引言

為了響應(yīng)國家建設(shè)創(chuàng)新型社會(huì)，在節(jié)能減排的號召下，大賽組委會(huì)開展了第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽。競賽意在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識和綜合工程應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)知識和綜合能力的培養(yǎng)、理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件[1]。本文針對此次競賽的要求設(shè)計(jì)出具有綠色環(huán)保特色的“S形無碳小車”。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

1 小車的總體設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

小車為三輪結(jié)構(gòu)，兩個(gè)后輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪，重物通過細(xì)繩安裝在車體高支架的定滑輪上，重物下降拉動(dòng)中軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)后輪的驅(qū)動(dòng)[2]。前輪與臥式軸承座配合形成完美的對中心，保證小車按照S型軌跡行駛，不會(huì)產(chǎn)生干涉。重物勻速下降從而使車子勻速前進(jìn)、轉(zhuǎn)向輪周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車?yán)@過障礙物。小車的傳動(dòng)主要通過光滑的細(xì)繩，比起齒輪、連桿傳動(dòng)摩擦耗能少、能量轉(zhuǎn)化效率高。根據(jù)構(gòu)思創(chuàng)新設(shè)計(jì)出清晰的流程圖，如圖1所示。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

1.2.1 基本結(jié)構(gòu)組成

小車底板大致呈五角形，材料為4 mm厚度的鋁合金板，底板中央豎起三根不銹鋼空心支架，支架頂端固定卷線輪和線繩，線繩連接重塊，小車采用三輪結(jié)構(gòu)，兩個(gè)后輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪[3]，驅(qū)動(dòng)輪與輪軸固連，輪軸與軸承相連，軸中間和左邊安裝卷線輪。總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 小車總體結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于全國工程訓(xùn)練大賽，每屆比賽作品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相似度高，因此本設(shè)計(jì)進(jìn)行大膽創(chuàng)新改進(jìn)，有以下創(chuàng)新點(diǎn)：1）本設(shè)計(jì)采用單輪驅(qū)動(dòng)，其中一輪與驅(qū)動(dòng)軸之間裝配有深溝球軸承，用來構(gòu)成差速器結(jié)構(gòu)，解決了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)從動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪線速度不等的問題，使小車轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)。2）本設(shè)計(jì)采用兩級調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和可調(diào)對心垂直機(jī)構(gòu)以保證精確的轉(zhuǎn)向。可調(diào)對心垂直機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)向的前提，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分為粗調(diào)和微調(diào)可以確保可調(diào)的范圍廣和精確調(diào)向。3）搖桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中兩機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不在同一個(gè)平面的情況，為了保證正常運(yùn)作，在兩機(jī)構(gòu)之間用關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行連接，即使不在一個(gè)平面也可以運(yùn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)卡死的情況。4）運(yùn)用階梯形卷線輪，保證了小車的快速啟動(dòng)，平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。5）運(yùn)用定滑輪巧妙地改變了線繩的方向。

1.3 小車幾何尺寸參數(shù)[4]

根據(jù)大賽文件要求：賽道寬度為2 m，圓棒作為小車行駛的障礙物，其直徑為20 mm、高為200 mm，沿賽道中線出發(fā)每隔1 m擺放一個(gè)圓棒，如圖3所示。

圖3 小車行駛賽道

本方案設(shè)計(jì)小車底板尺寸245 mm×80 mm×4 mm，其傳動(dòng)參數(shù)如表1所示。通過對方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行可行性分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否可行。小車行駛軌跡近似正弦曲線，在一個(gè)周期內(nèi)前輪四次變向[5]。根據(jù)小車寬度、障礙物直徑及間隙確定振幅A為130，周期T為2000。

光滑曲線定積分公式：

故半個(gè)周期內(nèi)小車軌跡曲線度s=1056 mm。

半個(gè)周期主動(dòng)輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)n=s/（D×π）=2.7圈；轉(zhuǎn)向輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)n2=×n1=0.6圈。

綜上分析可知：驅(qū)動(dòng)輪每轉(zhuǎn)2.6圈，轉(zhuǎn)向輪改變一個(gè)方向。

表1 傳動(dòng)參數(shù)

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[6]

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是把動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪上。根據(jù)大賽要求，小車的總重力勢能一定，所以其總動(dòng)能是一定的。傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞效率越高，小車行駛得越遠(yuǎn)。為了讓小車行駛更遠(yuǎn)，所選用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)必須具有較高的傳動(dòng)效率且結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)穩(wěn)定[7]。在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，齒輪的傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比穩(wěn)定，故采用齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行能量傳遞，如圖4所示。

各級傳動(dòng)比：齒輪傳動(dòng)比為101:25；梯形繞線器和定滑輪的傳動(dòng)比根據(jù)比賽時(shí)選擇的樁距進(jìn)行調(diào)整[8]。砝碼下降長度（400 mm）/小車行走長度（4000 mm）=1:10。當(dāng)重物下降dh時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過的角度dθ=dh/r0。其中r0為驅(qū)動(dòng)軸半徑。此時(shí)小車移動(dòng)的距離ds=Rdθ，R為后輪半徑，所以有ds=Rdh/r0，小車最大理論行走長度s=39.45 m，小車行駛能夠達(dá)到最大理論距離為45.23 m。

圖4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[9]

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是本設(shè)計(jì)最為核心的一部，決定著小車能否繞過障礙物沿S彎行駛。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮減小摩擦、結(jié)構(gòu)簡單及有特殊的運(yùn)動(dòng)等性能是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提[10]。將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向輪的往復(fù)擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而小車按照S形路徑行駛。能實(shí)現(xiàn)該功能的機(jī)構(gòu)有：凸輪機(jī)構(gòu)+搖桿、曲柄連桿+搖桿、曲柄搖桿、差速轉(zhuǎn)彎等[11]。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)選擇曲柄連桿+搖桿作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方案，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖

各級轉(zhuǎn)矩及摩擦力矩分析：輪子與地面的摩擦因數(shù)由輪子材料和地面狀況決定[12]，查資料知當(dāng)輪子半徑為85 mm、12.5 mm時(shí)，有機(jī)玻璃與木板地面的摩擦因數(shù)分別為0.25、0.08，因此結(jié)合模型知：前輪所受壓為N1=12.5 N,后輪所受壓力為N2=N3=6.25 N。

4 ANSYS有限元分析

根據(jù)無碳小車車架受載較小，加工精度要求不高及整車質(zhì)量要求輕的條件優(yōu)化選材。通過分析常見幾種材料碳纖維板、ABS板、鋁合金板、亞克力板的綜合性能，最終確定鋁合金作為無碳小車的加工材料[14]。

通過三維軟件建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench靜力學(xué)分析模塊，定義6061鋁合金材料屬性包括密度、泊松比、彈性模量及屈服強(qiáng)度。單擊Mesh，相關(guān)性設(shè)置為100，定義單元尺寸為1 mm，生成網(wǎng)格。選擇Element Quality，檢查網(wǎng)格質(zhì)量。施加邊界條件，將砝碼的力均布施加在承載孔上，定義固定約束，在Solution中插入Equivalent Stress和Total Deformation,點(diǎn)擊Solve進(jìn)行求解。查看分析結(jié)果，最大應(yīng)力為4.47 MPa（如圖6）,最大變形量為0.019 mm（如圖7），應(yīng)力和變形均很小，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠[15]。

表2 6061鋁合金參數(shù)屬性

圖6 等效應(yīng)力分析圖

圖7 小車總變形分析圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的“無碳小車”完全依靠重物塊的重力勢能驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，整體質(zhì)量輕便。小車采用齒輪傳動(dòng)的方式，減少了能量的損耗，提高了傳動(dòng)效率；選用曲柄連桿和搖桿作為小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，保證了小車“S”型路線的行駛；根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理念，對小車的零部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與分析，通過Pro/E軟件對小車整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，證明了小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。