“雙8”字無碳小車的設計與分析

河北農業大學機電工程學院 李永浩 呂文興 杜小康 鄧國雨 李朝亮 張艷茹

關鍵字：無碳小車；軌跡；傳動設計

引言

“雙8”字無碳小車作為第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的項目之一，僅靠1kg 碳鋼錘的重力勢能驅動小車避障行進，對于小車的創新設計提出了較高的要求。

1 設計思路

依照競賽命題，小車設計成三輪結構，后輪驅動、前輪轉向，轉動凸輪連帶前輪連桿實現周期轉彎。小車行走動力依靠重物牽引細線直接獲得，采用多齒輪嚙合實現后輪作為驅動輪。牽引細線經過頂部變比定滑輪纏繞在增速軸上，細線的拉力轉換成扭矩，通過一級增速驅動后輪軸轉動，兩后輪采用超越離合器實現差速，驅動小車前行；前軸依靠錐齒輪轉動，實現轉向與行走周期的無級傳動；錐齒輪軸與前主軸垂直，外部安裝有凸輪，通過推動前輪連桿，帶動前輪做周期性轉動，實現小車雙8 字曲線行走避開障礙物；通過調節連桿伸出的長度來改變前輪的擺動角度，進而調節前輪轉向角度以適應距離的樁距；通過百分尺精確調節轉向桿長度與前輪角度保證小車行走軌跡的對稱中心線為障礙物連成的直線。在保證結構剛性的前提下，盡可能減輕車重，減少運動部件摩擦，盡量采用簡潔穩定的傳動鏈確保小車的穩定性，提高小車的行走距離。設計過程中盡可能采用標準件如滑軌滑塊，軸承，高精度測量工具如百分尺、游標卡尺來提高小車運行可靠性及微調精密度。

2 小車出發定位方案

利用發車架作為小車每次繞樁發車的基準，從而確定出發位置：發車架上角尺部件用于前進方向直線定位，使其與障礙物所在直線平行；通過直尺測量發車架基準點到發車線以及與側輪與障礙物所在直線的距離，確定位置后發車架固定不動；通過改變發車架上百分尺的刻度來確定不同樁距下小車的發車角度。通過T 形擋鐵貼住轉向導桿，確定整車傳動機構的發車起始位置。

3 數據計算

3.1 傳動設計數據

各級傳動比：

變比滑輪i1=1.5；大齒輪到小齒輪i2=3.75；

砝碼下降長度（mm）/小車行走長度（mm）：400/60000

小車最大理論行走長度：

S=(400×2)/（6×3.14）×i2×（160×3.14）=60000mm=60m

小車距出發線最大理論距離：

小車距出發線最大理論距離=S/1.57=34m

3.2 轉矩設計數據

各級轉矩及摩擦力矩分析：

設小車最終驅動力矩M，重錘質量m=1kg，G≈10N，取鋁合金齒輪傳動效率η=0.96，變比滑輪傳動比i1=1.5，齒輪傳動比i2=3.75；繞線軸驅動力矩：

M1=G×Φ/2×i1=10×6/2/1000/1.5=0.02N·m.

經一級齒輪傳動后傳動軸驅動力矩：

M2=G×Φ/2/i2/i1×η1=10×6/2/1000/1.5/3.75×0.96=0.005 N·m

滾動摩擦系數為f=0.01 后輪半徑R=80mm 重心距后輪x=70mm，輪距l=170mm，則：

F=Gf(l-x)/l=15×0.01×(170-70)/170=0.088N.

4 結構設計創新

每一個軸上都裝有滾動軸承，可以減少摩擦，保證運動的流暢性和準確性。

后輪作為驅動輪，制作應稍粗糙，重錘盡量壓于后方，增大與地面的摩擦力，以便有足夠的驅動力驅動小車前進，同時保持小車的穩定。前輪摩擦應盡量減小，且輪寬較小，轉向靈活；后輪差速對小車轉向影響較大，所以后輪尺寸大小并不相同，主動輪尺寸相差較大；后輪主動輪轉彎時角度與尺寸都不相同，為了減少誤差，前輪安裝在了小車的一側；前輪的轉向支撐桿垂直，可以靈活轉動。

5 總結

本無碳小車結構設計合理，傳動機構調整方便，實現了命題要求。采用摩擦副結構實現了精確調整，而且通過摩擦輪預壓力大小可以微調小車整體的運行阻力以控制小車速度。通過標準件以及測量工具的靈活運用和小車的整體制作過程，增強了自身的動手能力。