基于重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車的輪轂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

魏同學(xué) 王崗 李星 黃良康

摘要：設(shè)計(jì)一種用于重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)下小車的輪轂機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)解決了小車傳動(dòng)效率低、動(dòng)能損耗快及穩(wěn)定性差等問(wèn)題，通過(guò)給重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車加設(shè)該輪轂機(jī)構(gòu)后行進(jìn)距離、動(dòng)能節(jié)約及穩(wěn)定性方面得到了顯著提高，分別在行進(jìn)距離、繞障數(shù)量等方面較之前提升了50%左右。

Abstract： Design a wheel hub mechanism for the car driven by gravity potential energy， which solves the problems of low transmission efficiency， fast kinetic energy loss and poor stability of the car. By adding the wheel hub mechanism to the gravity potential energy drive car， the travel distance， kinetic energy saving and stability have been improved significantly.

關(guān)鍵詞：輪轂;機(jī)構(gòu);動(dòng)能;穩(wěn)定性

Key words： hub;mechanism;kinetic energy;stability

中圖分類號(hào)：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0207-02

0? 引言

重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車是憑借重力勢(shì)能本身的自然下落做為小車行進(jìn)的動(dòng)能、且具有行進(jìn)、避障等功能的三輪小車，重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車實(shí)現(xiàn)了無(wú)碳、環(huán)保、勢(shì)能轉(zhuǎn)換、多種機(jī)構(gòu)相互作用等優(yōu)勢(shì)[1-2]，如圖1重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車構(gòu)造圖所示。重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車由于其構(gòu)造靈活、動(dòng)能損耗小，成為了青少年用來(lái)了解、學(xué)習(xí)機(jī)械結(jié)構(gòu)知識(shí)的常用的機(jī)械模型，成為大學(xué)生用于實(shí)踐計(jì)算機(jī)繪圖、工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、調(diào)試裝配等專業(yè)方面能力的提升[3-4]。

現(xiàn)有的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車由車架、原動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)及微調(diào)機(jī)構(gòu)裝配而成[5-6]，其中行走機(jī)構(gòu)是由轉(zhuǎn)輪和軸承組成，由于轉(zhuǎn)動(dòng)輪直徑大于100mm，厚度只有5mm，且軸承裝配在轉(zhuǎn)動(dòng)輪的內(nèi)緣，通過(guò)軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸孔配合而帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的尺寸較小，且軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的接觸面積較小，因而在重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)輪與軸承容易相互脫離，使得轉(zhuǎn)動(dòng)輪在小車的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上軸向竄動(dòng)及跳動(dòng)，從而使得小車的穩(wěn)定性變差，并且縮短了小車的運(yùn)動(dòng)距離，損耗了動(dòng)能。

1? 輪轂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該輪轂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是提供一種提升重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車傳動(dòng)效率的輪轂機(jī)構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的摩擦力大、穩(wěn)定性差、動(dòng)能損耗大等問(wèn)題。

1.1 輪轂機(jī)構(gòu)組成部件? 輪轂機(jī)構(gòu)主要包括：輪轂主體、左側(cè)向心軸承、右側(cè)向心軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及轉(zhuǎn)動(dòng)輪。

輪轂主體為回轉(zhuǎn)體軸套類零件，主要是連接轉(zhuǎn)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用，在輪轂主體的右側(cè)面和左側(cè)面沿輪轂主體的軸向分別開(kāi)設(shè)左側(cè)圓形定位槽和右側(cè)圓形定位槽，左側(cè)向心軸承設(shè)于左側(cè)圓形定位槽內(nèi)，右側(cè)向心軸承設(shè)于右側(cè)圓形定位槽內(nèi)，通過(guò)兩個(gè)向心軸承的設(shè)置能夠增大軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的接觸面積，增大輪轂結(jié)構(gòu)的承受載荷的能力，極大提升輪轂機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，進(jìn)而可以防止小車運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的軸向竄動(dòng)、擺動(dòng)，因而能夠增加小車運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，使得小車的運(yùn)動(dòng)距離加長(zhǎng)[7-8]。保證左側(cè)圓形定位槽和右側(cè)圓形定位槽以及小臺(tái)階外圓和中心軸線同軸度在0.02mm以內(nèi)，同時(shí)左側(cè)圓形定位槽和右側(cè)圓形定位槽徑向尺寸公差在0.01mm以內(nèi)，保證標(biāo)準(zhǔn)軸承和輪轂內(nèi)孔的精準(zhǔn)裝配，如圖2所示輪轂示意圖。

轉(zhuǎn)動(dòng)輪為薄壁盤類零件，主要承載小車的負(fù)荷和旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)輪裝配在輪轂主體的小臺(tái)階外圓上。轉(zhuǎn)動(dòng)輪的技術(shù)要求是：①薄壁，減少與地面的接觸面積;②鏤空，減輕轉(zhuǎn)輪的重量;③同軸度、平行度等形位公差控制，轉(zhuǎn)動(dòng)輪外圓與內(nèi)孔同軸度要求0.02mm，兩側(cè)端面平行度要求0.02mm，保證轉(zhuǎn)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不能出現(xiàn)軸向和徑向跳動(dòng)，如圖3所示轉(zhuǎn)動(dòng)輪示意圖。

轉(zhuǎn)動(dòng)軸主要承載小車重量，連接主轉(zhuǎn)動(dòng)輪和從轉(zhuǎn)動(dòng)輪，技術(shù)要求是：細(xì)長(zhǎng)軸，加工難度大，尺寸公差和形位公差要求高，要求剛性強(qiáng)重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的材料要求和加工要求都非常嚴(yán)格，保證與軸承裝配處尺寸公差控制在0.01mm以內(nèi)，同軸度和圓度公差控制在0.02mm以內(nèi)。

1.2 輪轂機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)? 輪轂機(jī)構(gòu)通過(guò)輪轂主體結(jié)合雙軸承配合，將轉(zhuǎn)動(dòng)輪與轉(zhuǎn)動(dòng)軸合理裝配，對(duì)小車的傳動(dòng)效率提升和穩(wěn)定性提供了保證。在保證零部件加工精度滿足圖紙要求的前提下，零部件的精確裝配工藝設(shè)計(jì)與正確的裝配方法對(duì)小車的傳動(dòng)效率和穩(wěn)定行進(jìn)同樣起著至關(guān)重要的作用[9-10]，如圖4輪轂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖所示。

①轉(zhuǎn)動(dòng)輪與輪轂。輪轂與轉(zhuǎn)動(dòng)輪之間主要通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輪內(nèi)孔和輪轂小臺(tái)階外圓進(jìn)行過(guò)渡配合，保證裝配精度和位置度要求，輪轂大臺(tái)階側(cè)面為轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸向定位基準(zhǔn)面限制車輪的位置及保證車輪行進(jìn)時(shí)的平穩(wěn)性，最后通過(guò)3處螺栓孔用螺栓將輪轂與轉(zhuǎn)動(dòng)輪連接。②輪轂與軸承。輪轂與左右兩側(cè)軸承之間通過(guò)過(guò)渡配合連接，要求軸承緊密的裝入輪轂兩側(cè)內(nèi)孔內(nèi)，保證兩個(gè)軸承之間的位置度要求以及軸承與輪轂的位置度要求。③軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸。兩側(cè)軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間同樣需要通過(guò)過(guò)渡配合連接來(lái)保證裝配精度，要求軸承內(nèi)孔面與轉(zhuǎn)動(dòng)軸外圓面進(jìn)行過(guò)渡配合，軸承內(nèi)圈端面與轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸肩定位基準(zhǔn)面進(jìn)行軸向精確配合，保證轉(zhuǎn)動(dòng)輪、輪轂與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的配合精度要求，最后通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸頂端螺紋與螺母的配合將轉(zhuǎn)動(dòng)輪、輪轂及轉(zhuǎn)動(dòng)軸裝配鎖緊。

2? 機(jī)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)裝配后的小車通過(guò)原有運(yùn)動(dòng)規(guī)則，在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、重力勢(shì)能、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等不變的情況下進(jìn)行測(cè)試。

2.1 傳動(dòng)效率的提升? 在重力勢(shì)能下降的高度400mm不變的情況下，對(duì)加設(shè)輪轂機(jī)構(gòu)和未加設(shè)輪轂機(jī)構(gòu)的小車進(jìn)行了多次測(cè)試，最終在多次測(cè)試中各選取最佳的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)重錘的下降速度與小車行進(jìn)的距離可以計(jì)算出小車的傳動(dòng)效率，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出如圖5所示的傳動(dòng)效率對(duì)比曲線圖，通過(guò)曲線圖可以看出，未裝配輪轂機(jī)構(gòu)的小車行進(jìn)距離隨著重錘的快速下降行進(jìn)距離僅有15m左右，而裝配有輪轂機(jī)構(gòu)的小車行進(jìn)距離隨著重錘的勻速緩慢下降行進(jìn)距離在25m以上。

2.2 行車軌跡穩(wěn)定性提高? 重力勢(shì)能小車按照S型軌跡進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，要求小車在寬度2m的賽道上前行時(shí)能夠自動(dòng)繞過(guò)賽道上設(shè)置的障礙物，如圖6所示S型測(cè)試軌跡圖。障礙物是相同尺寸規(guī)格的圓棒，在S型測(cè)試軌道中線上以1米±20厘米的間距進(jìn)行設(shè)置。重力勢(shì)能小車必須從S型測(cè)試軌道起始段開(kāi)始行進(jìn)，小車車身完全繞過(guò)軌道中線且不能將障礙物碰倒或者將障礙物碰出限位圈以外，一直行進(jìn)到小車停止為止。最后以小車行進(jìn)的直線距離和順利繞過(guò)障礙物的個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

3? 結(jié)論

通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，該輪轂機(jī)構(gòu)成功的運(yùn)用于重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車的傳動(dòng)裝置上，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車加設(shè)該輪轂機(jī)構(gòu)后行進(jìn)距離、能量節(jié)約及穩(wěn)定性方面得到了顯著提高，分別較之前未加設(shè)輪轂機(jī)構(gòu)的小車在行進(jìn)距離、繞障數(shù)量等方面提升50%左右，同時(shí)運(yùn)用該機(jī)構(gòu)的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車在第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽陜西賽區(qū)競(jìng)賽中榮獲一等獎(jiǎng)并獲得第六屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽國(guó)家賽三等獎(jiǎng)。

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