陳銳

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建福州　350000）

　　摘　要：無(wú)碳小車(chē)是一種將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并用于驅(qū)動(dòng)小車(chē)行走和轉(zhuǎn)向的裝置。近年來(lái)，無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與制作正逐漸拓展為地區(qū)性甚至全國(guó)性的機(jī)械設(shè)計(jì)比賽項(xiàng)目。本文以全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)爭(zhēng)中的“無(wú)碳小車(chē)”題目設(shè)計(jì)為例，介紹了該S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無(wú)碳小車(chē)的初始設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)原方案的不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)碳小車(chē)；S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；設(shè)計(jì)；改進(jìn)

　　1　無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)要求

　　競(jìng)賽題目所要求的無(wú)碳小車(chē)采用三輪結(jié)構(gòu)，前轉(zhuǎn)向輪Z大外徑不小于30mm，小車(chē)上裝載有一外形尺寸為φ50mm×65mm，質(zhì)量為1kg的普通碳鋼重塊。給定的重力勢(shì)能為4J，依靠重塊的下降來(lái)獲得，下降落差在400±2mm以?xún)?nèi)。重塊在下落過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)被小車(chē)承載并與小車(chē)共同運(yùn)動(dòng)，不允許掉落。

　　在比賽中，要求無(wú)碳小車(chē)在前進(jìn)時(shí)能通過(guò)S型^[1]轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)避開(kāi)賽道上按規(guī)則設(shè)置的障礙物。賽道上每間隔1m，放置一個(gè)直徑和高度分別為20mm和200mm的彈性障礙圓棒。Z后以小車(chē)行進(jìn)距離的遠(yuǎn)近和避開(kāi)障礙物的多少來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)。如下圖1為小車(chē)結(jié)構(gòu)及賽道示意圖。

　　2　無(wú)碳小車(chē)S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的初始設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)競(jìng)賽題目要求，首先對(duì)無(wú)碳小車(chē)進(jìn)行了初始設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車(chē)采用了一級(jí)齒輪減速的設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)的小車(chē)特點(diǎn)是后輪直徑較大，車(chē)型較寬，在S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)需要設(shè)計(jì)有較大的轉(zhuǎn)彎弧度，否則容易碰到障礙。但這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)也很多，正是由于小車(chē)的后輪直徑較大，車(chē)型較寬，因此底盤(pán)可以設(shè)計(jì)在較低的位置，這就使得小車(chē)的重心低，穩(wěn)定性也較好，對(duì)賽道的適應(yīng)性強(qiáng)。

　　2.1驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)^[2]

　　考慮到一級(jí)齒輪減速比太大，會(huì)造成大齒輪直徑過(guò)大，使小車(chē)結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，因此小車(chē)后車(chē)輪直徑選擇為200mm。設(shè)定小車(chē)軌跡中線與小車(chē)?yán)硐胲壽E的Z大偏移量為0.3m，根據(jù)扇形計(jì)算公式計(jì)算得出小車(chē)沿弧線行走距離約為2.45m，小車(chē)每行走一個(gè)周期，后輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)為n=2.45m/0.2πm=3.9圈，得出齒輪速比為1：3.9，選定齒輪模數(shù)為1，小齒輪齒數(shù)為20齒，得出大齒輪齒數(shù)為78齒。
　　小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的差速問(wèn)題，采用人力三輪車(chē)解決轉(zhuǎn)彎差速的方案。將兩個(gè)后輪中的其中一個(gè)作為動(dòng)力輪，另一個(gè)作為從動(dòng)輪，不增加任何附加機(jī)構(gòu)，比較適合于小車(chē)重力勢(shì)能有限的條件。同時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車(chē)驅(qū)動(dòng)力是采取的雙滑輪轉(zhuǎn)換方式，使有限的勢(shì)能經(jīng)過(guò)細(xì)化得到更充分的利用。
　　2.2轉(zhuǎn)向部分設(shè)計(jì)
　　該無(wú)碳小車(chē)的后車(chē)輪與后軸，通過(guò)后輪支架緊固在小車(chē)底盤(pán)上。后軸與前輪中間還安裝有大齒輪、轉(zhuǎn)盤(pán)、轉(zhuǎn)盤(pán)支架、轉(zhuǎn)盤(pán)支承軸等組件。在支承軸上安裝有大齒輪和轉(zhuǎn)盤(pán)，78齒的大齒輪與后軸上20齒的小齒輪相嚙合，以1：3.9的減速比將后輪的運(yùn)動(dòng)傳遞給支承軸，然后支承軸轉(zhuǎn)動(dòng)再帶動(dòng)同軸的轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)盤(pán)上半徑方向還有一滑槽，滑塊在槽中相對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)中心可調(diào)整半徑大小，以滿(mǎn)足前輪轉(zhuǎn)向角度的調(diào)整要求。
　　勢(shì)能轉(zhuǎn)換為小車(chē)驅(qū)動(dòng)力過(guò)程，通過(guò)滑輪組轉(zhuǎn)換，并由線繩帶動(dòng)后輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了提高小車(chē)行走的路程，在設(shè)計(jì)中還盡可能的減少后輪軸繞線部分的直徑。經(jīng)過(guò)計(jì)算，后輪軸的繞線直徑選定為4mm，此時(shí)小車(chē)后輪軸得到的行走力矩M為：

M（后輪軸）=力×力臂=1000g×2mm=2gm　（1）

　　通過(guò)上述分析可知，該無(wú)碳小車(chē)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)3.9圈，行走弧長(zhǎng)和直線距離分別為2.45m和2m時(shí)，可經(jīng)過(guò)1：3.9的齒輪副減速后，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，使前輪周期性左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)碳小車(chē)S型轉(zhuǎn)向，并連續(xù)繞過(guò)障礙前進(jìn)。
　　3　對(duì)初始方案的優(yōu)化改進(jìn)^[3]
　　根據(jù)初始方案設(shè)計(jì)制成小車(chē)以后，在實(shí)際試車(chē)中仍發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。為此，針對(duì)試車(chē)中的各類(lèi)問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)原設(shè)計(jì)方案還進(jìn)行了一定的優(yōu)化改進(jìn)。
　　3.1小車(chē)在S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中，前輪運(yùn)行不穩(wěn)定
　　對(duì)原轉(zhuǎn)向部分的初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)是由于為了提高前輪的自由轉(zhuǎn)向度，而避免干擾，而忽略了前輪轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向軸孔之間的孔隙配合問(wèn)題，導(dǎo)致前輪運(yùn)行的不穩(wěn)定。
　　優(yōu)化改進(jìn)方案：由于前輪轉(zhuǎn)向軸為標(biāo)準(zhǔn)件，其軸承內(nèi)徑不宜改變尺寸，而小車(chē)的車(chē)身則較容易進(jìn)行加工。因此在原設(shè)計(jì)方案中，將車(chē)身以過(guò)盈配合的方式嵌入了一個(gè)軸承，以解決軸與孔之間的間隙配合問(wèn)題。
　　3.2發(fā)現(xiàn)碳鋼重塊的下降速度過(guò)快
　　從上文的分析可知，由于本文設(shè)計(jì)的無(wú)碳小車(chē)采用的是一級(jí)齒輪減速方案，齒輪速比為1：3.9，即大齒輪軸和小齒輪軸的轉(zhuǎn)速比為1：3.9。而與重塊連接的牽引線是繞接在小齒輪軸上的，這也導(dǎo)致了碳鋼重塊的下降速度很快。
　　優(yōu)化改進(jìn)方案：為了解決這個(gè)問(wèn)題，一方面應(yīng)將與重塊連接的牽引線繞接在大齒輪軸上；另一方面，還應(yīng)在大齒輪軸的繞接處制成錐形臺(tái)，這也可以進(jìn)一步減緩重塊的下降速度。
　　4　總結(jié)
　　本文首先分析了S型轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)無(wú)碳小車(chē)的初始設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)原方案的不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)。該無(wú)碳小車(chē)?yán)矛F(xiàn)代工程原理，更著重于能量的有效使用，且前進(jìn)運(yùn)行中穩(wěn)定、勻速。而且在優(yōu)化改進(jìn)后，通過(guò)多次實(shí)際試車(chē)證明，小車(chē)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)軌跡完全符合賽道的要求，相信能取得不錯(cuò)的成績(jī)。
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來(lái)源：《南方農(nóng)機(jī)》2015年05期