郝小峰,劉賈鉉,張振軍（西安石油大學(xué)　機械工程學(xué)院,西安　710300）

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基于不完全齒組合機構(gòu)“8字形”無碳小車的創(chuàng)新設(shè)計

郝小峰,劉賈鉉,張振軍
（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院,西安710300）

摘 要：針對2015年第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的命題“無碳小車?yán)@8字組”的要求，經(jīng)過任務(wù)分析，初步選定幾種可行方案后，通過進一步探討了提高小車運行平穩(wěn)的方法與措施,影響小車運行的平穩(wěn)、運動換向機構(gòu)、驅(qū)動及周期性轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵性問題, 為了提高了小車的運行精度, 最后選定了一種小車的結(jié)構(gòu)參數(shù)及總體方案。實踐表明，小車結(jié)構(gòu)合理，運行軌跡符合“8字形”的要求，小車運行平穩(wěn)，能量損失較少，設(shè)計方案正確，取得了不錯的競賽成績。

關(guān)鍵詞：無碳小車； 8 字行；結(jié)構(gòu)設(shè)計；不完全齒輪

0　引言

本文主要介紹的是利用自身重力驅(qū)動的小車，也就是無碳小車，并且要求小車具有按照一定的軌跡轉(zhuǎn)向的功能。小車在一定面積的平整桌面上，繞相距400mm兩個障礙物沿8字型軌跡繞行，按照規(guī)定，小車要求可以成功繞開障礙物，同時繞的半徑不能過大以防掉下桌面。障礙物為一定直徑和一定長度的2個圓棒，相距要求的距離放置在桌面的中線上，完成的8字型圈數(shù)越多成績越高。在比賽中同時設(shè)置有小車挑戰(zhàn)賽，要求小車具有高度的可調(diào)整性。

1　任務(wù)分析

2015年第四屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽延續(xù)上一屆的設(shè)計要求，即重力原動力自動換向無碳小車，相比于往屆比賽，這一屆比賽同時增加了更多的靈活性，要求小車具有高度的可調(diào)整性。小車是由驅(qū)動機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、換向機構(gòu)以及調(diào)整機構(gòu)組成，在比賽中每一個機構(gòu)都要高度協(xié)調(diào)一致，如果其中一個機構(gòu)出現(xiàn)問題都會讓比賽失敗。其中最主要的部分必定是轉(zhuǎn)向方案的選擇和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的調(diào)整方案，不同的轉(zhuǎn)向機構(gòu)其轉(zhuǎn)向半徑以及軌跡都不相同。

2　機構(gòu)設(shè)計方案

小車的整體設(shè)計準(zhǔn)則是結(jié)構(gòu)簡單，零件容易加工，傳動方案合理，能量損失最小化，變向機構(gòu)準(zhǔn)確。

（1）主動輪分析。當(dāng)小車在轉(zhuǎn)彎時，后輪一定會產(chǎn)生差速，即兩個后輪轉(zhuǎn)速不一樣，若采用雙輪同時驅(qū)動，其中一個車輪必定會與地面產(chǎn)生滑動摩擦，導(dǎo)致軌跡發(fā)生變化，不能按照設(shè)計的軌跡前進。結(jié)合生活中常見的單邊摩托車，我們想到了單輪驅(qū)動和將轉(zhuǎn)向輪置于與驅(qū)動輪同側(cè)的結(jié)合方案。這樣可以有效的解決以上提到的問題，即小車的側(cè)滑和偏移。但是，單輪驅(qū)動的唯一不足就是速度過快的時候容易失去平衡發(fā)生翻車現(xiàn)象。因此，將小車的重心置于靠近驅(qū)動輪的那一側(cè)，可以有效解決這個問題，同時降低小車重錘的下落速度也很有必要；（2）驅(qū)動輪軌跡的確定。根據(jù)單輪驅(qū)動的設(shè)計原理，小車在運動中，小車的驅(qū)動輪必定繞的是一個規(guī)則的左右對稱的圖形。因此，在研究小車?yán)@行軌跡的時候只需要研究小車的驅(qū)動輪的軌跡即可。但是，在小車運動軌跡模擬中，我們發(fā)現(xiàn)如果將轉(zhuǎn)向輪置于小車的中線上，那么轉(zhuǎn)向會帶來極大的不便，如果假設(shè)左后輪就是驅(qū)動輪，那么左轉(zhuǎn)時驅(qū)動輪在旋轉(zhuǎn)半徑內(nèi)側(cè)，右轉(zhuǎn)時驅(qū)動輪在旋轉(zhuǎn)半徑外側(cè)，所以軌跡與理論軌跡發(fā)生出入。所以我們?yōu)榱吮苊獬霈F(xiàn)理論計算的繁瑣，我們將小車的前輪置于與驅(qū)動輪同側(cè)的設(shè)計方案。根據(jù)軌跡模擬，證明這要的方案是可行的；（3）間歇機構(gòu)的設(shè)計。無碳小車在物任何外界輔助的情況下可以按照8字型軌跡運動，其最主要的機構(gòu)就是間隙機構(gòu)。因此在選擇間隙機構(gòu)的時候我們仔細(xì)斟酌，機械結(jié)構(gòu)中常見的間隙機構(gòu)有：槽輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)等。經(jīng)過對比我們選擇了不常見的不完全齒輪機構(gòu)，主要原因就是，不完全齒輪機構(gòu)都有標(biāo)準(zhǔn)的國標(biāo)，我們需要做的就是根據(jù)設(shè)計要求，選擇合適的齒輪，這樣為我們節(jié)省了很大一部分時間；（4）轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計。因為8字的左右是對稱點，所以我們只要保證其中一半的軌跡是準(zhǔn)確的便能保證小車的整個運動軌跡是正確的?？紤]到小車的換向是周期往復(fù)運動，所以我們想到了利用不完全齒輪的停歇比來控制轉(zhuǎn)向輪的換向時間，再通過齒條框?qū)⑦\動傳遞到前輪，使前輪發(fā)生一定角度且左右對稱的旋轉(zhuǎn)， 從而達(dá)到小車按預(yù)先設(shè)計軌跡進行周期往復(fù)運動的目的；（5）驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計。齒輪有很高的傳動效率，因此可以更高的提高小車能量的利用率。為了使重錘在下降過程中更大化的轉(zhuǎn)化為小車前進的動力，我們選擇了傳動比為1比5,模數(shù)均為0.5的齒輪副作為小車動力的傳遞機構(gòu)。為了減輕小車的整車質(zhì)量，使小車走的更遠(yuǎn)，我們選擇工程塑料作為小車齒輪的材料。而考慮到小車的啟動階段需要的動力較大，為了增大力矩，我們將繞線筒設(shè)計為一個錐形，避免小車無法正常啟動的問題。

3　整車的設(shè)計與組裝

小車最重要的部分就是底板了，為了加強小車的承載強度，減輕小車的重量，我們選擇5MM厚的鋁板作為車身架構(gòu)，然后用細(xì)線繞過頂部的定滑輪連接在小車的主軸上，再用齒輪傳動將動力傳遞到后輪上以驅(qū)動小車前行。通過計算得出，小車的后輪越大時，受到的摩擦力越小，再結(jié)合小車轉(zhuǎn)向時的角度和轉(zhuǎn)向的半徑問題，最終計算得出主動輪D=152mm。轉(zhuǎn)動機構(gòu)通過一對停歇比為 1:3 的不完全齒輪齒條機構(gòu)組合，使前輪達(dá)到周期往復(fù)換向的效果。

4　整車的模擬運動軌跡

經(jīng)過前期的計算，我們已基本確定了小車的各個參數(shù)。運用SolidWorks將小車的各個零部件按照之前計算出的尺寸繪制出來，進行裝配。再用插件進行模擬試驗，并將發(fā)現(xiàn)的一些問題進行了修改。因為8字的左右兩邊是對稱的，所以我們只需要保證其中一半的軌跡是準(zhǔn)確的，便可保證整個8字的軌跡無誤。

5　結(jié)束語

本次設(shè)計的小車通過重錘下落拉動主動輪運動，再用齒輪把動力傳遞給后輪，使后輪成為驅(qū)動輪帶動小車前行。前輪換向時的角度是通過計算兩個后輪的輪距與前后軸間距的比值得出，而換向的時間則是通過不完全齒輪的間歇比來控制的。通過不斷優(yōu)化和改進，最終本次設(shè)計的小車具有，整車質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)向靈活，可調(diào)范圍大等特點。 最終，經(jīng)過不斷的調(diào)試和修整，小車可實際繞8字3圈。

參考文獻：

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國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目201410705020

作者簡介：郝小峰（1994-），男，陜西榆林人，本科，研究方向：機械設(shè)計制造等。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.211