劉科明，趙成龍，何江，周永恒，朱銀培，石南輝，韋建軍，劉樹勝，馮榮森

“S”形無碳小車行進與轉(zhuǎn)向設(shè)計研究＊

劉科明，趙成龍，何江，周永恒，朱銀培，石南輝，韋建軍，劉樹勝，馮榮森

（北部灣大學(xué)，廣西 欽州 535011）

在國家大力倡導(dǎo)高效、節(jié)能、環(huán)保的背景下，全國各地紛紛響應(yīng)。將工程綜合能力競賽結(jié)合到高效人才培養(yǎng)方案中，以培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力?，F(xiàn)就以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的無碳小車為例，開展機械設(shè)計、加工、制造等相關(guān)創(chuàng)新研究工作。以行走路徑為“S”形的小車為例，介紹關(guān)于該小車轉(zhuǎn)向及行進結(jié)構(gòu)設(shè)計思路及方案，利用ug、cad等軟件建立模型并且對此進行系統(tǒng)分析，通過仿真及對其進行實踐來優(yōu)化設(shè)計，驗證可行性。面對設(shè)計出現(xiàn)的難點問題，做出有針對性的分析與探究。

無碳小車；轉(zhuǎn)向機構(gòu)；障礙物；競賽

對小車的結(jié)構(gòu)進行構(gòu)思，設(shè)計的小車為三輪結(jié)構(gòu)，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的能量來驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向。其給定重力勢能由尺寸￠50 mm×65 mm，質(zhì)量為1 kg的碳鋼物塊獲得。無碳小車結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)化勢能可下降高度為（400±2）mm，且重物由小車承載并與之共同運動，不允許從小車掉落，且轉(zhuǎn)向輪最大外徑應(yīng)不小于Φ30 mm。競賽時，小車在前行時能夠自動繞過寬度為2 m的賽道上的障礙物，障礙物圓棒直徑20 mm、高200 mm。其沿賽道中線從距出發(fā)線1 m處開始按間距1 m擺放，擺放完成后，將偶數(shù)位置的障礙物按抽簽得到的礙物間距變化值和變化方向移動200～300 mm（正值遠離，負值移近），競賽時的賽道如圖2所示，以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來評定成績。

圖1 小車結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圖2 競賽時的賽道（單位：mm）

1 “S”形無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

經(jīng)分析探討，小車結(jié)構(gòu)分為行進機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、承載機構(gòu)及微調(diào)機構(gòu)。對承載機構(gòu)分析，分析重力勢能轉(zhuǎn)換為動能的表現(xiàn)形式，設(shè)計滑輪有3種方式，具體分析并簡化，采用大輪帶小輪的方案，即采用雙滑輪結(jié)構(gòu)，如圖3所示，根據(jù)能量守恒定義可得出結(jié)論，由于大小滑輪直徑比為2∶1，右側(cè)線繩釋放長度比左側(cè)釋放長度增加了1倍，力減小了1倍，由此細化了重力勢能單位下降距離所釋放的力。保證小車正常啟動與減小行走時力的改變，啟動時驅(qū)動力矩應(yīng)該要比行走過程中的力矩要大一些[1]，所以，在繞線軸上加工了階梯軸，階梯繞線軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，啟動時用階梯軸軸徑最大部位，以保證小車啟動時所需要的動力；啟動后用繞線軸的小直徑部位，以節(jié)省能量，滿足在啟動到行走時不同階段不同動力的需求。

圖3 雙滑輪結(jié)構(gòu)

圖4 階梯繞線軸結(jié)構(gòu)

2 “S”形無碳小車行進機構(gòu)設(shè)計

2.1 行走軌跡的制約因素及問題

在小車運動過程中，小車實際行走軌跡受到諸多因素的影響，主要有小車轉(zhuǎn)彎重心的變化、賽道接觸面摩擦力的變化、賽道路面平直度的變化、細線在不同階梯的繞軸運動使小車加速時瞬時速度的變化等，這些因素對軌跡產(chǎn)生了影響。行走機構(gòu)為三個輪子，而直接影響小車運動時所受的摩擦力大小的因素有輪子的大小、材料、厚度的選取，而這些因素對軌跡又有著不可避免的影響。

2.2 小車行走軌跡的計算及速比的分配

在行走過程中，靠近轉(zhuǎn)彎中心一側(cè)車輪軌跡長度，永遠小于遠離轉(zhuǎn)彎中心一側(cè)車輪軌跡長度，所以選取前輪與兩后輪軸的中間點作為基準點來研究軌跡，且開始行走后，完全處于開環(huán)狀態(tài)，考慮一級齒輪減速比太大導(dǎo)致大齒輪直徑過大[2]，因此，小車的實際行走軌跡很難通過精確計算得到，只能假設(shè)一個理論軌跡來進行估算。采用扇形軌跡估算方法，已知弦長=1 m，弦高=0.3 m，則：

由此可得小車前輪左右偏擺1次，小車行走2倍的扇形弧長，因此小車行走一個周期的展開長度約為2.45 m。在此過程中小車前輪完成向左和向右轉(zhuǎn)向各1次，以滿足小車重復(fù)繞障的要求。確定速比，假設(shè)后輪直徑選為150 mm，小車行走1個周期，后輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)=2.45/0.15π=5.2圈，即小車后輪與前輪轉(zhuǎn)向要通過1∶5.2倍的速比減速后，再驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向，才能實現(xiàn)截距為1 m的重復(fù)繞障。

2.3 驅(qū)動方式設(shè)計與分析

小車在行進的過程中要繞過障礙物，周期性轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)彎半徑最小時，兩輪會產(chǎn)生差速[3]，如果不采取任何措施的話，小車在轉(zhuǎn)彎的時候必定與地面產(chǎn)生滑動摩擦，這樣既影響小車的軌跡和繞樁效果，也會有一定的能量損耗。以結(jié)構(gòu)最簡原則和零件最少原則為參照，采取單輪驅(qū)動方式，即斷開后輪主動輪與從動輪的剛性連接，只使主動軸與主動輪連接，從動輪通過軸承的形式與支座相連，進而斷開與主動軸的約束，只在行走過程中配合主動輪完成軌跡，以便于自動調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度，盡可能實現(xiàn)差速器的效果，降低對軌跡的影響，保證行車的平穩(wěn)性。而傳動方式必須緊密配合并且傳動效率比較高，經(jīng)過考慮及實際的測試，用一級齒輪減速為基礎(chǔ)，齒輪傳動作為主動軸與后輪軸的傳動方式，而重物與主動軸的傳動用錐面繞線軸與雙聯(lián)輪以繞線方式傳動，能夠保證在傳動比不變的情況下改變后輪的驅(qū)動力，從而改變小車的行進速度，獲得更長的行進距離。

各級傳動比：雙聯(lián)輪=3、齒輪=5，砝碼下降長度（mm）/小車行走長度（mm）為400/20 000。

小車最大理論行走長度：驅(qū)動輪摩擦系數(shù)為0.014，小車質(zhì)量為1.5 kg，總能量為4 J，則小車理論路程=4/（0.014×1.5×9.8）=20，則小車理論位移=2/2.45=16 m。小車距出發(fā)線最大理論距離為300 mm。

轉(zhuǎn)矩設(shè)計數(shù)據(jù)、各級轉(zhuǎn)矩及摩擦力矩分析，后輪摩擦力矩：后輪1=78×0.014×15=16，小齒輪與后輪同軸2=16，滑輪3=10×10=100，主動軸4=20×（10/30）×10=66。

采用齒輪傳動：傳動比為1∶5，重錘質(zhì)量為1 kg。重錘下落時主動軸的力矩3=66。

采用齒輪機構(gòu)是依靠齒輪齒廓直接接觸來傳遞空間任意兩軸間的運動和方向，并具有傳遞功率范圍大、傳動效率高、傳動比準確、使用壽命長、工作可靠等特點，小車驅(qū)動機構(gòu)如圖5所示。

圖5 小車驅(qū)動機構(gòu)圖

3 “S”形無碳小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

3.1 前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)需考慮的問題

依據(jù)三輪小車結(jié)構(gòu)前輪為導(dǎo)向輪，通過軸承，前叉以及各種標準件等零件結(jié)構(gòu)與連桿機構(gòu)連接實現(xiàn)前輪周期性擺動，在調(diào)試與行進過程中，前輪轉(zhuǎn)向角度大小的調(diào)節(jié)和前輪向左或向右角度對中性的調(diào)節(jié)、制作誤差、零件的配合程度都直接影響“S”形軌跡。

要想使小車的行進軌跡在設(shè)計好的弧長內(nèi)，就要通過調(diào)節(jié)角度的大小來完成周期繞障。調(diào)節(jié)的角度過小，小車行走軌跡會超出設(shè)計周期；調(diào)節(jié)的角度過大，小車行走軌跡會不足設(shè)計周期。而且小車在加工制作、裝配調(diào)試過程中也存在積累誤差，使小車前輪在行走時，左右偏擺存在不對稱性，不能按照設(shè)計預(yù)期，即圍繞障礙物中軸線，左右對稱繞障運行，小車行走軌跡與誤差軌跡如圖6所示。

圖6 小車行走軌跡與誤差軌跡

3.2 機構(gòu)設(shè)計方案與分析

通過對比曲柄搖桿機構(gòu)、空間四桿機構(gòu)、偏心輪搖桿機構(gòu)等，在對配合精度、傳動效率及拆裝難度的綜合考慮下，選取偏心輪搖桿機構(gòu)，該機構(gòu)加工比較簡單、調(diào)試容易、成本低、便于拆裝。在零件加工時盡量一次成型，不進行二次加工，減少因多個基準而造成的誤差[4]。

對前輪轉(zhuǎn)向角度大小的調(diào)節(jié)，可根據(jù)偏心軸相對偏心輪中心的偏心距離來調(diào)節(jié)，而前輪向左或向右角度對中性的調(diào)節(jié)，可通過調(diào)節(jié)拉桿及連桿的長度。零件制作誤差及配合程度誤差是系統(tǒng)必然性誤差，由于無法避免，可通過設(shè)計微調(diào)裝置來調(diào)節(jié)微小變化數(shù)值，盡量減小或消除制作及裝配誤差。

3.3 偏心輪搖桿機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的偏心輪搖桿機構(gòu)如圖7所示，具有不同距離的偏心孔的偏心輪、偏心軸、魚眼軸承、微調(diào)裝置以及所用到的標準件組成。剛性連接的偏心輪分布有距離輪心，類似阿基米德螺旋線分布的孔，偏心軸通過連接不同的孔，來改變偏心距，進而改變前輪偏角。這樣設(shè)計方便調(diào)節(jié)偏心軸到軸心的距離，從而改變前輪轉(zhuǎn)向角度大小問題，做到具體數(shù)值精度調(diào)節(jié)。而且當(dāng)前輪轉(zhuǎn)向角度大小確定之后，也能通過調(diào)節(jié)微調(diào)裝置及魚眼軸承與桿件的配合長度，來調(diào)節(jié)對中性，設(shè)計的調(diào)節(jié)方法簡單、科學(xué)、方便。

4 結(jié)論

從設(shè)計到制作，再到裝配及調(diào)試過程中，都會存在系統(tǒng)誤差和人為誤差，通過不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，得出以下結(jié)論：①小車能否跑得更遠，近似跑出預(yù)期軌跡，最大的影響因素存在于設(shè)計方面，繞線輪大小、主軸軸距的大小、速比的大小、凸輪或者偏心輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的選擇、前后輪大小的選擇都直接決定小車的軌跡。具體設(shè)計可比較各個機構(gòu)的利弊來選擇適合的機構(gòu)，繼而根據(jù)設(shè)計思路、速度分配等設(shè)計其他結(jié)構(gòu)。②加工誤差是不能避免的，但可以盡量減小，零件加工質(zhì)量好會省出時間來給后面的裝配調(diào)試工作；其他運動部件與靜止部件的裝配間隙的大小均會對小車的運行軌跡產(chǎn)生一定的影響[5]。③微調(diào)裝置一定要有，設(shè)計的微調(diào)裝置要精密，能做到微小的調(diào)節(jié)。④調(diào)試過程中，充分考慮場地環(huán)境及材料、小車的整體情況，并認真做好每一次小車行走軌跡的數(shù)據(jù)記錄。

圖7 偏心輪搖桿機構(gòu)

5 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是小車的關(guān)鍵機構(gòu)，是讓小車在前進的軌跡運行過程中能否實現(xiàn)周期性運動的重要保證。此次設(shè)計采用了偏心輪搖桿機構(gòu)，實現(xiàn)了小車在行駛過程中前輪能左右周期性地轉(zhuǎn)動，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)試方便。

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TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.002

2095－6835（2020）09－0004－03

北部灣大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（編號：201911607008，201911607065，201911607147）；欽州市“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造”工程技術(shù)研究中心主任課題（編號：2017QGZ05）；2018年教育部第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“智能制造背景下機電一體化專業(yè)人才培養(yǎng)模式的改革與實踐”（編號：201802345001）；教育廳高校科研項目“基于數(shù)字檔案館平臺的高校國有資產(chǎn)檔案利用優(yōu)化研究”（編號：2019KY0474）；2017年廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項目“‘互聯(lián)網(wǎng)+’背景下職業(yè)技能訓(xùn)練平臺建設(shè)研究與實踐——以欽州學(xué)院為例”（編號：GXGZJG2017A003）；2017年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“工程訓(xùn)練之‘互聯(lián)網(wǎng)+焊接’基地建設(shè)”（編號：201702119090）；欽州學(xué)院2017年校級科研項目“風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)S355NL鋼的焊接工藝研究”（編號：2017KYQD212）；2018年度欽州學(xué)院本科教改項目（編號：18JGZ023）；2019年北部灣大學(xué)本科教改項目（編號：19JGZ055，19JGZ076）；2020年廣西高等教育自治區(qū)級教學(xué)成果獎重點培育項目“依托高校實踐基地多元協(xié)同構(gòu)建‘五位一體’工程實踐教學(xué)體系的研究與實踐”（編號：18JPZ008）；2020年廣西高等教育自治區(qū)級教學(xué)成果獎培育項目“基于工程實踐能力培養(yǎng)的實踐課程教學(xué)模式改革研究與實踐”（編號：19CGPY12）

劉科明（1989—），男，廣西貴港人，學(xué)士，工程師、高級技師，主要從事機械工程和教育教學(xué)管理等方面的研究。

〔編輯：張思楠〕