S 型无碳小车的研究设计

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热度0票  浏览194次 时间：2020年4月09日 16:17

佟建朋 1 向 建 2 王 琦 1 吴 亚 1

（ 1 重庆邮电大学先进制造工程学院重庆 400065 ；2 重庆邮电大学通信与信息工程学院 重庆

400065 ）

摘 要：本设计是依据全国大学生工程训练大赛要求，即提出一种“无碳”的方法，带动小车的运行，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。该小车再前行时能自动避开赛道上设置的障碍物，每隔在700mm 至 1300mm 范围内放置一个直径为 20mm ，高为 200mm 的弹性障碍圆棒。此模型的最大特点是将重力势能转化为齿轮的转动，进而根据大小齿轮的啮合带动驱动轮和转向轮，从而按照规定的路线完成任务，本文将对绿色小车模型设计过程，结构功能特点进行详细的介绍。

关键词：无碳小车；参数化设计；辅助化设计（急回特性、传动）；轨迹分析1 设计思路及方案

“无碳小车”的结构设计一切都应从本校的实际加工工艺能力出发。设计应坚持原则 : 整车重心要低；结构尽量简单；传动件数少；质量小；足够的刚度；振小；操作、调整方便灵活。

1.1 运动转换机构

小车给定的能量只有重块下落的重力势能，要驱动小车行驶远，必须将重块的直线运动有效地变换为小车轮轴的回转运动。选择质地弹性小、强度高且耐磨性好的细牵引绳一端先固定在滚筒轴 ( 驱动轴 ) 上，然后再将牵引绳均匀紧密的缠绕在筒轴上，另一端绕过滑轮与重块连接，这样重块下落的移动就可转化为驱动轴的回转，完成重力势能转化为驱动小车行走的动能，这是小车的外联系传动链，对传动精度要求不高，只要能将重块的势能有效地转化为动能即可，主要是绳子的缠绕方法要得当、方向要正确。当然可将牵引绳绕过动滑轮与定滑轮组成的滑轮组以使小车行走更远，不过由于使用滑轮组会使小车的启动力矩减小，不便于小车的启动，最终还是采用了绕过一个定滑轮的方案。

1.2 小车的驱传动及小车的周期性转向

1.2.1 小车的传动

齿轮传动效率可高达 98% ，因此可以很好的提高能量利用率。

依据重块下落的重力势能转化为使小车前进的动能能量损失最少的原则，选择以齿轮副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动，驱使小车行驶，使小车行驶的更远。考虑到启动时，需要的力矩大，而在小车行驶的过程中，运动平稳有惯性，需要的力矩小，因此在滚筒轴上设计一个锥形滚筒。内联系传动链容易保证传动链与执行件之间的严格传动比，尽量缩短内联系传动链，减少动件的个数，缩小传动误差，尽量减少能量的转换次数会有效地提高能量利用率。实现小车的周期性转向，小车的内传动链必须准确，否则会“失之毫厘谬以千里”小车很快脱离预定的轨迹，退出比赛。必须将滚筒轴的动力输出用严格的定传动比出到后的转向装置上，实现后轮的行程与前轮的转向相配，这也是选择用齿轮副来完滚筒轴到后轮轴的动传动的主要原因。另外还要注意齿轮的设计、加工精度要严格保证，各传动轴轮轴的材料，应有较高的支承刚度，减少受载后的弯曲变形，在布置上也要考虑轴的两支承跨距尽小，轴伸尺寸尽量短，齿轮尽量靠近支承处 ( 如滚筒轴的设计 ) ，来提高内传动链的运动精度。

1.2.2 小车的周期性转向

按照要求小车必须具有方向自控功能，绕过直线布置的每隔在 700mm 至 1300mm 范围内放置 1 个障碍物的要求。小车必须左转、右转再左转地周期性转向，在速度一定的前提下，必须要保证小车的运动轨迹曲率是连续变化的，小车才能平稳行驶，否则，曲率突然改变，小车容易晃动甚至倾覆。

曲柄摇杆机构中的曲柄回转中心即滚筒轴轴心应与摇杆的摆动平面等高，无碳小车底板保证机构无急回特性，曲柄作等速转动，摇杆摆动时左右行程的平均速度相等，即使得前轮左右摆幅相同，按照指定轨迹行驶。把铅垂平面的运动转化为水平面运动是个三维空间的运动转换，通用的曲柄摇杆机构不能完成三维空间的运动转换，因此必须采用双球型关节的连杆，使得水平与垂直方向的自由度都不受约束。最终实现了与滚筒轴连接的曲柄的回转运动转化为摇杆的水平运动，摇杆在水平面内摆动，使得前轮左右摆幅相同，实现了小车前轮的转向问题，且保证了传动的准确。

2 无急回特性曲柄摇杆机构存在的条件

根据定义 : 当极位夹角 θ =0 ° ，行程速比系数 K=1 时 ，曲柄摇杆机构无急回特性，即 θ = θ 1- θ 2=0 ，也可转换为 :

θ 1= θ 2 （ 1 ）

由曲柄摇杆机构的特点可知 : 当摇杆处在两个极限位置时，曲柄和连杆恰好处于共线位置，这就构成了两个三角形。

（ 2 ）

（ 3 ）

（ 4 ）

由公式（ 2 ）、 （ 3 ）、 （ 4 ）得到式可以得出结论：无急回特性曲柄摇杆机构存在的充要条件是曲柄与机架的平和等于连杆和摇杆的平方和。（ a 2 +d 2 =b 2 +c 2 ）因此，在调整转向半径时可调节曲柄摇杆的长度改变转向半径，也科比避免急回特性。

曲柄摇杆机构用曲柄摇杆机构来实现前轮的左右均匀摆动。

必须满足 φ 12＝180 ° 的条件。 按最小传动角设计行程速比系数k＝1( φ 12＝180 ° ) 的曲柄摇杆机构。（保证既没有急回运动，也能够使前轮实现 180 ° 的左右旋转）根据已知的 φ 12 、 ψ 12 及选定的最小传动角 γ min 及 β 角，然后查表及结合下列公式计算各构件相对长度。

（ 5 ）

（ 6 ）

（ 7 ）

3小车总体方案

依据上述设计，确定小车的总体设计方案。 ■

参考文献

[1] 濮良贵 , 陈国定 , 吴立言 , 等 . 机械设计 [M]. 第九版 , 北京 : 高等教育出版社 , 2013.

[2] 孙桓 , 陈作模 , 葛文杰 , 等 . 机械原理 [M]. 第八版 , 北京 : 高等教育出版社 , 2013.