陳銳

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建福州　350000）

　　摘　要：無碳小車是一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并用于驅(qū)動小車行走和轉(zhuǎn)向的裝置。近年來，無碳小車的設(shè)計與制作正逐漸拓展為地區(qū)性甚至全國性的機(jī)械設(shè)計比賽項目。本文以全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競爭中的“無碳小車”題目設(shè)計為例，介紹了該S型轉(zhuǎn)向運動無碳小車的初始設(shè)計方案，并針對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：無碳小車；S型轉(zhuǎn)向運動；設(shè)計；改進(jìn)

　　1　無碳小車設(shè)計要求

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

　　在比賽中，要求無碳小車在前進(jìn)時能通過S型^[1]轉(zhuǎn)向運動，自動避開賽道上按規(guī)則設(shè)置的障礙物。賽道上每間隔1m，放置一個直徑和高度分別為20mm和200mm的彈性障礙圓棒。Z后以小車行進(jìn)距離的遠(yuǎn)近和避開障礙物的多少來綜合評定成績。如下圖1為小車結(jié)構(gòu)及賽道示意圖。

　　2　無碳小車S型轉(zhuǎn)向運動的初始設(shè)計方案

　　根據(jù)競賽題目要求，首先對無碳小車進(jìn)行了初始設(shè)計。本文所設(shè)計的無碳小車采用了一級齒輪減速的設(shè)計方案，這種設(shè)計的小車特點是后輪直徑較大，車型較寬，在S型轉(zhuǎn)向運動時需要設(shè)計有較大的轉(zhuǎn)彎弧度，否則容易碰到障礙。但這種設(shè)計的優(yōu)點也很多，正是由于小車的后輪直徑較大，車型較寬，因此底盤可以設(shè)計在較低的位置，這就使得小車的重心低，穩(wěn)定性也較好，對賽道的適應(yīng)性強(qiáng)。

　　2.1驅(qū)動部分設(shè)計^[2]

　　考慮到一級齒輪減速比太大，會造成大齒輪直徑過大，使小車結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，因此小車后車輪直徑選擇為200mm。設(shè)定小車軌跡中線與小車?yán)硐胲壽E的Z大偏移量為0.3m，根據(jù)扇形計算公式計算得出小車沿弧線行走距離約為2.45m，小車每行走一個周期，后輪轉(zhuǎn)過的圈數(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。
　　小車轉(zhuǎn)彎時的差速問題，采用人力三輪車解決轉(zhuǎn)彎差速的方案。將兩個后輪中的其中一個作為動力輪，另一個作為從動輪，不增加任何附加機(jī)構(gòu)，比較適合于小車重力勢能有限的條件。同時，勢能轉(zhuǎn)換為小車驅(qū)動力是采取的雙滑輪轉(zhuǎn)換方式，使有限的勢能經(jīng)過細(xì)化得到更充分的利用。
　　2.2轉(zhuǎn)向部分設(shè)計
　　該無碳小車的后車輪與后軸，通過后輪支架緊固在小車底盤上。后軸與前輪中間還安裝有大齒輪、轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)盤支架、轉(zhuǎn)盤支承軸等組件。在支承軸上安裝有大齒輪和轉(zhuǎn)盤，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動傳遞給支承軸，然后支承軸轉(zhuǎn)動再帶動同軸的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)盤上半徑方向還有一滑槽，滑塊在槽中相對轉(zhuǎn)盤中心可調(diào)整半徑大小，以滿足前輪轉(zhuǎn)向角度的調(diào)整要求。
　　勢能轉(zhuǎn)換為小車驅(qū)動力過程，通過滑輪組轉(zhuǎn)換，并由線繩帶動后輪軸轉(zhuǎn)動。為了提高小車行走的路程，在設(shè)計中還盡可能的減少后輪軸繞線部分的直徑。經(jīng)過計算，后輪軸的繞線直徑選定為4mm，此時小車后輪軸得到的行走力矩M為：

M（后輪軸）=力×力臂=1000g×2mm=2gm　（1）

　　通過上述分析可知，該無碳小車后輪轉(zhuǎn)動3.9圈，行走弧長和直線距離分別為2.45m和2m時，可經(jīng)過1：3.9的齒輪副減速后，帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使前輪周期性左右轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)無碳小車S型轉(zhuǎn)向，并連續(xù)繞過障礙前進(jìn)。
　　3　對初始方案的優(yōu)化改進(jìn)^[3]
　　根據(jù)初始方案設(shè)計制成小車以后，在實際試車中仍發(fā)現(xiàn)了一些問題。為此，針對試車中的各類問題的出現(xiàn)，對原設(shè)計方案還進(jìn)行了一定的優(yōu)化改進(jìn)。
　　3.1小車在S型轉(zhuǎn)向運動中，前輪運行不穩(wěn)定
　　對原轉(zhuǎn)向部分的初始設(shè)計進(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題，導(dǎo)致前輪運行的不穩(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，而小車的車身則較容易進(jìn)行加工。因此在原設(shè)計方案中，將車身以過盈配合的方式嵌入了一個軸承，以解決軸與孔之間的間隙配合問題。
　　3.2發(fā)現(xiàn)碳鋼重塊的下降速度過快
　　從上文的分析可知，由于本文設(shè)計的無碳小車采用的是一級齒輪減速方案，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：為了解決這個問題，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，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)向運動無碳小車的初始設(shè)計方案，并針對原方案的不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)。該無碳小車?yán)矛F(xiàn)代工程原理，更著重于能量的有效使用，且前進(jìn)運行中穩(wěn)定、勻速。而且在優(yōu)化改進(jìn)后，通過多次實際試車證明，小車的轉(zhuǎn)向運動軌跡完全符合賽道的要求，相信能取得不錯的成績。
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來源：《南方農(nóng)機(jī)》2015年05期