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1、S形轨迹无碳小车的结构设计摘要：针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目,设计一辆通过重力驱动的纯机械结构的无碳小车,且小车具有周期性越障功能.通过所学知识,设计并制作该小车,参加比赛.设定不同的参数,借助工程软件MATLAB对小车的轨迹进行仿真计算.通过分析,设计出一辆满足比赛要求的小车.并且通过调试证明,小车能够稳定行驶,具有较高的可靠性.关键词：无碳小车 越障 轨迹 仿真 0前言本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于S形轨迹的要求,设计并制作了一种将重力势能转换为动能,并且按照S形轨迹稳定前行的无碳小车.小车为三轮结构,前轮为方向轮；后面一轮为驱动轮,一轮为从动轮.小车具有
2、可调节的转向控制机构,以适应700-1300mm间距的不同间距障碍物.1小车结构设计本文把小车的机构分为：原动机构、传动机构、转向机构、微调机构与车身.除了轴承、螺栓螺母等标准件可以直接选用外,小车的其余部件均使用LY102铝合金制作.本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调,满足强度要求、实现不同距离的越障功能.下面是各个机构的设计：1.1原动机构设计原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能,从而驱动小车前进和转向的机构.重物是1kg的标准砝码,重物周围是三根均布的钢管,从而约束重物的自由度,使重物直线下降,减少了能量损失,保证了小车重心的稳定性.重物通过尼龙线绕在小车的绳轮上,在下降的过
3、程中,带动绳轮的转动,实现了能量转换.在实际测试中,证明了该结构简单、能量转化率高、成本低等特点.1.2传动机构设计传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽,本文设计的小车的传动机构由后轮、一级齿轮、与其相关零件组成.由于小车具有转向的功能,为不干扰小车的转向,后轮采用差速连接.小车的右后轮为主动轮,左后轮为从动轮.主动轮与传动机构相连,驱使小车的运动,从轮轮用轴承空套在后轴上,跟随小车的运动.为了适应不同间距越障,同时增大小车行驶的距离,我们采用多组齿轮啮合的方式,将700-1300mm的间距大致分为三组：700900mm,9001100mm,11001300mm.分组后可根据不同障碍物
4、间距,对应着不同组齿轮的啮合,从而调整越障的幅度.与单组齿轮传动相比,这种传动方法越过的障碍物更多,行走距离更远.下图是传动机构的齿轮分布图,通过移动后轮轴上的齿轮组,则可以切换不同组齿轮的啮合.图3 传动齿轮分布示意图根据本文设计,两后轮轮距为150mm,且后轮的直径为150mm,且保证小车最逼近障碍物时的安全距离,即最小振幅为200mm.下面是三组齿轮啮合的具体计算：在间距为700900mm时,以满足最大桩距900mm,且轨迹曲线为余弦曲线,取x为小车轨道中心线位移,y为小车偏离中心线位移,单位为mm,则有对弧长进行积分得,通过计算,当弧长为2002mm时,最大振幅是330mm,此时桩距为
5、700mm.在间距为9001100mm时,以满足最大桩距1100mm,则有对弧长进行积分得,在间距为11001300mm时,以满足最大桩距1300mm,则有对弧长进行积分得,因为我们利用线切割特种加工齿轮,齿轮的模数可以是非标准模数,故针对以上三组数据,结合后轮的直径与一个周期轨迹的弧长,得到三组不同的传动比,计算得到；1.3转向机构设计转向机构是小车的关键机构,是小车前进过程中实现周期性运动的重要保证.我们采用了空间曲柄连杆机构,实现了小车在行驶过程中,前轮左右周期性的转动.该机构结构简单,稳定性较高,连杆之间使用球铰连接,摩擦阻力较小,方向轮叉架与车身采用了推力球轴承和一对法兰轴承,减小转
6、弯过程中的摩擦阻力,提高转轴的同轴度,保证了转向机构的稳定性和可靠性.图6 转向机构示意图下面是转向机构的杆长设计计算：根据后轮轮距为150mm,则取曲柄与车中心线距离为,且与转向轮连接的摆杆长度也为,同时转向轮间与后轴的距离为,根据小车运动轨迹,计算小车的最大转角为桩距为700mm时的转角,通过计算在桩距为700mm时,轨迹公式为,根据质心处转弯半径与前轮转角的关系为,为前轮的转角根据小车轨迹在计算小车的曲率半径为,得,转角.此时对应曲柄和连杆的最大合长度.通过计算得到最大合长度,且连杆长度与曲柄长度分别达到各自的最大值,且根据长度关系,得.同理计算小车在桩距为1300mm时的最小转角.通过
7、轨迹和曲率半径公式,得,转角.此时对应曲柄和连杆的最小合长度.通过计算达到最小合长度为,且曲柄和连杆分别达到各自的最小值,根据长度关系,得.综上,连杆长度,曲柄长度,单位为：mm.为本文加工零件提供了参数,同时也为调试时,提供了连杆长度和曲柄长度的范围.方便了后期的调试.图7 转向机构三维示意图1.4微调机构设计微调机构是小车柔性的体现,调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距.无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调.曲柄的长度控制的是小车行驶的周期即桩距,曲柄长度越长,周期越短,即适应障碍物的间距越短.连杆的长度控制的是方向轮左右转角多少有关.根据轨迹对称性,所以要调整连杆的长度,
8、使左右转角尽可能相等,否则轨迹就会偏离赛道,这决定了小车绕桩的情况.所以曲柄长度和连杆长度的调整恰当与否是比赛时的关键.因为轨迹线对两者长度非常敏感的,所以要精确的调试两者的长度.本文使用的是类似丝杠的机构,用带螺纹的的连杆和曲柄,并用螺母锁死.调整时拧松螺母,旋转螺栓,改变长度,这样可以比较精确的调整曲柄和连杆的长度,提高了小车的可靠性.1.5车身车身是一切机构得以实现的载体,其主要承受的是重物的压力和地面对车轮的反作用力.为了满足强度,本文采用3mm铝合金板,对不承受力且不影响强度的地方,采取镂空处理.2结论本次设计的小车的创新之处在于能适应不同的间距,采用不同传动比的齿轮啮合,减小了行驶
9、过程中的运动幅度,从而使小车行驶的距离更远.并且通过类似丝杠的微调机构,通过拧螺丝的方式调整曲柄和连杆长度,从而更加方便、精确地调整小车的行进间距.本文加工出了较高精度的零件,装配后进行了调试.实际应用结果表明,设计加工出的小车具有较高的稳定性与可靠性,满足比赛要求.参考文献:1王斌.无碳小车的创新性设计J.#大同大学学报,20122.2杨明忠,朱家诚.机械设计M.武汉理工大学.2013.3白雪,唐鹏达.机械传动无碳小车的设计构想J.工业设计,20118.4赵登峰,陈永强,邓茂云,机械原理M,西南交通大学,2012.5杜志强.基于MATLAB语言的机构设计与分析M.#科学技术,2011:118-120
