基于不完全齿轮的“8字型”无碳小车设计

2018-06-07蒋冰瑶陈佳慧吕天渔

现代工业经济和信息化 2018年5期

蒋冰瑶，陈佳慧，吕天渔

（武汉商学院机电工程与汽车服务学院，湖北武汉 430056）

引言

第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题“8字型”小车的命题要求有两点。第一，小车完全由重力势能驱动，通过车上悬挂的砝码下落获取动能从而推动小车运动；第二，转向周期的合理控制，如果周期不合理，则很可能导致轨迹的变化，使小车呈现不规则的运动轨迹。以往的“8字型”小车比赛中，参赛作品多使用凸轮、槽轮等机构完成转向，曹斌等使用了槽轮间歇机构完成小车转向周期的控制[1]，武汉商学院姜峰等使用凸轮机构来完成小车的轨迹设定。这两种机构都不可避免地存在制作工艺方面的问题，槽轮间歇机构核心在于槽轮，对与之连接的几个零件都有着较高的加工精度要求；而凸轮机构的问题则在于凸轮轨迹难以计算，同时也有着较高的精度要求，故不选择以上两种方式，而是独辟蹊径地选择了不完全齿轮结构作为小车结构方案。齿轮传动较为精确，从动轮运动较为平稳，承受能力也更强。设计合理的不完全齿轮机构能较好地完成“8字型”轨迹的要求，同时也是小车的核心与创新设计之一。

1 小车设计流程

小车的结构是决定其稳定性、可行性的重要因素，因此结构设计是重中之重。首先，通过对命题的分析，选择合理的结构，其次则需要考虑小车零件材料、加工工艺、制作成本等问题，为响应低碳环保的号召，应力求节省与低耗，做到既有创新又能实现功能。在参数设计与确定方面，采用数学建模的方法，通过函数来确定各项参数的方式，这样设计出的结果各项参数都较为精确，能更好地满足要求。图1为小车设计流程图。

图1 小车设计流程

2 方案设计

2.1 设计纲要

根据比赛要求，小车依据节能减排、低碳环保理念进行设计，为了方便设计，将其划分为多个模块分别进行设计与评估，几个模块分别为：底板、能量转化机构、转向机构、传动机构、微调机构[2]。设计时始终坚持的原则：车重心要低；结构尽量简单；传动件数少；质量小；振动小；操作、调整方便灵活[3]。图2为设计框架图，通过框架图的形式可以更直观地看到小车各个零件的配置，有利于后期的对比调试工作。

图2 设计方案

2.2 小车轨迹及车长车宽的确定

第一步，初定传动比为1∶8，轮距120 mm，车长90 mm[4]。

第二步，根据障碍物桩距初定小车驱动轮运行轨迹，如图3所示，整个8字运行轨迹路程约为1 263.07 mm[5]。

图3 轨迹示意图

第三步，预计小车能够跑40个“8”字轨迹，结合传动比及驱动轮运行轨迹图得出驱动轮直径ψ。

1）各级传动比：

一级齿轮6∶1；一级摩擦轮2∶1；一级不完全齿轮1∶1；

2）砝码下降长度（mm）/小车行走长度（mm）:

重物下降高度400 mm；绕线轴为Φ6；

重物下落绕线轴旋转400/6π=21.23圈；

因为齿轮传动比为8∶1，所以驱动轮旋转n=21.23×8=169.84圈

3）初定小车能够走95个“8”字轨迹

则小车最大理论行走长度S可以得出：

理论最大行走长度为

S=95×1 263.07=119 991.96 mm

2.3 小车传动及转向尺寸设计

1)当小车传动机构处于水平位置时，如图4所示，点A为小车前轮中轴与曲柄连接点，点B为曲柄与连杆连接点，点C为摇杆与连杆连接点，点D为摇杆中轴点。先设定车长OA=L，OD=W，设AB（曲柄）=x，DC（摇杆）=y；由图3可得BC的长度M=

图4 水平位置示意图

2)当小车传动机构处于向左偏转最大角时，如图5所示，B点坐标为B（xcosα，L+xsinα），C点坐标为C（x，y），得到 BC=M 为

图5 向左偏转最大角示意图

3）当小车传动机构处于向右偏转最大角时，如图6 所示，B 点坐标为 B（xcosβ，L-xsinβ），C 点坐标为C（x，-y），得到

图6 向右偏转最大角示意图

4）根据小车既定轨迹及预计偏角得α=β取α=β=Q；

由式①及式②得由式②及

综合以上两式得到x，y和W之间的关系式W=

他们之间的关系图标如图7所示，B点坐标为B（xcosβ，L-xsinβ），C 点坐标为 C（x，-y）得到 BC=M

图7 x-y-w关系示意图

3 加工制作

3.1 底板

由于小车整体质量不大，底板所受载荷较小，且对于底板的精度无特别要求，考虑到成本、减重及强度的要求，选用7075铝合金制作厚度为3 mm的车底板，如图8所示。由于没有特殊的精度要求，可选用边角料进行制作，实现了材料的充分利用。

3.2 能量转化机构

能量转化机构（见图9）的作用在于将砝码下落的重力势能转化为小车的动能，根据比赛规定，砝码下端距离车底板的高度不得小于400 mm，考虑到砝码固定装置的高度，最终确定支撑杆高度为465 mm，同时，由于将定滑轮的滑轮部分放置在上端固定盘下方将导致支撑杆过长，影响小车稳定性，故将定滑轮放置在固定盘上方。由于车底板较长，在放置支撑杆的位置有较大活动空间，故对于采用三根或四根支撑杆产生了讨论，最终选定稳定的三角形结构。杆的强度要求不高，因此选用了较为实惠的塑料直杆。上端固定盘采用3D打印制作，滑轮由于精度要求较高，采用铝合金制作，并在绕线处进行了抛光处理，以减小摩擦力。为保证砝码的顺利下落，需要将绕线轴与滑轮固定轴在竖直方向上错开一定距离，同时还要考虑绕线轴套的尺寸问题，由于小车启动需要较大力矩，故采用锥形绕线轴套，这样的结构还能在运动过程中对小车的驱动力进行调整，避免因惯性导致翻车等情况，一定程度上对车体进行了保护。

图9 能量转化机构

3.3 转向机构

转向机构（见图10）是“8字型”小车的核心，它与s型小车的区别也正体现在转向机构。由于转向周期的不同，“8字型”小车需要特殊的转向机构，一般选取简谐运动机构作为转向机构设计基础，如利用凸轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构与曲柄摇杆机构的组合来实现转向设计，这三种方式各有各的优势，也都存在一定程度上的缺陷。三种机构对制作工艺的要求都较高，这也同样对应着较高的制作费用，尤其对于凸轮机构，不仅存在着高制作费用的问题，还有着轨迹难以计算的问题，稍微有一点计算上的错误都可能导致凸轮成为废品，因此该方案首先被排除。而对剩下两种方式的选择，则通过实际检验完成，在分别设计制作两种机构之后发现，采用槽轮机构的小车在刚开始运动时需要较大的驱动力，而如果难以达到较高的制作精度，砝码的掉落很难带动小车运动，相对的，不完全齿轮机构对于启动驱动力的要求就小了很多，齿轮也比槽轮要更易制作，故最终选择不完全齿轮机构[6]。

图10 转向、传动机构

同时还选用了锥齿轮来带动不完全齿轮，首先在水平方向上设定两个轴，一个放置绕线轴套，另一个放置与其啮合的齿轮和水平锥齿轮，增大传动比的同时带动与水平锥齿轮啮合的竖直锥齿轮运动，同样通过同轴，竖直锥齿轮带动不完全齿轮，将运动从水平方向传递到竖直方向，同时保证传动的精确性。

3.4 微调机构

为适应不同的桩距，需要为小车配置轨迹半径调节机构，由于可能出现微小调节却导致轨迹发生较大变化的情况，故采用微调节机构，该机构可将每次调节通过数据的形式反映出来，供给参考，同时也避免了因人手误差大导致调节过度的情况，在有标尺的情况下，可总结出一套固定的调节方法，在应对不同的桩距时可以在较短的时间内完成调节工作[7]。

考虑到将整个微调机构安装在底板上方可能会导致转向时转向杆与支撑杆的干涉，将微调机构放置在底板下方，这就要求车底板距地面有一定的高度，同时也对两个轮子及固定轴的轴承座的尺寸有一定的要求，为了保证运动时不会出现干涉等情况，在一开始就对整体尺寸进行了预估。首先通过对轨迹半径的假定定出传动比，如下页图11所示，进而确定了小车的驱动轮直径，根据以上三点确定出几个传动齿轮的模数等基本参数之后，即可计算得出转向杆的长度，从而定出底板长度，同时，根据齿轮参数的确定可定出轴承座的高度，将其与转向杆直径等参数进行比对，得出底板距离地面高度，完成微调机构的大致设计。