“雙8字”型無碳小車結構設計

陳俊潤 陳顯揚

摘要：按照第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，以機械設計，機械原理為基礎知識設計出一種完全由重力勢能轉化成動能的小車裝置。本文主要從傳動機構、差動機構、凸輪、微調機構、繞線軸以及頂輪進行設計分析。

關鍵詞：“雙8字”;無碳小車;結構設計

0? 引言

第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽無碳小車命題為“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行無碳小車”。自主設計并制作一種具有方向控制功能的自行無碳小車，要求其行走過程中完成所有動作所需的能量均有給定重力勢能轉換而得，不可以使用任何其他來源的能量。該給定重力勢能由競賽時統一使用質量為1kg、總高度為89±1mm的標準砝碼（Φ50×65mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標準砝碼始終由無碳小車承載，不允許從無碳小車上掉落。

1? 設計思路

1.1 競賽要求? 要求無碳小車具有轉向控制機構，且此轉向控制機構應具有可調節裝置，以適應障礙物間距變化是的競賽。

要求無碳小車為三輪結構。其中一輪為轉向輪，另外兩輪為行進輪，允許兩行進輪中的一個輪為從動輪。具體設計、選材及加工制作均由參賽學生自主完成。

“雙8字”型賽道競賽場地為半張標準乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm），有3個障礙樁沿中線防止，障礙樁為直徑20mm、高200mm的圓柱體，兩端的樁至中心樁的距離為350±50mm，具體數值有現場公開抽簽決定。

無碳小車需繞中線上的桑障礙樁按“雙8字”型軌跡循環運行，以無碳小車成功完成“雙8字”繞行圈數的數量來評定成績。

1.2 思路分析? 競賽要求中明確指出小車在行走過程中完成所有的能量均只能通過重錘給定的重力勢能轉換得來，不允許任何其他來源的能量，小車在設計過程中應盡量做到結構簡單、剛性足夠、重量輕、能量損失少，能在重錘牽引繩索的拉動下自行啟動并以較為穩定的速度運行，小車行駛路程為“雙8字”曲線，重錘初始位置較高，需要考慮在轉彎過程中因速度過快導致重心偏移而出現的小車側翻的情況，故設計時應盡量降低底板高度和保證重錘下降高度為400±2mm時重錘的初始高度。

2? 設計方案

2.1 傳動機構

①齒輪傳動。小車采用一對齒輪傳動，其中小齒輪齒數為20，大齒輪為93，傳動比為1：4.65為簡化結構，減少因零件的增加導致的裝配誤差，將凸輪和齒輪分別固定在繞線軸的兩端，凸輪負責前輪的轉向，齒輪則將動力輸出給后輪，重錘重力通過繞線軸傳遞給大齒輪，大齒輪通過傳動比將力傳遞給后輪，后輪軸帶動主動輪轉動，使小車完成行駛。②差動機構。小車的行駛路徑主要為圓弧，小車在完成一個“雙8”軌跡行走時，兩個后輪所走過的路程是不一樣的，因此需要采用差動結構，即小車其中一個后輪為主動輪，另外一個為從動輪，主動輪帶動小車行駛，從動輪通過軸承固定在輪軸上，本身不具有動力，其作用為做差速與保持車車身的水平，這樣可以使小車在行駛過程中兩個輪子的轉動互不干涉，讓小車能夠穩定運行[1]。

2.2 轉向機構

①凸輪。因為凸輪固定在繞線軸上隨繞線軸一起轉動，然而我們小車的凸輪形狀較為細長，并且凸輪是自下向上方向運動的，在這種情況下若采用點接觸凸輪的設計，則勢必會導致凸輪厚重，而細長的凸輪形狀又會使得凸輪的重量分布不均勻，再重量集中的部分處于下方的時候難以上提，這時若增大繞線軸直徑則會使凸輪在經過最高點之后下降速度劇增，導致小車速度過快，容易在轉彎的時候側翻，而且速度的加快會放大小車在設計、調試過程中的誤差，累計誤差也會增加，軌跡偏移明顯增大，不利于小車的穩定行駛，因而采用質量對轉動效果影響較小的凸輪壓桿設計，將凸輪所需的厚度轉移到凸輪接觸的桿上，而桿固定在前輪轉向裝置上，只能繞前輪固定架所在軸線轉動，沒有上下運動，因而它們的重量對小車的運動速度影響效果較小，在這種方案下凸輪在不影響其效果的前提下厚度可以極大減薄，重量減小，同時因凸輪形狀帶來的質量分布不均對凸輪旋轉的速度影響也將大幅度降低，提高車的穩定性的同時能夠在一定程度上縮小繞線軸，提高小車行走的基礎圈數，同時，在于凸輪接觸的桿部分套上了2個相連間隙較小的直線軸承，雖然直線軸承主要用于直線運動，但適配尺寸的滾動軸承厚度低，并且在串聯在同一根軸的時候軸承間間隙大，對凸輪轉動會造成阻礙，對小車轉向裝置的轉動造成阻礙，進而影響小車運行軌跡，采用直線軸承雖然轉動流暢度不及滾動軸承，但也將凸輪與桿的接觸方式由滑動變為滾動，讓凸輪的轉動更為順暢[2]。

②車頭微調機構。將與凸輪接觸的桿部分固定在可前后移動的與前輪轉向裝置相連的調節機構上，調節機構采用3桿與前輪轉向裝置相接觸，其中兩邊為雙頭螺柱，與前輪轉向裝置接觸的位置為光桿部分，沒有螺紋，前后移動較為順暢，用螺母將兩個彈簧穿過螺柱壓縮在螺母與前輪轉向裝置之間的位置，彈簧有恢復彈性形變的趨勢，會將螺母往小車視角的前方推，方向與凸輪上提推動的方向一致，中間的桿采用M3長內六角螺絲作為推動桿，通過在前輪轉向裝置內部固定的螺母，螺絲前后的位移就會帶動凸輪接觸桿的前后移動，M3螺絲的螺距較小，給微調裝置提供的足夠的調節精度和調節分度，調節需要用螺絲刀旋動螺絲。

2.3 轉換機構

①繞線軸?！半p8”路徑為一定值，無碳小車在行駛過程需做到避免與障礙物碰撞的同時經可能多的完成“雙8”圈數，采用此凸輪結構時，繞線軸每旋轉2周，小車完成一次“雙8”軌跡[3]。將定義無碳小車行駛的圈數為總圈數A，b為頂輪比例：A=a×b

其中繞線軸的直徑直接決定基礎圈數a：

②頂輪。小車繞線的頂輪采用同心大小輪結構，即頂輪具有多層，其中定最小層的直徑為基礎，重錘牽引線在此輪上，其余層直徑則與最小層直徑成比例b，繞線軸的牽引線繞在比例層，結構類似于滑輪組，卻可以避免動滑輪自身重力帶來的影響，將1000N的重力按比例縮小為牽引力

比例輪直徑與最小直徑的比值b需根據啟動繞線軸所需最小牽引力確定，根據實際調試情況可適當增大（減?。゜值，從而適當減小重錘的輸出力，同時按比例增加繞線軸繞線的長度，即當b值為2時，重錘每下降1mm則會放出2mm的線，從而按比例增加小車的基礎圈數（基礎圈數為400mm的線繞在繞線軸上的圈數/2），經過多次實地實驗，我們決定將大輪直徑與繞線層輪直徑比確定為1比3.5～4.5，在實際行走時可根據桌面或地面不同的摩擦選取適合的比例，能夠靈活的適應不同場地，從而能保證在不同場地的行走并且能夠獲得在該場地的最佳圈數。

3? 結論

小車的設計的基礎在于傳動比、主動輪直徑和凸輪設計，以凸輪旋轉2圈為一個周期，根據避桿行駛的最佳路徑測算出小車行走一個“雙8”的總路程，再將其通過傳動比反推得出主動輪直徑，完美的凸輪設計可以讓小車行走的軌跡完全包含桿距離為300-400mm的情況，我們得出的結論是：小車能否有行進路徑的最佳解，主要在于凸輪設計是否合理，微調裝置的主要作用在于調整設計和裝配誤差帶來的軌跡偏移，而非運動軌跡的調整;在小車的設計和制造過程中發現，理論計算值與實際成品的實驗現象存在一定的誤差，為了使小車能夠達到預期行走軌跡，首先完全根據理論的計算值制作出小車的第一代成品，通過反復測定結構的穩定程度和行走軌跡調試，對小車的結構與凸輪進行修改，以提高小車結構和行走多圈“雙8”的穩定性，因為需要最大限度的減小小車的重量，所以即使是密度較小的PLA材料制作的打印件，也盡可能的對其進行鏤空，鏤空零件帶來的效果除了減輕重量外，零件的強度也會在一定程度上受到影響，因此還不乏對小車零件進行暴力測試，以檢驗其結構強度，通過其對零件的可靠性進行評估，以獲得最理想（強度符合需要，重量最輕）的零件，通過小車頂輪的多層大小輪結構，我們可以根據場地材質的不同調整重錘的力輸出，從而使小車能夠適應不同材料的場地，同時獲得在該種材料場地的最佳圈數。

參考文獻：

[1]曾東湖，何欣雨，柏天宇.雙8字軌跡無碳小車的結構設計[J].內燃機與配件，2019（03）：224-226.

[2]敖東，唐欣，孫亞平，章環，黃式賢，藍健.無碳小車雙“8”字形軌跡結構設計[J].裝備制造技術，2019（04）：100-103，111.

[3]王相楠，周浩.雙8字形軌跡無碳小車的設計與仿真[J].內燃機與配件，2019（19）：118-121.