“双8”字无碳小车的设计与分析

河北农业大学机电工程学院 李永浩 吕文兴 杜小康 邓国雨 李朝亮 张艳茹

关键字：无碳小车；轨迹；传动设计

引言

“双8”字无碳小车作为第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的项目之一，仅靠1kg 碳钢锤的重力势能驱动小车避障行进，对于小车的创新设计提出了较高的要求。

1 设计思路

依照竞赛命题，小车设计成三轮结构，后轮驱动、前轮转向，转动凸轮连带前轮连杆实现周期转弯。小车行走动力依靠重物牵引细线直接获得，采用多齿轮啮合实现后轮作为驱动轮。牵引细线经过顶部变比定滑轮缠绕在增速轴上，细线的拉力转换成扭矩，通过一级增速驱动后轮轴转动，两后轮采用超越离合器实现差速，驱动小车前行；前轴依靠锥齿轮转动，实现转向与行走周期的无级传动；锥齿轮轴与前主轴垂直，外部安装有凸轮，通过推动前轮连杆，带动前轮做周期性转动，实现小车双8 字曲线行走避开障碍物；通过调节连杆伸出的长度来改变前轮的摆动角度，进而调节前轮转向角度以适应距离的桩距；通过百分尺精确调节转向杆长度与前轮角度保证小车行走轨迹的对称中心线为障碍物连成的直线。在保证结构刚性的前提下，尽可能减轻车重，减少运动部件摩擦，尽量采用简洁稳定的传动链确保小车的稳定性，提高小车的行走距离。设计过程中尽可能采用标准件如滑轨滑块，轴承，高精度测量工具如百分尺、游标卡尺来提高小车运行可靠性及微调精密度。

2 小车出发定位方案

利用发车架作为小车每次绕桩发车的基准，从而确定出发位置：发车架上角尺部件用于前进方向直线定位，使其与障碍物所在直线平行；通过直尺测量发车架基准点到发车线以及与侧轮与障碍物所在直线的距离，确定位置后发车架固定不动；通过改变发车架上百分尺的刻度来确定不同桩距下小车的发车角度。通过T 形挡铁贴住转向导杆，确定整车传动机构的发车起始位置。

3 数据计算

3.1 传动设计数据

各级传动比：

变比滑轮i1=1.5；大齿轮到小齿轮i2=3.75；

砝码下降长度（mm）/小车行走长度（mm）：400/60000

小车最大理论行走长度：

S=(400×2)/（6×3.14）×i2×（160×3.14）=60000mm=60m

小车距出发线最大理论距离：

小车距出发线最大理论距离=S/1.57=34m

3.2 转矩设计数据

各级转矩及摩擦力矩分析：

设小车最终驱动力矩M，重锤质量m=1kg，G≈10N，取铝合金齿轮传动效率η=0.96，变比滑轮传动比i1=1.5，齿轮传动比i2=3.75；绕线轴驱动力矩：

M1=G×Φ/2×i1=10×6/2/1000/1.5=0.02N·m.

经一级齿轮传动后传动轴驱动力矩：

M2=G×Φ/2/i2/i1×η1=10×6/2/1000/1.5/3.75×0.96=0.005 N·m

滚动摩擦系数为f=0.01 后轮半径R=80mm 重心距后轮x=70mm，轮距l=170mm，则：

F=Gf(l-x)/l=15×0.01×(170-70)/170=0.088N.

4 结构设计创新

每一个轴上都装有滚动轴承，可以减少摩擦，保证运动的流畅性和准确性。

后轮作为驱动轮，制作应稍粗糙，重锤尽量压于后方，增大与地面的摩擦力，以便有足够的驱动力驱动小车前进，同时保持小车的稳定。前轮摩擦应尽量减小，且轮宽较小，转向灵活；后轮差速对小车转向影响较大，所以后轮尺寸大小并不相同，主动轮尺寸相差较大；后轮主动轮转弯时角度与尺寸都不相同，为了减少误差，前轮安装在了小车的一侧；前轮的转向支撑杆垂直，可以灵活转动。

5 总结

本无碳小车结构设计合理，传动机构调整方便，实现了命题要求。采用摩擦副结构实现了精确调整，而且通过摩擦轮预压力大小可以微调小车整体的运行阻力以控制小车速度。通过标准件以及测量工具的灵活运用和小车的整体制作过程，增强了自身的动手能力。