工程训练大赛无碳小车的研究

周 威

(东北电力大学工程训练教学中心，吉林吉林132012)

根据第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的主题，设计基于齿轮齿条传动的无碳小车。大赛设计要求:驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。如图1所示。该给定砝码重力势能为4 J，要求砝码的可下降高度为400±2 mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。竞赛小车在前行时能够自动绕过赛道上设置的障碍物［1］。障碍物为直径20 mm、高200 mm的圆棒，沿赛道中线等距离摆放，如图2所示。由于这项赛事已经在全国各大高校开展了四年，老师和学生都在这项赛事中得到充分的锻炼，取得了学校师生的高度认可。所以，多年来学校科研团队对这项赛事的命题进行研究，取得了一些成果。

图1 无碳小车示意图

图2 无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图

1 设计思路及方案

1.1 整体结构设计

为了降低小车穿越障碍时刮碰圆棒的概率，并且尽量减小车体的质量。小车的宽度设计变窄，将小车制造的材料选用铝材料。防止重心太靠前造成小车前轮转动困难，导致小车无法启动运行，将重物下落位置设计在两个后轮轴线稍微靠前的位置［2］。提高小车转弯时的稳定性，将小车的底座设计靠近地面。

1.2 驱动结构设计

小车驱动绕线部分:利用重物下落的重力势能，通过细绳带动绕线轮转动转变成动能。为了减少动能损耗提高传动效率，减少加工难度和装配难度，绕线轮带动一级齿轮传动。要使小车运行距离增长，绕线轮直径要小。绕线轮上要加一个直径大于它的启动轮，确保小车启动时可以得到足够的动能运行。

小车驱动部分:采用一级齿轮传动形式。小车后轴承座安装差速器进行小车运行差速功能的实现。模数m=0.5，传动比1∶6。小车驱动轮机构采用差动轮系，以减小转弯时驱动轮打滑产生的能量损和过大的行走误差。

根据大赛要求模拟画好小车行走图，近似认为是正弦曲线轨迹，根据小车设计宽度120 mm及小车行驶绕过障碍柱子的余量间隙80 mm。得出:小车正弦轨迹的振幅为A=10(障碍柱半径)+80(余量间隙)+60(小车一半宽度)=150 mm;周期T=2 000 mm。

则利用曲线积分公式得到半个周期曲线的长度为:

设计按照模数:m=0.5，齿轮传动比1∶6，设计出大齿轮齿数为Z大=120小齿轮齿数为Z小=20。计算要求小车前行1 056 mm时转向轮转向一个方向，根据小车的行走轨迹，当后轮转动3圈计算驱动轮直径为:D=1 056÷3.14÷3=112 mm。由已知驱动轮轴的小齿数20，大齿轮齿数120，计算出齿轮轴转动圈数为:N=20×3÷120=0.5圈。后轮每转动3圈，大齿轮转动0.5圈，转向轮转一个方向，正好符合设计要求。

图3 传动示意图

1.3 小车转向机构

小车转向机构采用齿轮齿条和滑块机构相结合。利用在大齿轮上连接一个滑块，改变滑块位置起到改变偏心位置的目的。滑块相对一个滑道在上下方向移动，而滑道则进行直线的前后方向移动。滑道前后方向移动推动齿条移动，从而达到齿条带动半个齿轮转动，齿轮带动前轮实现左右转动，传动示意图3所示。

根据大赛要求，设计的小车多以S形路线进行周期转向。这种以齿轮齿条和滑块机构相结合的设计要优于曲柄摇杆机构和凸轮机构。曲柄摇杆机构虽然设计制造简单方便，但是转向不稳定性是在原理上无法解决的问题［3］。凸轮机构转向虽然准确，但是计算轨迹非常困难，难有成功的竞赛队伍，而且小车制造精度要求特别高。齿轮齿条和滑块结构结合的设计，不但运行精度高，而且制造工艺比凸轮机构简单，所以采用这种方式实现小车转向是一个合理的选择。

2 小车重要部件工艺分析

保证小车平稳准确运行除了巧妙的设计，还有合理的制造工艺安排。小车上的构件非常多，后轴承座是小车上重要的构件之一，其工艺简图图4所示。

后轮轴承座的精度要求较高，其与轴承配合的孔必须保证同轴度。所以采用一次装夹、钻孔、铰孔，并用线切割切开轴承座上半部分，用螺丝连接。这样做是在保证轴承孔与轴承密切配合，同时不用加工台阶孔［4］。工艺上涉及到交叉孔的加工，根据加工工艺原则先加工螺纹孔，后加工轴承配合孔。

图4 工艺简图

2.1 基准选择

根据“粗基准”选择原则和结构工艺分析可知，对于单件小批量生产，铣件时以第一加工表面为基准［5］，所以轴承座以第一步加工的大平面为基准平面，并用压板定位装夹加工四周轮廓以及上表面。

2.2 工艺路线

后轴承座加工工艺步骤如下:

(1)选料:选择毛坯;

(2)铣床:铣基准面，并以此为基准铣外轮廓;

(3)钻床:钻螺纹孔攻丝;一次装夹，钻轴承配合孔、铰孔;此步骤最为关键涉及到交叉孔的加工，必须先加工螺纹孔然后加工轴承配合孔，反之若次序颠倒，钻螺纹孔的时候极易断刀，还保证不了垂直度。另外6个φ2.5深孔由于丝锥长度不够不能完成攻丝，这6个孔放到步骤五之后攻丝。

(4)铣床:铣减料区域;

(5)线切割:线切割轴承配合孔，分成上下两个配合盖;

(6)攻丝:步骤五中工件被切开后用M3丝锥对工件下半部分6个φ2.5孔进行攻丝。

3 小车运行效果

按照小车设计图纸加工组装小车，通过反复探索试验，调整小车的运行状态。最终实现重物下落400 mm时候绕线轮转动20.53圈，根据大小齿轮传动比1∶6，后轮Φ112 mm转动圈数为120.23圈，重量块下落过程中，加上惯性等因素，小车最好成绩是小车行走41 m，绕柱36个。

4 结 语

本文所设计的小车，利用齿轮齿条和滑块替代杆传动或凸轮传动，实现转向功能。新的设计解决了杆传动本身无法改变的运行缺陷，同时保留了杆传动加工、运行方便的优点。由于车轮与地面之间的摩擦系数无法解定，所以小车内部传动系统仍然需要微调，保证小车运行的准确性。总之，新设计的小车，设计新颖、结构简单，加工和装配小车零件的难度下降，这些都顺应未来无碳小车设计的发展趋势。

［1］季元进.利用变心齿轮传动的无碳小车的机构创新设计［J］.机械设计，2014，31(4):71－75.

［2］付大鹏.基于离心泵半开式叶轮的五轴数控加工技术研究［J］.东北电力大学学报，2013，33(3):47－49.

［3］邹光明.基于不完全齿轮齿条机构的小车转向系统研究［J］.机械工程师，2014(1):120－122.

［4］傅水根.创建有中国特色的工程实践教学体系［J］.中国大学教学，2004，(7):24－26.

［5］杨英杰，钦鹏明.一种改进的GPS微弱信事情捕获算法［J］.东北电力大学学报，2013，33(5):57－60.

［6］冯国亮，于天暝.超声波检测系统的前端电络设计［J］.东北电力大学学报，2012，32(3):83－87.