基于不完全齿组合机构“8字形”无碳小车的创新设计

郝小峰,刘贾铉,张振军（西安石油大学　机械工程学院,西安　710300）



基于不完全齿组合机构“8字形”无碳小车的创新设计

郝小峰,刘贾铉,张振军
（西安石油大学机械工程学院,西安710300）

摘 要：针对2015年第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛的命题“无碳小车绕8字组”的要求，经过任务分析，初步选定几种可行方案后，通过进一步探讨了提高小车运行平稳的方法与措施,影响小车运行的平稳、运动换向机构、驱动及周期性转向等关键性问题, 为了提高了小车的运行精度, 最后选定了一种小车的结构参数及总体方案。实践表明，小车结构合理，运行轨迹符合“8字形”的要求，小车运行平稳，能量损失较少，设计方案正确，取得了不错的竞赛成绩。

关键词：无碳小车； 8 字行；结构设计；不完全齿轮

0　引言

本文主要介绍的是利用自身重力驱动的小车，也就是无碳小车，并且要求小车具有按照一定的轨迹转向的功能。小车在一定面积的平整桌面上，绕相距400mm两个障碍物沿8字型轨迹绕行，按照规定，小车要求可以成功绕开障碍物，同时绕的半径不能过大以防掉下桌面。障碍物为一定直径和一定长度的2个圆棒，相距要求的距离放置在桌面的中线上，完成的8字型圈数越多成绩越高。在比赛中同时设置有小车挑战赛，要求小车具有高度的可调整性。

1　任务分析

2015年第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛延续上一届的设计要求，即重力原动力自动换向无碳小车，相比于往届比赛，这一届比赛同时增加了更多的灵活性，要求小车具有高度的可调整性。小车是由驱动机构、齿轮机构、换向机构以及调整机构组成，在比赛中每一个机构都要高度协调一致，如果其中一个机构出现问题都会让比赛失败。其中最主要的部分必定是转向方案的选择和转向机构的调整方案，不同的转向机构其转向半径以及轨迹都不相同。

2　机构设计方案

小车的整体设计准则是结构简单，零件容易加工，传动方案合理，能量损失最小化，变向机构准确。

（1）主动轮分析。当小车在转弯时，后轮一定会产生差速，即两个后轮转速不一样，若采用双轮同时驱动，其中一个车轮必定会与地面产生滑动摩擦，导致轨迹发生变化，不能按照设计的轨迹前进。结合生活中常见的单边摩托车，我们想到了单轮驱动和将转向轮置于与驱动轮同侧的结合方案。这样可以有效的解决以上提到的问题，即小车的侧滑和偏移。但是，单轮驱动的唯一不足就是速度过快的时候容易失去平衡发生翻车现象。因此，将小车的重心置于靠近驱动轮的那一侧，可以有效解决这个问题，同时降低小车重锤的下落速度也很有必要；（2）驱动轮轨迹的确定。根据单轮驱动的设计原理，小车在运动中，小车的驱动轮必定绕的是一个规则的左右对称的图形。因此，在研究小车绕行轨迹的时候只需要研究小车的驱动轮的轨迹即可。但是，在小车运动轨迹模拟中，我们发现如果将转向轮置于小车的中线上，那么转向会带来极大的不便，如果假设左后轮就是驱动轮，那么左转时驱动轮在旋转半径内侧，右转时驱动轮在旋转半径外侧，所以轨迹与理论轨迹发生出入。所以我们为了避免出现理论计算的繁琐，我们将小车的前轮置于与驱动轮同侧的设计方案。根据轨迹模拟，证明这要的方案是可行的；（3）间歇机构的设计。无碳小车在物任何外界辅助的情况下可以按照8字型轨迹运动，其最主要的机构就是间隙机构。因此在选择间隙机构的时候我们仔细斟酌，机械结构中常见的间隙机构有：槽轮机构、凸轮机构、不完全齿轮机构等。经过对比我们选择了不常见的不完全齿轮机构，主要原因就是，不完全齿轮机构都有标准的国标，我们需要做的就是根据设计要求，选择合适的齿轮，这样为我们节省了很大一部分时间；（4）转向机构的设计。因为8字的左右是对称点，所以我们只要保证其中一半的轨迹是准确的便能保证小车的整个运动轨迹是正确的。考虑到小车的换向是周期往复运动，所以我们想到了利用不完全齿轮的停歇比来控制转向轮的换向时间，再通过齿条框将运动传递到前轮，使前轮发生一定角度且左右对称的旋转， 从而达到小车按预先设计轨迹进行周期往复运动的目的；（5）驱动机构的设计。齿轮有很高的传动效率，因此可以更高的提高小车能量的利用率。为了使重锤在下降过程中更大化的转化为小车前进的动力，我们选择了传动比为1比5,模数均为0.5的齿轮副作为小车动力的传递机构。为了减轻小车的整车质量，使小车走的更远，我们选择工程塑料作为小车齿轮的材料。而考虑到小车的启动阶段需要的动力较大，为了增大力矩，我们将绕线筒设计为一个锥形，避免小车无法正常启动的问题。

3　整车的设计与组装

小车最重要的部分就是底板了，为了加强小车的承载强度，减轻小车的重量，我们选择5MM厚的铝板作为车身架构，然后用细线绕过顶部的定滑轮连接在小车的主轴上，再用齿轮传动将动力传递到后轮上以驱动小车前行。通过计算得出，小车的后轮越大时，受到的摩擦力越小，再结合小车转向时的角度和转向的半径问题，最终计算得出主动轮D=152mm。转动机构通过一对停歇比为 1:3 的不完全齿轮齿条机构组合，使前轮达到周期往复换向的效果。

4　整车的模拟运动轨迹

经过前期的计算，我们已基本确定了小车的各个参数。运用SolidWorks将小车的各个零部件按照之前计算出的尺寸绘制出来，进行装配。再用插件进行模拟试验，并将发现的一些问题进行了修改。因为8字的左右两边是对称的，所以我们只需要保证其中一半的轨迹是准确的，便可保证整个8字的轨迹无误。

5　结束语

本次设计的小车通过重锤下落拉动主动轮运动，再用齿轮把动力传递给后轮，使后轮成为驱动轮带动小车前行。前轮换向时的角度是通过计算两个后轮的轮距与前后轴间距的比值得出，而换向的时间则是通过不完全齿轮的间歇比来控制的。通过不断优化和改进，最终本次设计的小车具有，整车质量轻，转向灵活，可调范围大等特点。 最终，经过不断的调试和修整，小车可实际绕8字3圈。

参考文献：

[1]濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计[M].高等教育出版社,2012.

[2]朱琳,机械制造工程学[M].中国石化出版社.

[3]邹慧君，殷鸿梁.间歇运动机构设计与应用创新[M].机械工业出版社,2008.

国家级大学生创新创业训练计划资助项目201410705020

作者简介：郝小峰（1994-），男，陕西榆林人，本科，研究方向：机械设计制造等。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.211