S型双差速无碳小车设计计算

王德超 邵 强 赵志强

(大连民族大学，辽宁 大连 116041)

1 拟定设计参数

2 运动设计

2.1 曲线轨迹总长

L=L1+L2+L3+L4

式2-1

L——曲线轨迹总长(mm)；

L1、2……——单段运行轨迹长(mm)；

图1 双差速驱动转换图

图中深色线条是驱动轮路径，在0点时驱动轮切换到另一侧。

2.2 驱动轮直径

式2-2

D——车轮直径(mm)；

L——曲线轨迹总长(mm)；

i——齿轮间传动比；

车轮尺寸设计要为躲障和抽取改变桩留有裕度，制造过程中各零部件间存在间隙，该间隙会使小车躲障距离小于设计参数。

2.3 车轮转过圈数

式2-3

n2——从动齿轮转过圈数(rpm)；

n1——主动齿轮转过圈数(rpm)；

i——齿轮间传动比；

Lz——设计距离(mm)；

3 动力设计

3.1 启动设计

主动轴启动力矩

m1Qmin=r×FQmin×i×ε

式3-1

m1Qmin——主动轴启动力矩(m/N)；

r——车轮半径(mm)；

FQmin——无碳车最小启动拉力(N)；

i——齿轮间传动比；

ε——阻力系数，与设计、制造、装配等精度有关，反应启动时实际阻力与理想测试数据之间关系，合理确定该系数，可使无碳车起步时不过多消耗动力，阻力系数根据制造经验选取，数值越大阻力越大，取值范围(1.0～2.0)；

3.2 行驶设计

主动轴行驶力矩

m1Xmin=r×FXmin×i×ε

式3-2

m1Xmin——主动轴启动力矩(m/N)；

i——齿轮间传动比；

r——车轮半径(mm)；

FXmin——无碳车最小行驶拉力(N)；

ε——阻力系数；

4 转向设计

根据实际情况，由于正弦或余弦曲线原理得，车轮在运行时，同一时间的运行轨迹长度不同，导致车轮在某段轨迹上只能是单轮驱动。理论上只有在π点位置时，小车的驱动轮才同时驱动，实际上该点应该称为“瞬点”，驱动轮从一侧转到另一侧的转换点，如图2所示。

图2 曲柄位置与双差速驱转换对照图

由此可得出：

曲柄在0、π位置时，小车处在“瞬点”位置，车身与转向轮处于平行位置，αb摇杆摆角为0°；曲柄在π/2、2π位置时，αb摇杆摆角为最大；为了减少转向机构计算变量，设计时将曲柄和连杆的运动设计在一个平面内，由于转向机构平面与曲柄所在平面呈90°，所以摇杆与曲柄和连杆也互为90°，因此小车曲柄、连杆、摇杆的运动便被限制在互为90°的两个平面内。曲柄、摇杆所在的平面称为“主动平面”，摇杆所在的平面称为“从动平面”，如下图所示。

图3 主动平面、从动平面示意图

4.1 转向机构摆角近似计算

确定小车运行轨迹的最大切角αg，计算从动平面内摇杆摆角αb达到最大时，摇杆的摆幅S。

摇杆最大摆角αb=轨迹最大切角αg

式4-2

图4 转向轴摆角、摆幅示意图

4.2 摆幅

S=L1×sinαb

式4-3

S——摆幅(mm)；

L1——摇杆长(mm)；

αb——摇杆摆角αb(度)；

Rq=S

式4-4

Rq——曲柄长(mm)；

S——摆幅(mm)；

4.3 摆差

式4-5

E——摆差(mm)；

L1——摇杆长(mm)；

αb——摇杆摆角αb(度)；

实际上连杆在运行中是在主、从两平面间相互切换的，如下图所示。

当轨迹切角αg为0时，摇杆最大摆角αb为0，连杆在主动平面内，并且为实长，同时曲柄、摇杆均在π/2位置。

4.4 连杆

图5 曲柄在π/2位置时，连杆在主动平面的摆角

式4-6

L——连杆长(mm)；

Rq——曲柄长(mm)；

a——轴间距(mm)，曲柄轴与转向轴间距；

当轨迹切角αg最大时，连杆与曲柄连接处在主动平面，连杆与摇杆连接处在从动平面。

4.5 补偿

当轨迹切角αg从0到最大时，因为摆动的原因，出现了摆差E，由摆差E产生了补偿δ(补偿采取近似取值计算方法)，该补偿为曲柄加连杆的总补偿δ，如下图所示。

实际中，摇杆想要达到摆角αz，需要分别增加连杆补偿δ1和曲柄补偿δ2。

图6 曲柄在0位置时，连杆在从动平面的摆角

4.6 总补偿

式4-7

L——连杆长(mm)；

E——摆差(mm)；

δ——曲柄和连杆的总补偿(mm)；

连杆补偿与曲柄补偿采用相似三角形比例法，分配补偿长度。

式4-8

B——长度比例(mm)；

L——连杆长(mm)；

Rq——曲柄长(mm)；

δ1——连杆补偿(mm)；

δ2——曲柄补偿(mm)；

4.7 连杆补偿

式4-9

δ1——连杆补偿(mm)；

δ——曲柄和连杆的总补偿(mm)；

B——长度比例(mm)；

式4-10

Ls——连杆实长(mm)；

L——连杆长(mm)；

δ1——连杆补偿(mm)；

4.8 曲柄补偿

δ2=δ-δ1

式4-11

δ——曲柄和连杆的总补偿(mm)；

δ1——连杆补偿(mm)；

δ2——曲柄补偿(mm)；

5 结束语

无碳小车的理论设计很重要，但不能过分追求无法定量计算的准确性，更应该强调适用性。再好的设计也必须要考虑能否被制造出来，以及制造精度能否满足要求。