S形轨迹无碳小车的结构设计(1)

S 形轨迹无碳小车的结构设计 摘要 针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目 设计一辆通过重力驱动 的纯机械结构的无碳小车 且小车具有周期性越障功能 通过所学知识 设计并制 作该小车 参加比赛 设定不同的参数 借助工程软件 MATLAB 对小车的轨迹进 行仿真计算 通过分析 设计出一辆满足比赛要求的小车 并且通过调试证明 小 车能够稳定行驶 具有较高的可靠性 关键词 无碳小车 越障 轨迹 仿真 0 前言 本文针对第四届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于 S 形轨迹的要求 设计并制作了一种将重力势能转换为动能 并且按照 S 形轨迹稳定前行的无碳 小车 小车为三轮结构 前轮为方向轮 后面一轮为驱动轮 一轮为从动轮 小车 具有可调节的转向控制机构 以适应 700 1300mm 间距的不同间距障碍物 1 小车结构设计 本文把小车的机构分为 原动机构 传动机构 转向机构 微调机构与车身 除了轴承 螺栓螺母等标准件可以直接选用外 小车的其余部件均使用 LY102 铝 合金制作 本文的设计目的是使小车各部分的尺寸协调 满足强度要求 实现不同 距离的越障功能 下面是各个机构的设计 1 1 原动机构设计 原动机构是利用重物下落时的重力势能转化为动能 从而驱动小车前进和转 向的机构 重物是 1kg 的标准砝码 重物周围是三根均布的钢管 从而约束重物的 自由度 使重物直线下降 减少了能量损失 保证了小车重心的稳定性 重物通过 尼龙线绕在小车的绳轮上 在下降的过程中 带动绳轮的转动 实现了能量转换 在实际测试中 证明了该结构简单 能量转化率高 成本低等特点 1 2 传动机构设计 传动部分是原动机构和小车主动轮动力传递的枢纽 本文设计的小车的传动 机构由后轮 一级齿轮 及其相关零件组成 由于小车具有转向的功能 为不干扰 小车的转向 后轮采用差速连接 小车的右后轮为主动轮 左后轮为从动轮 主动 轮与传动机构相连 驱使小车的运动 从轮轮用轴承空套在后轴上 跟随小车的运 动 为了适应不同间距越障 同时增大小车行驶的距离 我们采用多组齿轮啮合的 方式 将 700 1300mm 的间距大致分为三组 700 900mm 900 1100mm 1100 1300mm 分组后可根据不同障碍物间距 对应 着不同组齿轮的啮合 从而调整越障的幅度 与单组齿轮传动相比 这种传动方法 越过的障碍物更多 行走距离更远 下图是传动机构的齿轮分布图 通过移动后轮 轴上的齿轮组 则可以切换不同组齿轮的啮合 图 3 传动齿轮分布示意图 根据本文设计 两后轮轮距为 150mm 且后轮的直径为 150mm 且保证小车 最逼近障碍物时的安全距离 即最小振幅为 200mm 下面是三组齿轮啮合的具体 计算 在间距为 700 900mm 时 以满足最大桩距 900mm 且轨迹曲线为余弦曲线 取 x 为小车轨道中心线位移 y 为小车偏离中心线位移 单位为 mm 则有 90cos 20 x 对弧长进行积分得 mdydyf xss 201 800 通过计算 当弧长为 2002mm 时 最大振幅是 330mm 此时桩距为 700mm 在间距为 900 1100mm 时 以满足最大桩距 1100mm 则有 10cos 21xy 对弧长进行积分得 mdydyf xss 23701 20 在间距为 1100 1300mm 时 以满足最大桩距 1300mm 则有 130cos 2xy 对弧长进行积分得 mdydyf xss 27461 260 因为我们利用线切割特种加工齿轮 齿轮的模数可以是非标准模数 故针对以 上三组数据 结合后轮的直径与一个周期轨迹的弧长 得到三组不同的传动比 计 算得到 8 5 130 0 5 1 90 25 4 90 7 2 ixixix 1 3 转向机构设计 转向机构是小车的关键机构 是小车前进过程中实现周期性运动的重要保证 我们采用了空间曲柄连杆机构 实现了小车在行驶过程中 前轮左右周期性的转动 该机构结构简单 稳定性较高 连杆之间使用球铰连接 摩擦阻力较小 方向轮叉 架与车身采用了推力球轴承和一对法兰轴承 减小转弯过程中的摩擦阻力 提高转 轴的同轴度 保证了转向机构的稳定性和可靠性 图 6 转向机构示意图 下面是转向机构的杆长设计计算 根据后轮轮距为 150mm 则取曲柄与车中心线距离为 且与转向轮mf5 连接的摆杆长度也为 同时转向轮间与后轴的距离为 根据小me5 b138 车运动轨迹 计算小车的最大转角为桩距为 700mm 时的转角 通过计算在桩距为 700mm 时 轨迹公式为 70cos 3xy 根据质心处转弯半径与前轮转角的关系为 为前轮的转角 tanr 根据小车轨迹在计算小车的曲率半径为 y 5 12 得 转角 此时对应曲柄和连杆的最大合长度 93 0tan 0max43 maxl 通过计算得到最大合长度 且连杆长度 与曲柄长度 分别达l 1n 到各自的最大值 且根据长度关系 得 3 9522 nmnm8 32 5 0axax 同理计算小车在桩距为 1300mm 时的最小转角 通过轨迹和曲率半径公式 得 转角 此时对应曲柄和16 tn 0in1 连杆的最小合长度 minl 通过计算达到最小合长度为 且曲柄和连杆分别达到各自的最ml49 0in 小值 根据长度关系 得 49 10 9522 nmmnm04 9 45 9iin 综上 连杆长度 曲柄长度 单位为 mm 5 832 为本文加工零件提供了参数 同时也为调试时 提供了连杆长度和曲柄长度的范围 方便了后期的调试 图 7 转向机构三维示意图 1 4 微调机构设计 微调机构是小车柔性的体现 调整它能使小车能够适应不同的障碍物间距 无碳小车的微调主要体现在对曲柄长度和连杆长度的微调 曲柄的长度控制的是小 车行驶的周期即桩距 曲柄长度越长 周期越短 即适应障碍物的间距越短 连杆 的长度控制的是方向轮左右转角多少有关 根据轨迹对称性 所以要调整连杆的长 度 使左右转角尽可能相等 否则轨迹就会偏离赛道 这决定了小车绕桩的情况 所以曲柄长度和连杆长度的调整恰当与否是比赛时的关键 因为轨迹线对两者长度 非常敏感的 所以要精确的调试两者的长度 本文使用的是类似丝杠的机构 用带 螺纹的的连杆和曲柄 并用螺母锁死 调整时拧松螺母 旋转螺栓 改变长度 这 样可以比较精确的调整曲柄和连杆的长度 提高了小车的可靠性 1 5 车身 车身是一切机构得以实现的载体 其主要承受的是重物的压力和地面对车轮 的反作用力 为了满足强度 本文采用 3mm 铝合金板 对不承受力且不影响强度 的地方 采取镂空处理 2 结论 本次设计的小车的创新之处在于能适应不同的间距 采用不同传动比的齿轮啮 合 减小了行驶过程中的运动幅度 从而使小车行驶的距离更远 并且通过类似丝 杠的微调机构 通过拧螺丝的方式调整曲柄和连杆长度 从而更加方便 精确地调 整小车的行进间距 本文加工出了较高精度的零件 装配后进行了调试 实际应用 结果表明 设计加工出的小车具有较高的稳定性与可靠性 满足比赛要求 参考文献 1 王斌 无碳小车 的创新性设计 J 山西大同大学学报 2012 2 2 杨明忠 朱家诚 机械设计 M 武汉理工大学出版社 2013 3 白雪 唐鹏达 机械传动无碳小车的设计构想 J 工业设计 2011 8 4 赵登峰 陈永强 邓茂云 机械原理 M 西南交通大学出版社 2012 5 杜志强 基于 MATLAB 语言的机构设计与分析 M 上海科学技术出版社 2011 118 120