S形转向运动无碳小车的改进设计研究_李刚.pdf

汽 实爪技术 丨第期 设 研 究 形转向运动无碳小车的改进设计研究 李刚 周致成 袁航 张大明 王超 辽宁工业大学 辽宁锦州 摘要 针对 形转向运动无碳小车初始设计中存在的转向和重物下落不稳的问题 进行了分析 和 改进 最终实现了无碳小车具有所要求的 形转向运动轨迹 论文 首先介 绍了对无碳小 车的设 计和 要求 然后给出了初始设计过程中的理论分析和驱动部分 转向机构 载物架 车身 四个部 分的设计方法 分析了初始设 计中出现的问题原因并给出了改进设计方案 制 作出改进后样车 实验验证了改进方案的合理性 最后总结了设计 形转向无碳小车设计的关键技术 关键词 形转向 无碳小车 改进设计 中图分类号 文献标识码 文章编号 的自行小车 小车为三轮结构 具有转向控制机构 且该机构具有可调节功能或可快速更换结构 以适 设计并制作无碳小车已逐渐成为地区性乃至国 放有不同间距物 标准同大学生竞赛用 家级的机械设计比赛 无碳小车的设计要求是 碍 的竞赛场地 驱动小 车行 走及转能量由给 计并制造辆以重力势能驱动的具有方向控制功 的重力势能转换而来 不可使用其他来源 给定重力势能为焦耳 取 竞赛时统 作者简介 李刚 副教授 学博士 就职于辽宁工业大学 庄县本川並 细細 研究方向 新能源汽车仿真与控制 用质量为 的重块 普通碳钢 基金项目 辽宁省教育厅项目 资助 铅垂下降来获得 落差 重块落 下后 20 14年第 期李刚等 形转向运动无碳小车的改进设计研究 须被小车承载 并同小车 一起运动 不允 许从小车上轮驱动形式 将后两轮之间的驱动轴断开 小车的 掉落 小车示意图如图所示 左后轮设计成驱动轮 右后轮则作为从动轮 从动 轮轴通过轴承与主动轮轴相连 该轴承嵌入到主动 轮轴内孔里 两轮转动 时保证没有干涉 当两轮之 间没有刚性连接时 转弯时由于内外侧车轮阻力不 同 内侧阻力大 外侧阻力小 因此内侧转动速度 相对外侧转动速度慢 可防止拖滑现象产生 驱动轴与后轮尺寸设计 丨丨 作为整个无碳小车的动力装置 驱动轴的设计 是否满足小车起动的需要显得尤为重要 起动阶段的静摩擦力要大于动摩擦力 因此 令 在小车起步时 需要较大的力距 左后轮作为驱动 轮 所受的力 如图 所示 小车起动力矩 为 一 重物质量 重力 加速度 驱 动轴半径 驱动轮与驱动轴被设计成为 一体 因此后轮也 讲日 获得 一 个转动力矩 图 小车运动轨迹图 小车要求的运动轨迹如图所示 做形转向 运动 因此需要小车能够自主转向 力 为了实现设计目的 首先进行了初 始设计 并 在其基础上断了改进设计 解决了初始设计中存 山此求出小个左后轮上 效力而这个等 在的问题 最终实现所设计的无碳小车能够很好地 力的反作 力 就是小车前 动力 目 在小 车起动过程中 前转向轮 右后轮作为从 动轮受到的总静摩擦力为 若想要小车起动 则 初始设计驱动力与总 的摩擦力之间的关系应为 由上面这些无碳小车图片可以知道 无碳小车 基本上有以下几个部分构成 驱动部分 转向机构 静摩擦力 系数 小车整车质量 载物架 车身 下面就这四个部分来说明无碳小车 在小 车转弯时 地面除了给小车从动轮 一个 切 的初始设计思路与方案 向的动摩擦力 还提供 驱动部分 驱动机构 设计要求小车具有自动转向的功 能 小车 在 前 行避障时必然要进行多次转向 当汽车转弯行驶时 后轴外侧车轮移 动的距离大于内侧车轮 为了防止 车轮有拖滑现象出现 客观要求左右车轮能够实现 不同轮速 丨 如果两轮采用 同 一 车轴连接 两轮均 图 无碳小 车驱动力分析 为驱动轮 两轮转向时必然出现拖滑 因此采用单 一个 法向的分力做为小车的向心力 他们的 15 汽车实用技术 年第期 合力就是小车转 弯时的总的动摩擦力 尸厂 由向心力公式 一 乙 丨 可知 若转弯半径确定 转弯速度与向心 力成正比 越大 越大 进而越大 当 后轮 小齿轮 大齿轮大 齿轮轴 时 小车所受阻力大 逐渐停下 因此 只有 微调后连接轴 前轮撖调前连接轴 当车速很低时 小车才能平稳匀速转弯 关节轴承微调推杆瓜驱动轴 由公式和 可得 考虑到关 转向机构 车身 系式 可得 取 确定大齿轮轴 综合以上的分析 本文所谈及的 小车车身的主 径与后轮径之比 要作用就是用来承受力和力矩 因此 为了满足这 鮮擁诚 龍齓 耻岐 装主动轴和大齿轮轴的孔 以及安装载物架底座的 螺纹孔 传动效率 动摩擦力 取 拟定 为 通过选定 和 来确定驱动轴的尺寸与后 初始设计中存在的问题分析与改进方法 经过多次试车 发现按照初始设计方案做出的 无碳小车出现了诸多问题 因此对其进行了原因分 本设计将前轮作为小辅导向轮 并釆用了自 彳斤并改进设计 最终制作出改进样车对改进方法进 杆机构作为转向机构来实现前轮的自动转向 本设 彳 计中的齿轮副 是小 齿轮在上 大齿轮在下 为方便 初始设计问题分析与改进方案 说明 转向结构简图如图 所示 问题 小车转向时 其前轮不稳定 图中微调连接杆连接在大齿轮和前轮转向轴 分析 在设计小车转向机构时 为了达到前轮 上 通过微调推杆和微调连接杆长度的改变 调节 自由转动而不受到干涉的目的 将前轮转向轴及其 前轮转动角度的大小 利用螺纹副来调节微调连接 转向轴孔间隙配合 却忽略了轴与孔之间的间隙 杆长度 大大的提高了调节精度 同时使转向机构 从而在试车的过程中出现了这个问题 简单 转向轴承为杆端关节轴承 是标准件 可直 解决方案 因为轴承是标准件 其外径己经确 接购买 这种轴承可以满足 一定角 度的空间任意方 定 不 宜 改变 而车身则更容易加工 因此在车身 向的全尺寸旋转 符合小车运动时需要自由转向的 前端采用基轴制过盈配合嵌入 一个轴 承 同时 相 要求 比于对轴承内径进行改变 转向轴的加工则 更容易 载物架 实现 所以将前轮套上的转向轴以基孔制过盈配合 如图 所示 重物从离小车载物架支撑 杆 在这个轴承上 处开始下落 其落在载物架底板上时对底板 问题重物下落过快 施加的冲力 全部由车身承受 因此 对于载物架分析 在初始设计中 驱动轴是后车轮轴 它 底板 只考虑支撑杆的位置 小车的支撑杆为前后 与小齿轮过盈配合 本文所设计的小车采用的是 单 两根螺纹杆 直接与小车载物架底板和车身组成螺级齿轮传动 其传动比等于主动齿轮与被动齿轮的 纹副 转速之比 也等于被动齿轮与主动齿轮的齿数之比 2014年第 期李刚等 形转向运动无碳小车的改进设计研究 考虑到单级 齿轮传动系的传动比太 大会造成 空间的 作技能等因素的影响 做出的零件的尺寸 往往会产 占用和成本上的浪费 所以选择传动比为 的齿生 一定 的误差 因此为了保证零件的安装 就必须 轮副 从而小齿轮轴 驱动轴 的转速与大齿轮轴 对零件的尺寸规定 一 个允许变动的极限值 尺寸公 的转速 之比也是 又因为牵引线是绕在小齿轮轴 差 简称公差 即为允许尺寸的变动 量 因此在 上的 所以重物下落地快 设计时 注意要把成品件的偏 差考虑进去 解 决方案 将牵引线缠绕在大齿轮轴上 并将 改进设计实验验证 轴上绕线处制成锥台 如图所示 对改进后的小车再次进行试验 将小 车置于 如 问题牵引线与载物架上的支撑轴干涉 图所示的标准跑道上 用标准重物为小车提供动 分 析 在初始方案中 想要通过斜拉重物来降 力 多次试验结果表明 小车运动轨迹符合轨迹运 低重物的下落速度 但效果不明显 且出现了牵引 动要求 线常与载物架上的支撑轴干涉的问题 因此 将齿 轮副横置 选择大齿轮轴 靠近右后轮的 一端 作为绕 线 处 仅需要注意绕线的方式就可以解决干 涉问题 通过理论分析和设计构想 设计并制作了形 同时 还将重物支撑杆设计成按等边三角形布置 转向的无碳 小车 对无碳小车的改进设计 解决了 围成 一个 中间恰好通过的空间的设计 为牵 初始设计中存在的诸多问题 实现了小车转向时保 引线的布置提供空间 持设计要求的 形运动 轨迹 设 计的关键技术主要 解 决方案 将大齿轮轴作为驱动轴 牵引线缠 在于以下个方面 绕其 右端 如图 所示 为了保证实现标准运动轨迹 转向轮转向时 此时 驱动轴半径与后轮半径之比为 一 定要稳定 厂 丨 一 力了慨 轴转 翻 稳 辦 传动 效率 轴的轴线 前轮的轴线 平行于改进方案中 的驱动轴 并且垂直于前轮套侧壁 为了避免能量损 失和牵引线 支撑杆干涉 牵彌不 大斜置 小车加工尺寸设计 要充分考虑加工单位能 够达到的加工精度 尽量在保证性能的前提下降低 誦 加工精度 丨参考文献 陈家瑞汽车构造版北京 人民交通出版社 成大先机械设计手册版北京 化学工业出版社 吴 宗泽 罗圣国机械 设计课程设计手册 北京高等教 图改进后的驱动装置 育出版社 问题制 作