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“无碳小车” 的创新性设计 王斌, 王衍, 李润莲, 赵小龙, 崔景峰, 杨富林 (山西大同大学煤炭工程学院, 山西大同 037003) 摘要：针对第二届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题“无碳小车” 的要求, 经过任务分解, 进行了创新性 小车设计。 探讨了提高小车运行平稳的方法与措施, 解决了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, 提高了小车的运行精度, 确定了小车的结构参数及总体方案。大赛实践表明, 该小车结构合理, 操 作简单, 运行轨迹符合大赛要求, 小车运行平稳, 行程远, 避障多, 设计方案正确, 取得了较好的竞赛成绩。 关键词： 无碳小车; 结构设计; 曲柄摇杆机构; 轨迹; 齿轮副; 急回特性 中图分类号: R23534文献标识码:A 收稿日期： 20111006 作者简介： 王斌(1974-), 男, 山西大同人, 硕士, 讲师, 工程师, 研究方向: 煤矿机械设计与制造。 文章编号： 16740874 （2012 ） 01005904 第 28 卷第 1 期山西大同大学学报(自然科学版)Vol.28.No.1 2012 年 2 月Journal of Shanxi Datong University(Natural Science)Feb.2012 本文创新性设计 “以重力势能驱动的具有方向 控制功能的自行小车” , 即 “无碳小车” , 见图 1。 小 车采用三轮结构 (1 个转向轮, 2 个驱动轮), 将给定 重力势能 5 J 能量 (用 覬50 65 mm 普通碳钢的重 块,质量为 1 Kg, 铅垂下降, 落差 500 mm 来获得)转 换为动能驱动小车行走。小车需要载着一质量块 (覬60 20 mm 的实心圆柱型钢件)行驶, 绕过直线布 置的每隔 1 m 放置的 1 个障碍物的弹性障碍圆棒 见图 2。 并保证质量块和重块随车行走而不掉落, 以小车前行距离的远近、 以及避开障碍的多少来综 合评定成绩。具体详情见第二届全国大学生工程训 练综合能力竞赛命题。 图 1无碳小车示意图 1任务分解 本命题体现了对“创新设计能力、制造工艺能 力、 实际操作能力和工程管理能力” 四个方面的综 合性工程能力的要求, 但其核心是作品的创新性设 计。小车虽小却也是个系统工程, 必须综合考虑各 种因素。经多次论证, 确定小车设计的关键在于如 何实现能量的转换 (运动转换机构)、车体的平衡、 小车的驱动及小车的周期性转向等问题。 2设计思路及方案 因竞赛组委会要求各参赛队必须在各自所在 的学校内自主设计并制作出全部零件, 所以“无碳 小车” 的结构设计一切都应从本校的实际加工工艺 能力出发。 设计应坚持原则: 整车重心要低；结构尽 量简单；传动件数少；质量小；足够的刚度；振动 小；操作、调整方便灵活。 图 2无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 2.1 运动转换机构 小车给定的能量只有重块下落的重力势能, 要 驱动小车行驶远, 必须将重块的直线运动有效地变 换为小车轮轴的回转运动。选择质地弹性小、强度 高且耐磨性好的细牵引绳一端先固定在滚筒轴 (驱 动轴)上, 然后再将牵引绳均匀紧密的缠绕在滚筒轴 上, 另一端绕过滑轮与重块连接(即将图 4 中滚筒 7 2000 上的外露绳端通过图 6 中滑轮 4 与重块连接), 这样 重块下落的移动就可转化为驱动轴的回转, 完成重 力势能转化为驱动小车行走的动能, 这是小车的外 联系传动链, 对传动精度要求不高, 只要能将重块 的势能有效地转化为动能即可, 主要是绳子的缠绕 方法要得当、方向要正确。当然可将牵引绳绕过动 滑轮与定滑轮组成的滑轮组以使小车行走更远, 不 过, 由于使用滑轮组会使小车的启动力矩减小, 不 便于小车的启动, 最终还是采用了绕过一个定滑轮 的方案。 2.2 车体的平衡 底板作为最重要的支承件, 是其他支承件连接 的基础, 其结构必须设计巧妙、合理。由于所承载 的负荷比较小, 选用厚度为 4 mm 的铝合金板料, 为 避免发生薄壁振动, 减少能量损耗, 薄壁面积应小 于400 mm 400 mm1。如图 1 所示, 小车的重块在 车上重物支撑杆上方开始下落, 距离车底板上面约 600 mm 多。而小车为了节省能量及避障性好, 车底 板一般又不能选得面积太大, 两后轮距 (定为 132 mm)不能太大, 限制底板的宽度不能大, 底板尺寸定 为 208 mm 100 mm, 刚度好。 整个小车就是一个 立式的结构, 小车运行起来按避障要求左右转向, 牵引绳带动重块在重力的作用下将大幅摆动, 导致 小车倾覆不能行走。因此, 将重物支撑杆设计成由 三根中空管按等边三角形布置, 围成一个中间恰好 通过 覬50 mm 的重块, 限制了重块在小车运行中的 摆动, 达到车体运行中良好的平衡。 另外, 也可以通 过降低小车底板距离地面的高度来降低整车的重 心, 达到良好的动态平衡, 为此将小车底板折弯, 满 足整车重心降低的需要, 在滚筒轴上安装大齿轮的 对应部位将小车底板铣出长孔, 使得大齿轮转 动不与底板干涉。 整个车(包括重块及负载重量块) 的重心最好应居于小车三个轮构成的三角形的形 心上, 保证小车的平稳运行，见图 3。 2.3 小车的驱动及小车的周期性转向 2.3.1 小车的驱动 齿轮传动效率可高达 98%, 因此可以很好的提 高能量利用率。依据重块下落的重力势能转化为使 小车前进的动能能量损失最少的原则, 选择以齿轮 副来完成滚筒轴到后轮轴的动力传动, 驱使小车行 驶, 使小车行驶的更远。考虑到启动时, 需要的力 矩大, 而在小车行驶的过程中, 运动平稳有惯性,需 要的力矩小, 因此在滚筒轴上设计一个锥形滚筒。 内联系传动链容易保证传动链与执行件之间 的严格传动比, 尽量缩短内联系传动链, 减少传动 件的个数, 缩小传动误差1, 尽量减少能量的转换次 数会有效地提高能量利用率。实现小车的周期性转 向, 小车的内传动链必须准确, 否则会 “失之毫厘谬 以千里” , 小车很快脱离预定的轨迹, 退出比赛。必 须将滚筒轴的动力输出用严格的定传动比输出到 后轮轴及前轮的转向装置上, 实现后轮的行程与前 轮的转向相匹配, 这也是选择用齿轮副来完成滚筒 轴到后轮轴的动力传动的主要原因。另外还要注意 齿轮的设计、加工精度要严格保证，各传动轴及轮 轴的材料, 应有较高的支承刚度, 减少受载后的弯 曲变形, 在布置上也要考虑轴的两支承跨距尽量要 小, 轴伸尺寸尽量短, 齿轮尽量靠近支承处 (如滚筒 轴的设计), 来提高内传动链的运动精度。 2.3.2 小车的周期性转向 按照命题要求小车必须具有方向自控功能, 绕 过直线布置的每隔 1 米 1 个障碍物的要求。小车必 须左转、右转再左转地周期性转向, 在速度一定的 前提下, 必须要保证小车的运动轨迹曲率是连续变 化的, 小车才能平稳行驶, 否则, 曲率突然改变, 小 车容易晃动甚至倾覆。 因此, 曲柄匀速转动, 摇杆左 右匀速摆动的曲柄摇杆机构应该是最好的转向机 构了, 小车运行轨迹接近正弦曲线, 曲率变化连续。 从滚筒轴的回转运动到控制前轮转向的摇杆 的水平摆动, 需要把竖直平面的运动转化为水平面 运动, 以实现小车的转向。要实现把竖直平面的运 动转化为水平面运动, 可以采用锥齿轮传动、凸轮 机构、摩擦轮传动、皮带传动等传动机构, 在考虑 到安装精度、传动效率、结构复杂程度以及成本高 低后, 最后选用了变形的曲柄摇杆机构来实现转向 轮转向的方案，见图 4。 曲柄摇杆机构中的曲柄回 转中心 (即滚筒轴轴心) 应与摇杆的摆动平面等高, 图 3无碳小车底板 山西大同大学学报 （自然科学版 ）2012 年60 保证机构无急回特性, 曲柄作等速转动, 摇杆摆动 时左右行程的平均速度相等, 即使得前轮左右摆幅 相同, 按照指定轨迹行驶。 把铅垂平面的运动转化为水平面运动是个三 维空间的运动转换, 通用的曲柄摇杆机构不能完成 三维空间的运动转换, 因此必须采用双球型关节的 连杆, 使得水平与垂直方向的自由度都不受约束。 但考虑到我校工程训练中心的加工能力有限, 加工 较高精度的球型关节解决不了, 只好设计成四个圆 柱关节, 安装成水平和竖直形式(如图 4 所示), 代替 双球型关节, 最终实现了与滚筒轴连接的曲柄的回 转运动转化为摇杆的水平运动, 摇杆在水平面内摆 动, 使得前轮左右摆幅相同, 实现了小车前轮的转 向问题, 且保证了传动的准确。通过控制连杆和曲 柄长度, 使得连杆推动摇杆水平直线移动距离仅为 36 mm, 减少了能量消耗。 1- 前轮； 2- 摇杆； 3- 水平铰； 4- 竖直铰； 5- 长度调节螺栓； 6- 大齿轮；7- 滚筒；8- 小齿轮；9- 后轮 图 4无碳小车驱动及转向机构示意图 另外, 见图 6, 在前轮轴上增加了 1 盘轴承, 适 当保持两盘轴承的距离, 显著增强了前轮轴的支承 刚度, 大大提高了前轮轴的运动精度, 使前轮转向 更准确。 利用曲柄摇杆机构控制小车自动转向, 原理是 “单手握龙头” 。这样小车结构简单、容易加工、能 量利用率高，且便于前轮摆动角度的调节。 2.4 参数的确定 2.4.1 齿轮副参数的确定 根据图 2 行走示意图, 采用正弦函数: Y035 sinx, 周期 T2 m 的曲线拟合小车行驶路径较为 合理。 求导得到在每个位置的转角的正切大小: Y 035 cosx, 实验模拟, 可以得到前轮的最大转角 为 36。 此函数的路径总长度不好求, 因此可以将小车 的 1 个周期路径用细绳进行拟合, 得到 1 个周期的 路径长度 2 433 mm, 也就是滚筒轴回转一周, 摆杆 要往复一次, 后轮行驶 2 433 mm, 即 i d2 433 mm。 确定滚筒轴到后轮轴的传动比 i 与后轮直径 d 的关系如表 1 所示。 表 1 传动比与后轮直径的关系 经分析比较, i5 时, d155 mm, 满足采用一级 变速, 传动比较小, 后轮直径也比较适中, 重心较低 的要求。确定后轮直径为 155mm,前轮直径 36mm。 采用小模数齿轮, 增加齿数, 增大齿轮啮合重 合度, 可提高传动精度, 弥补齿轮制造精度差2。因 此选择齿轮模数为 1, 大齿轮 Z1100, 小齿轮 Z220, 中心距为 50 mm。 2.4.2 曲柄摇杆机构参数的确定 图 5曲柄摇杆机构 用曲柄摇杆机构来实现前轮的左右均匀摆动, 见图 5。必须满足 12180的条件。 按最小传动角 设计行程速比系数 k1(12180)的曲柄摇杆机构35。 根据已知的 12、12及选定的最小传动角 min及 角, 然后查表及结合下列公式计算各构件相对长 度。 b d 1cos12 2cos2min ! 1 2 (1) c d 1 c d # $ 2 1 b d # $ 2 cos2min % b-连杆长度; c-摇杆长度; d-机架 i1234567 d(mm)774387258193155129110 王斌等：“无碳小车” 的创新性设计2012 年61 长度; 12-摇杆 C 两极限位置间的夹角; 12-摇杆 C 由极限位置 1 到极限位置 2 时主动曲柄转过的角 度; min-最小传动角; -摇杆在远极限位置时曲柄 与机架间的夹角。 初定各杆的长度为: a18 mm; b1195 mm; c58 mm; d132 mm(已 知)。 考虑到可调性, 设置微调结构, 在摇杆处设置 调长螺杆 (如图 6 中序 23), 在连杆处使用了长度调 节螺栓 (如图 4 中序 5, 即图 6 中序 18), 使得摇杆、 连杆长度的调节变得方便、精确, 保证了轨迹的准 确。 2.5 小车的总体方案 依据上述设计, 确定小车的总体设计方案。 无 碳小车的设计总图见图 6。 后经过调试, 不断调整 曲柄摇杆机构中摇杆及连杆的长度, 小车获得了理 想的运行轨迹。 3总结 本次设计的小车利用线牵引实现驱动轮转动； 利用齿轮副将运动传递给后轮轴实现后轮驱动；并 利用曲柄摇杆机构实现前轮转向。前轮转向的角度 与后轮的转速相匹配, 结构简单, 传动件少, 质量 小, 大大地降低了能量的损耗, 小车行驶平稳且更 远。 1底板；2圆盘；3滑轮轴；4滑轮；5滚筒；6滚筒轴；7轴套 3；8大齿轮；9后轮轴支架 1；10轴承；11轴套 1；12小齿轮；13后轮轴；14轴套 2；15滚筒轴支架；16曲柄；17连杆 1；18长度调节螺栓；19连杆 2；20连杆 3； 21连杆 4；22摇杆 1；23调长螺杆；24摇杆 2；25导向轴支座；26前轮轴； 27前轮架；28前轮；29螺栓 M4；30螺栓 M6；31重物支撑杆；32后轮；33后轮轴支架 2；34指针 图 6无碳小车总图 参考文献 1李庆余, 孟广耀. 机械制造装备设计(第二版) M. 北京: 机械工业出版社, 2008. 2成大先. 机械设计手册 M. 北京: 化学工业出版社, 2000. 3徐灏. 机械设计手册 M. 北京: 机械工业出版社, 2004. 4王跃进. 机械原理 M. 北京: 北京大学出版社, 2009. 5刘极峰. 机器人技术基础 M. 北京: 高等教育出版社, 2006. (下转第 96 页) 山西大同大学学报 （自然科学版 ）2012 年62 （上接第 62 页 ） The Design of“Carbonfree Vehicle” WANG Bin，WANG Yan，LI Ronglian，ZHAO Xiaolong，CUI Jingfeng，YANG Fulin （School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003） Abstract：Based on requirements of proposition called carbonfree vehicle in the 2nd National College Engineering Training Complex Ability Competition，a creative design of vehicle is presented in this paper with analysis the proposition carefully and task decomposition，in which solved the key problem of the effects of smooth and stable running，mechanical automatic reversing mecha- nism，driving and cyclical turning on the performance of the vehicle，and discussed how to raise the running performance of the ve- hicle The running accuracy of vehicle might be increased，the vehicles structural parameters and the general scheme were deter- mined Competition and practice proved that the vehicle design was correct and feasible with reasonable structure，liable performance simplicity in operation Its running track could satisfy the requirements of competition，with smooth running track，travelling a long distant and obstacle avoidance more were realized，so it made a good race result Key words：carbonfree vehicle；structural design；crankrocker mechanism；trajectory；gearsets；quickreturn characteristics 责任编辑石白云 质与意识的辩证关系原理的正确性。通过摸拟计算 机对人类智能的某些活动， 表明意识作为人脑的 机能，譬如，感受、记忆、演绎和选择，可以从人 脑唯一意识器官分化了出来，是一种被物化了的实 在物质的物理运动，从意识与人脑的关系来看，进 一步深化了意识对物质的反作用原理。从而揭开了 意识的神秘面纱，使人们认识到意识本质的原理。 所有这一切极大地丰富了马克思主义科学观。 4结语 总之， 马克思主义科学观作为开放、 发展的科学 理论体系， 一直处于不断的丰富和完善之中。 需要和 具体的实践相结合，通过进一步发展生产力和科学 技术的同时，不断解决新问题，总结新经验，这样 才能充分发展和丰富马克思主义科学观，更好地发 挥马克思主义科学观对当前科学技术的指导作用。 山西大同大学学报 （自然科学版 ）2012 年 ! 参考文献 1 （德 ） 马克思 1844 年经济学哲学手稿 M. 北京: 人民出版社，1979: 74. 2 （德 ） 马克思，恩格斯 马克思恩格斯全集(第 46 卷下册) M. 北京: 人民出版社，1971: 217 - 218 . 3 （德 ） 马克思 1844 年经济学哲学手稿 M. 北京: 人民出版社，1979: 81. 4 （德 ） 马克思，恩格斯 马克思恩格斯