无碳小车的设计_制作与创新实践_陈晓东.pdf

第 32 卷 第 12 期 2013 年 12 月 实验室研究与探索 ESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY Vol 32 No12 Dec 2013 无碳小车的设计、 制作与创新实践 陈晓东， 石雁南， 张莉莉 ( 山东大学 工程训练中心， 山东 济南 250002) 摘要: 全国大学生工程训练综合能力竞赛是全国性大学生科技创新实践竞赛活动， 是基于国内各高校 综合性工程训练教学平台， 为深化实验教学改革， 提升大学生工程创新意识、 实践能力和团队合作精神， 促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动 1 。本文通过介绍小车的设计、 制作和调试 过程， 分享从中获得的经验和教训。 关键词: 无碳小车; 工程训练; 综合能力; 创新实践 中图分类号: TH 122;G 642 0文献标志码: A文章编号: 1006 7167( 2013) 12 0092 04 The Design， Manufacture and Innovative Practice of Carbon- free Car CHEN Xiao- dong， SHI Yan- nan， ZHANG Li- li ( Engineering Training Center Shandong University，Ji nan 250002，China) Abstract:The national undergraduates engineering comprehensive ability training and competition is science and technology innovation contest，based on the comprehensive engineering training teaching platform in domestic universities These activities can deepen the reform of experimental teaching，practical ability and team spirit of cooperation，and promote the cultivation of innovation talent，hence carried out a public science and technology innovation practice for innovative talents This paper introduces the process of car design，manufacture and adjustment， and the experiences and lessons can be shared Key words:carbon- free car;engineering training;comprehensive ability;innovative practice 收稿日期: 2013 07 09 作者简介: 陈晓东( 1972 ) ， 男， 江苏沛县人， 助理工程师， 研究方 向: 材料加工、 实践教学。Tel : E- mail: syn sdu edu cn 0引言 无碳小车是一种通过滑轮机构将重物下落的重力 势能转化为小车前进的动能以实现小车行走， 并采用 合理的机构， 来实现行走过程中正确转向并绕过障碍 的装置。小车设计注重能量利用的有效性， 车体结构 的合理性， 行走的稳定性、 匀速性， 调试的可靠性等。 应用了诸多数学理论进行验证， 最终采用了万向节连 杆机构作为转向机构， 使小车控制转弯更省力、 对小车 躲避障碍物的周期控制更容易实现， 亦降低了整车重 量。再者小车整体构造简洁， 组合零件不多， 摩擦损耗 小， 效率高， 较容易安装制造。另外， 通过对小车的设 计、 制作和调试， 提高了提出问题、 分析问题、 解决问题 的能力， 并总结了从中获得的经验和教训。 1无碳小车的制作原理 1 1命题简介 该竞赛其中的一个命题为， 要求设计一种以重力 势能驱动的具有方向控制功能的自行小车， 驱动其行 走及转向的能量是根据能量转换原理， 由给定重力势 能转换来的。给定重力势能为 4 焦耳( 取 g = 10 m/ s2) ， 竞赛时统一用质量为 1 kg 的重块( 50 65 mm， 普通碳钢) 铅垂下降来获得， 落差 400 2 mm， 重块落 下后， 须被小车承载并同小车一起运动， 不允许从小车 上掉落。在比赛中， 小车出发后， 小车从赛道一侧越过 一个障碍后， 整体穿过赛道中线且障碍物不被撞倒 ( 擦碰障碍， 但没碰倒者， 视为通过) ; 重复上述动作， 直至小车停止( 障碍物初始间距为 1 m， 后期在 1 m 100 mm 范围内产生一个新的障碍物间距， 需调整小车 以适应新距离) ， 最终绕过障碍物( 如图 1 所示) 多者 获胜。 第 12 期陈晓东， 等: 无碳小车的设计、 制作与创新实践 图 1无碳小车在重力势能作用下自动行走示意图 1 2无碳小车设计原理 由命题得知， 关键在于利用重力势能获得相当长 距离的具有稳定正弦特征的轨迹。由此， 来设计小车 以使其满足要求。重力势能大多通过挂在绳子上的重 物拖动小车的轴进而驱使小车前进， 这便对绳子提出 较高的要求， 一般选取弹性较小， 耐磨的绳子为佳。 在传动方面， 根据往届赛事经验， 有齿轮传动， 皮 带传动等。由于小车在前行较长距离( 一般为 20 m 以上) ， 同时需要保证精确的行走轨迹， 因此， 皮带由 于打滑等原因不如齿轮传动2 。同时， 齿轮由于金属 材质， 大大加大了车的重量， 因而我们采用快速成型制 造齿轮， 保证了传动的精确性与质量较轻的优点。接 下来， 便是使用两级变速还是一级变速的问题， 两级变 速能够在有效的空间内实现较大的传动比， 同时具有 较大的惯性， 能够克服赛道上的不平整路面( 事实证 明， 这在比赛上时是相当重要的) ， 但由于齿轮加工精 度的局限， 可能会造成较大摩擦力， 造成能量的浪费。 而一级传动则较为轻便， 结构简单， 便于加工装配 3 。 图 1 显示了小车在重力势能作用下自动行走的示 意图， 小车每绕过两个障碍物， 即在前进方向上走了 2 m， 完成一个循环， 此时， 绕在轴上的绳子转过一圈。 因此， 小车前进的理论长度即由绕线轴的直径和下落 高度决定。轴的最小直径由轮子和地面的摩擦力产生 的启动转矩确定。小车的轨迹越接近于直线， 摩擦力 做功越少， 便越节省能量。图 4 2， 3 显示了不同幅值 和不同周期所显示的轨迹对比。 图 2不同幅值的轨迹图 我们发现， 小车所走轨迹的幅值越大， 便不容易与 障碍物发生碰撞， 小车调整起来也越容易， 同时， 前面 已经提到， 也就越浪费能量。而对于不同的周期来讲， 周期越小( 障碍物间隔越小) ， 小车轨迹的幅值越大， 便不容易与障碍物发生碰撞。 图 3不同周期的轨迹图 为了实现上述轨迹， 转向机构是重要的一环， 由于 “S” 形避障运动是周期性的运动， 恰好可以通过齿轮 上的偏心， 将其运动传递到前轮上。传递运动大致可 以分为两类， 一类通过万向节， 与前轮转向机构构成四 连杆机构， 进而实现周期往复运动 5 。这样的好处是 刚性较好， 一旦调节完毕能够形成固定的轨迹且便于 加工。但是不容易调节， 调节部件较多， 过程繁琐。另 一类通过直线轴承和滑块传递运动， 当然， 这样便于调 节， 仅需对偏心进行调节即可实现轨迹的周期变化。 但是对加工精度要求较高。不过， 随着学生动手能力 的提高和赛事水平的不断提升， 直线轴承和滑块机构 会逐渐提高稳定性， 创造更好的成绩。 2小车设计方案 2 1材料的选择 小车的制作， 首先我们要先考虑它的材料， 材料极 为重要， 材料密度大了， 小车就重， 导致摩擦力就大; 材 料如果较小， 小车太轻， 小车在绕杆的同时会发飘， 导 致小车的轨迹会发生变化， 导致小车达不到最好的状 态。所以选取适当的材料是至关重要的。由于铝- 钢 的摩擦系数大约为 0 02， 而铝的密度小， 小车的质量 一般大约为 2 5 kg， 所以摩擦力较小， 并且横向摩擦力 足以满足小车不侧滑; 有机玻璃材质轻阻力小， 但是寿 命短， 易磨损， 精度不够高， 力学性能差， 主要是脆性 大， 抗冲击性能差， 受到第二次意外打击时， 有机玻璃 易破碎。而尼龙的摩擦系数较大， 吸水性较大， 影响尺 寸稳定和电性能， 但车体的重量太小， 需要加配重， 防 止侧滑或侧翻， 所以考虑各种原因还有计算， 最终选取 折中的方案， 也是最佳方案， 就是铝， 铝做车身骨架是 最好的选择。而尼龙具有机械强度高、 软化点高、 耐 热、 摩擦系数低、 耐磨损、 自润滑性好、 吸震性和消音性 好、 耐油、 耐弱酸碱、 无毒无臭、 耐候性好、 比重小、 高抗 冲、 高载重、 耐撞击， 所以特别适合齿轮的加工， 用快速 成型做出的齿轮既具备以上的优点， 还容易安装， 容易 定位， 所以齿轮的材料最好是采用尼龙。 2 2设计思路和方案 小车整体结构如图 4、 图 5 所示。 39 实验室研究与探索第 32 卷 图 4小车俯视图 图 5小车正视图 ( 1) 动力源。将重物固定于绳子上， 绳子系在大 齿轮轴上， 重物下落拉动大齿轮轴转动， 通过齿轮啮合 驱动小齿轮轴转动， 进而使小车前进; ( 2) 差速部分。当重锤下落时， 通过滑轮轴连接 线驱动大齿轮转动， 带动驱动轴回转， 并通过传动齿轮 带动后轴回转。由于小车在前进时要走 S 形路线， 在 转弯时内侧的车轮与外侧的车轮转速不一样， 后面两 个轮子走过的距离不同， 因此两个后轮上采用了不同 的连接方式， 其中一个后轮采用过盈配合随轴转动， 而 另一个后轮采用轴承配合在轴上空转， 从而实现差动。 ( 3) 前轮转向部分。大齿轮上开一个 13 mm 长 的槽， 其偏心距为 11 mm24 mm， 将螺钉穿过槽用双 螺母紧固在大齿轮上， 万向节则也通过双螺母紧固在 螺钉的另一头。变向连杆由使用双头螺杆连接在一起 的两个万向节组成， 螺杆一头为反丝， 便于调节。前叉 则通过另一个螺杆与万向节相连， 从而形成了转向部 分。由于万向节连杆与齿轮配合点存在偏心距， 因而 连杆可以实现周期性往复运动; 前叉通过螺杆与连杆 一端的万向节相连， 随着杆的往复运动进而实现周期 性转向; 因连接杆两端的万向节， 与两侧杆件的连接形 成球面副， 可以向多个方向转动， 避免了死点位置 4 。 偏心距的合理设计实现了前轮的正确转向; 两个万向 节中间的螺杆则能够有效实现扭矩传递; 基于此设计， 小车以正弦曲线的方式向前运动， 实现避障功能; ( 4) 调整部分。在大齿轮上开槽， 通过调节偏心 距实现前轮偏转角的的调节。转向角最大为 30， 此 时越障距离最短为 0 8 m， 转向角最小为 15， 此时越 障距离最长为 1 15 m; 万向节中间的双头螺杆也是微 调机构， 可以调节小车的整体轨迹。因而在调整距离 时， 只需调节齿轮上偏心距的大小和万向节连杆的长 度即可， 调节简单方便。发车角度确定采用激光笔远 距离定位， 精确找到合适发车角度， 用时短， 精度高。 ( 5) 转向部分的计算。如图 6 所示， 有 e = a 。 取 a =45 mm， 当 =15时， e =11 mm; 当 =30时， e =24 mm， 其中 e 为大齿轮开槽处的偏心距。 图 6转向部分示意图 ( 6) 小车其它尺寸计算。小车各个部分的关系为 l = dsin 、 = arcsin l/l 其中 r1、 r2 ， 1 、 2为前后齿 轮的半径和速， d 为前齿轮旋钮的位置， 主要零件的设 计尺寸: 前轴 9 mm， 后轴 10 mm;前轮 40 mm， 宽 度 8 mm， 后轮 200 mm12 ;大小齿轮齿数比为 4 13 1， 大齿轮齿数为 Z1= 62， 小齿轮为 Z2= 15， 模数 m =1。如图 7 所示。 图 7齿轮尺寸图 3小车调试与行走 在小车的实际调试和行走过程中， 实践操作的经 49 第 12 期陈晓东， 等: 无碳小车的设计、 制作与创新实践 验非常重要。例如， 当障碍物间隔为1 m 时， 要求小车 的行走周期为 2 m， 而正弦曲线的周期是通过调节大 齿轮偏心距来实现的， 虽然通过计算很容易得出理论 值， 但是由于螺母与螺杆并非理论中的质点， 因而在实 际操作中很难实现一次性调试成功。因而在不断的实 践中才能总结出规律， 并熟练掌握。 在小车调试的初期， 通过在小车后粘贴荧光笔来 跟踪轨迹， 但发现这种方法会增加小车行走的阻力影 响轨迹的精度而且跟踪的曲线不具备完整性， 后来改 用了在车底板上放一个以一定的速度滴水的小容器， 实现轨迹的跟踪。实践证明， 这种轨迹跟踪方式， 更加 准确， 并且容易清理。通过量取轨迹的周期则可以判 断小车的行走周期。当轨迹的周期大于比赛要求周期 时， 则通过增大偏心距来减短实际轨迹的周期: 相反， 则减小轨迹的周期。这样便实现了小车行走周期的正 确调节。 调节好周期后， 小车大齿轮的偏心距便被固定住 了。接下来便不再着眼于小车轨迹的 1 个周期了， 而 是着眼于小车行走轨迹的总的趋势。因为当万向节连 杆过长时会使小车的轨迹成为一个整体往左偏的大 弧， 而万向节连杆过短又会使小车的轨迹成为一个整 体往右偏的大弧。万向节连杆两端的螺纹旋向相反， 在调节时， 往里旋转为调短向外旋转为调长， 调节方式 简单， 另外两端万向节与连杆通过双螺母固定在一起 增加了稳定性。 在轨迹的调直过程中， 通过在发车线前 45 cm( 以 行走周期为 1 m 为例) 处贴一张中心线与障碍物所在 直线重合的 16 K 的纸来定发车角。具体方法: 在纸的 左上角标出前轮位置， 保持前轮位置不变， 通过改变后 轮位置改变发车角度， 并随时在纸上标记后车轮位置。 当小车左轮擦杆时， 减小发车角， 当右轮擦杆时， 增大 发车角， 从而出直线。在实际调车过程中， 很多时候不 论如何改变发车角度都不能使得小车实现总体的直线 绕杆， 这时便要通过调节万向节连杆来微调前轮的转 向角， 而调节连杆长度时， 微小的变化则会引起转向角 较大的变化， 连杆每旋转一圈长度便会改变 1 mm， 而 1 mm 会使转向角改变 2 5 度。因此螺杆要旋转的角 度要视轨迹的偏离情况而定。 通过在地面上贴纸的方式， 调车的精度能到 20 根 杆， 若直线距离再远， 则在纸上画线便会过密， 肉眼很 难再进行定位。为了克服这一困难采用了一种更加精 确的定发车角度的方式， 即激光笔。在用纸粗定发车 角之后， 在距发车线 20 m 远处放上带刻度的板子， 并 使板子与地面垂直， 0 刻度线位于障碍物所在的直线 上; 把激光笔固定在小车前叉的平台上， 通过改变激光 点所在的刻度来改变发射角度。由于贴纸法调节范围 广， 调节速度快， 但调节精度低， 所以用于角度的粗调; 而激光笔调节法， 调节精度高， 但调节范围小， 所以适 合粗调完成后的精调。两种方式各有利弊， 综合利用 取长补短， 使得小车的调节得到完善。 小车的行走过程是一个不断磨合的过程。在不断 的行走练习过程中， 小车的各种零件才能实现更好的 配合。 4结语 在无碳小车的设计、 制造和调试过程中要有严谨 的科研精神， 科学是容不得半点马虎的， 小车设计是一 个用科学来指导实践， 把科学运用到实践中去的过程。 既然是指导实践， 就应该做到事无巨细， 考虑周全， 在 设计的过程中， 不应放过每一个细节。小车的制造， 是 要经过方案设计， 三维设计， 优化及修改， Cad 出图， 图 纸审核等过程来完成的， 在此过程中有大量的工作要 做， 考验了团队的合作和分工能力以及团队精神。而 小车的调试是一个漫长而充满困难的过程