S形无碳小车的设计

陈新， 张俊， 郑智鹏， 黄世杰

（湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳 441100）

0 引言

为了响应国家建设创新型社会，在节能减排的号召下，大赛组委会开展了第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛。竞赛意在培养学生的创新设计意识和综合工程应用能力、团队协作精神，促进学生基础知识和综合能力的培养、理论与实践的有机结合，为优秀人才脱颖而出创造条件[1]。本文针对此次竞赛的要求设计出具有绿色环保特色的“S形无碳小车”。

图1 设计流程图

1 小车的总体设计

1.1 总体方案

小车为三轮结构，两个后轮为驱动轮，前轮为转向轮，重物通过细绳安装在车体高支架的定滑轮上，重物下降拉动中轴转动，从而实现后轮的驱动[2]。前轮与卧式轴承座配合形成完美的对中心，保证小车按照S型轨迹行驶，不会产生干涉。重物匀速下降从而使车子匀速前进、转向轮周期性转动，使小车绕过障碍物。小车的传动主要通过光滑的细绳，比起齿轮、连杆传动摩擦耗能少、能量转化效率高。根据构思创新设计出清晰的流程图，如图1所示。

1.2 总体结构

1.2.1 基本结构组成

小车底板大致呈五角形，材料为4 mm厚度的铝合金板，底板中央竖起三根不锈钢空心支架，支架顶端固定卷线轮和线绳，线绳连接重块，小车采用三轮结构，两个后轮为驱动轮，前轮为转向轮[3]，驱动轮与轮轴固连，轮轴与轴承相连，轴中间和左边安装卷线轮。总体结构如图2所示。

图2 小车总体结构图

1.2.2 结构创新设计

基于全国工程训练大赛，每届比赛作品结构设计相似度高，因此本设计进行大胆创新改进，有以下创新点：1）本设计采用单轮驱动，其中一轮与驱动轴之间装配有深沟球轴承，用来构成差速器结构，解决了小车转弯时从动轮与驱动轮线速度不等的问题，使小车转向更加平稳。2）本设计采用两级调节机构和可调对心垂直机构以保证精确的转向。可调对心垂直机构是转向的前提，调节机构分为粗调和微调可以确保可调的范围广和精确调向。3）摇杆调节机构在运动过程中两机构会出现不在同一个平面的情况，为了保证正常运作，在两机构之间用关节轴承进行连接，即使不在一个平面也可以运动，不会出现卡死的情况。4）运用阶梯形卷线轮，保证了小车的快速启动，平稳运动。5）运用定滑轮巧妙地改变了线绳的方向。

1.3 小车几何尺寸参数[4]

根据大赛文件要求：赛道宽度为2 m，圆棒作为小车行驶的障碍物，其直径为20 mm、高为200 mm，沿赛道中线出发每隔1 m摆放一个圆棒，如图3所示。

图3 小车行驶赛道

本方案设计小车底板尺寸245 mm×80 mm×4 mm，其传动参数如表1所示。通过对方案进行设计，然后进行可行性分析验证设计是否可行。小车行驶轨迹近似正弦曲线，在一个周期内前轮四次变向[5]。根据小车宽度、障碍物直径及间隙确定振幅A为130，周期T为2000。

光滑曲线定积分公式：

故半个周期内小车轨迹曲线度s=1056 mm。

半个周期主动轮所转圈数n=s/（D×π）=2.7圈；转向轮所转圈数n2=×n1=0.6圈。

综上分析可知：驱动轮每转2.6圈，转向轮改变一个方向。

表1 传动参数

2 传动系统的设计[6]

传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。根据大赛要求，小车的总重力势能一定，所以其总动能是一定的。传动系统的传递效率越高，小车行驶得越远。为了让小车行驶更远，所选用的传动机构必须具有较高的传动效率且结构简单、传动稳定[7]。在机械传动系统当中，齿轮的传动效率高、结构紧凑、传动比稳定，故采用齿轮传动的方式进行能量传递，如图4所示。

各级传动比：齿轮传动比为101:25；梯形绕线器和定滑轮的传动比根据比赛时选择的桩距进行调整[8]。砝码下降长度（400 mm）/小车行走长度（4000 mm）=1:10。当重物下降dh时，驱动轴转过的角度dθ=dh/r0。其中r0为驱动轴半径。此时小车移动的距离ds=Rdθ，R为后轮半径，所以有ds=Rdh/r0，小车最大理论行走长度s=39.45 m，小车行驶能够达到最大理论距离为45.23 m。

图4 传动机构示意图

3 转向系统的设计[9]

转向机构是本设计最为核心的一部，决定着小车能否绕过障碍物沿S弯行驶。设计过程中应该考虑减小摩擦、结构简单及有特殊的运动等性能是转向机构设计的前提[10]。将旋转运动转化为转向轮的往复摆动，驱动轮带动转向轮左右转动从而小车按照S形路径行驶。能实现该功能的机构有：凸轮机构+摇杆、曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、差速转弯等[11]。根据机械设计要求，本设计选择曲柄连杆+摇杆作为小车的转向机构的方案，如图5所示。

图5 转向机构示意图

各级转矩及摩擦力矩分析：轮子与地面的摩擦因数由轮子材料和地面状况决定[12]，查资料知当轮子半径为85 mm、12.5 mm时，有机玻璃与木板地面的摩擦因数分别为0.25、0.08，因此结合模型知：前轮所受压为N1=12.5 N,后轮所受压力为N2=N3=6.25 N。

4 ANSYS有限元分析

根据无碳小车车架受载较小，加工精度要求不高及整车质量要求轻的条件优化选材。通过分析常见几种材料碳纤维板、ABS板、铝合金板、亚克力板的综合性能，最终确定铝合金作为无碳小车的加工材料[14]。

通过三维软件建模，导入ANSYS Workbench静力学分析模块，定义6061铝合金材料属性包括密度、泊松比、弹性模量及屈服强度。单击Mesh，相关性设置为100，定义单元尺寸为1 mm，生成网格。选择Element Quality，检查网格质量。施加边界条件，将砝码的力均布施加在承载孔上，定义固定约束，在Solution中插入Equivalent Stress和Total Deformation,点击Solve进行求解。查看分析结果，最大应力为4.47 MPa（如图6）,最大变形量为0.019 mm（如图7），应力和变形均很小，故结构设计合理可靠[15]。

表2 6061铝合金参数属性

图6 等效应力分析图

图7 小车总变形分析图

5 结论

本文设计的“无碳小车”完全依靠重物块的重力势能驱动，结构简单，整体质量轻便。小车采用齿轮传动的方式，减少了能量的损耗，提高了传动效率；选用曲柄连杆和摇杆作为小车的转向机构，保证了小车“S”型路线的行驶；根据机械设计理念，对小车的零部件进行了详细的设计与分析，通过Pro/E软件对小车整体结构进行了运动学仿真，证明了小车结构设计的合理性。