基于凸輪轉(zhuǎn)向的S型無碳小車的結構設計

李祥光　劉義才　文春海　李洲

摘要：為對凸輪式S型無碳小車進行結構設計，使其按照預設軌跡運行。首先通過計算確定所需軌跡的振幅和偏轉(zhuǎn)角的數(shù)值，并采用SOILDWORKS在確定數(shù)值情況下對無碳小車各機構零部件進行參數(shù)化建模、部件受力分析及全部零件的裝配模擬，然后將實際軌跡與預設軌跡進行誤差分析，對各部件進行優(yōu)化處理，使其更加符合預設軌跡。通過對制作的實物模型進行實驗，使無碳小車達到行駛軌跡穩(wěn)定，結構簡單輕巧和便于拆裝的要求。

關鍵詞：無碳小車；參數(shù)化建模；裝配模擬；誤差分析；軌跡穩(wěn)定

“無碳”是當今社會發(fā)展的趨勢，此次全國大學生工程訓練綜合能力競賽，以“無碳小車”為主題，基于全國各高校綜合性工程訓練教學平臺來提高大學生的創(chuàng)新意識，實踐能力和團隊協(xié)作精神，對各大高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)極有意義。

在歷屆的工程訓練大賽中，對于“無碳小車”的機構總是有不同的創(chuàng)新，陳果等使用了了空間曲柄搖桿機構，通過連桿的傳遞使得水平面上的搖桿前后擺動，與搖桿固定連接的方向輪隨之左右擺動從而實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向要求[1]。曹斌等確定了槽輪機構用公式計算迭代和描點成像功能，實現(xiàn)了小車軌跡的仿真和參數(shù)的即時修正[2]。季元進等改變了一般齒輪定心嚙合為變心嚙合導致后輪形成速度差使車體走似簡諧波從而達到軌跡要求[3]。本文采用了凸輪結構，通過計算所需要的轉(zhuǎn)角及結構所需行程確定凸輪行程及基圓半徑，通過凸輪推桿帶動前輪擺動，使小車按預設軌跡運行。

一、設計概述

無碳小車主要由傳動機構和轉(zhuǎn)向機構組成，行走的軌跡與車輪主動輪直徑、傳動比、凸輪行程、車頭轉(zhuǎn)向角的大小相關。在小車行進過程中由動力源（砝碼）帶動的小車下落產(chǎn)生的能量為4J，因此設計過程中齒輪間傳動比與主動輪的大小對減小摩擦力有很大的關系，適當?shù)臏p輕車身重量對減少能量消耗起很大的幫助。設計時考慮零件尺寸時，選用常用標準件能夠有效的減少加工時間和節(jié)省經(jīng)費，并且具有可替換性。無碳小車簡圖如圖1。

二、設計進程

（一）底板設計

無碳小車的底板承載所有機構，必須足夠堅固才能滿足良好的承重性要求，同時要盡量輕便，減少小車整體的重量。因此選定4mm厚的鋁合金材料。通過對車身做鏤空處理，鏤空最小間距為15mm，減輕重量同時保持了良好的受力性。車身寬度對軌跡也有影響，軸距的大小影響兩輪差速的大小以及運行的平穩(wěn)性。軸距太小會降低小車運行的平穩(wěn)性，軸距太大又會加大轉(zhuǎn)向難度[4]。通過預設軌跡曲線確定寬度為110mm。底板結構如圖2。

（二）動力轉(zhuǎn)換機構

動力轉(zhuǎn)換機構功能有兩種：1）力的轉(zhuǎn)化：砝碼下落重力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動主動軸轉(zhuǎn)動的力矩；2）運動形式轉(zhuǎn)化：砝碼下落直線運動轉(zhuǎn)化為小車前進并轉(zhuǎn)向的運動。為使能量利用最大化，采用無彈性的尼龍繩連接砝碼和主動軸，實現(xiàn)力矩的轉(zhuǎn)化。

力矩大小應能實現(xiàn)小車勻速行駛，因此需要預估整車質(zhì)量并利用力矩平衡估算出質(zhì)心位置，考慮小車結構及地面摩擦損失，最終確定用最大直徑為18mm的梯形繞線軸，使小車能夠在初始發(fā)車位置力矩最大，完成啟動加速到勻速行駛的緩慢過渡，進而增長小車行駛的距離。

（三）傳動機構

傳動機構可以把動力傳至驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機構上，因此傳動機構要滿足能源損耗低，傳動穩(wěn)定的要求。齒輪傳動是機械產(chǎn)業(yè)中使用頻率最高的機構之一，其傳動精度高、傳遞扭矩達、使用壽命長、能實現(xiàn)軸向距離較遠的場合[5]；齒輪傳動的效率是98%，并且構成簡單，拆裝方便，對軌跡路程分析后確定選用傳動比為4：1的一級齒輪組成，計算確定齒輪數(shù)據(jù)，方便直接購買標準件。已知走一個完整的S的直線距離是2000mm，為避免撞樁振幅設定為400mm，則通過計算：

①d為繞線軸直徑，i12為繞線軸與曲柄軸的傳動比，則得關系式：

Ν=400d·π×2×i12（1）

②定傳動比和后輪直徑：

Α為振幅，x為直線距離，小車行進軌跡曲線方程為：

y=ΑSinω·x（2）

其形成曲線的長度即為小車行駛路程的長度，則一個周期內(nèi)的曲線長度S為：

S=∫2π01+cos2ω·xdx（3）

已知振幅Α設定為400mm，x為直線距離取2000mm，則主動輪走過的距離為2641.3165mm，一個周期內(nèi)的軌跡長度為S，i23為曲柄軸與后輪軸傳動比，D為后輪直徑。

S=π·D·i23（4）

先根據(jù)標件齒輪定傳動比，再定后輪直徑。由式（2）得過圓心最大斜率k為：

k=y′=ωΑCosω·x（5）

當x=0也就是小車的最大轉(zhuǎn)動角度：

tanα=k=ωΑCosω·x=1.2566

α=arctan1.2566≈51°（6）

則小車主動輪的最佳半徑D為210mm，設定所繞樁數(shù)為20，經(jīng)過實驗，最佳繞線軸直徑為22mm；結合（1）（3）（4）式確定i12=i23=4。行進軌跡及偏角大小如圖3。

（四）轉(zhuǎn)向機構

轉(zhuǎn)向機構對于小車的軌跡有著及其重要的作用，它決定了前輪的擺動幅度，從而決定了無碳小車能否繞過更多樁穩(wěn)定前進。轉(zhuǎn)向機構作為控制單位，應充分減少結構間的能量損耗。在設計初期利用擺桿來帶動前輪轉(zhuǎn)向，實際操作中發(fā)現(xiàn)擺桿與推桿間摩擦力較大，并容易造成卡死。經(jīng)過實驗，確定利用齒輪齒條來推動轉(zhuǎn)向，通過推桿行程的設定，可實現(xiàn)精確的偏轉(zhuǎn)角度。

常見的轉(zhuǎn)向機構主要為：曲柄搖桿，曲柄連桿+搖桿三種結構。經(jīng)過分析得知凸輪推桿結構更加穩(wěn)定且無急回特性。推桿與小車前輪之間利用了齒輪齒條的嚙合機構，使前輪擺動幅度更加精確。小車行駛“S”型路線時，根據(jù)所需振幅及周期的要求，需要修正轉(zhuǎn)向的角度。

凸輪直桿運動示意圖：直動滾子從動件凸輪一連桿組合機構，凸輪與直桿固聯(lián)在一起，凸輪推動從動桿作水平運動，直桿帶動從動桿運動，如圖4。

（五）凸輪設計

轉(zhuǎn)向角度確定：設導向輪最大偏角為α，由公式（5）（6）知α=arctan1.2566≈51°

設行程H，齒輪齒條嚙合點為N，轉(zhuǎn)向齒輪分度圓半徑

R=m·z（7）

當導向輪達到最大偏角時，推桿達到最大行程，

M=2NR·tanα（8）

凸輪基圓確定：推桿與凸輪接觸點瞬時速度為v1，主動輪轉(zhuǎn)動角速度為ω1，凸輪最大半徑為rmax，凸輪基圓半徑r0，凸輪機構的壓力角為70°，從動件的位移為S2。則由該點速度與矢量關系，可知：

v1=rtanα→r=36mm（9）

S2=rmaxr0（10）

綜合考慮整體結構，為避免凸輪占據(jù)空間過大，選取凸輪基圓半徑為31mm，凸輪行程為5mm。由此得到凸輪輪廓，如圖6。

（六）微調(diào)裝置

針對影響軌跡形狀變化的參數(shù)設計微調(diào)機構，用軌跡形狀的變化規(guī)律對微調(diào)機構進行調(diào)節(jié)。

無碳小車在多次行駛后或者在重新裝配之后，零件之間的配合會出現(xiàn)微小偏差。這些偏差會造成小車行駛過程中的軌跡較大的改變，為修正軌跡形狀變化的參數(shù)設計微調(diào)機構，用軌跡形狀的變化規(guī)律對微調(diào)機構進行調(diào)節(jié)[6]。確定采用微調(diào)螺母螺旋結構來實現(xiàn)，因其操作簡單，固定性好，且?guī)в形⒄{(diào)螺母的推桿可調(diào)長度能夠有效的解決細微的偏差，通過對微調(diào)螺母進行調(diào)節(jié)，可以精確的控制方向輪左右的轉(zhuǎn)角，使軌跡始終保持對稱。這決定了小車繞樁的情況。因此對這些小的偏差做及時的調(diào)整很重要，這需要微調(diào)機構對其做出相應的調(diào)整。微調(diào)機構位于轉(zhuǎn)向機構上的推桿之間，通過扭動外部套筒改變桿間間距，調(diào)節(jié)有效距離為6mm。如圖7。

三、結語

本文通過對凸輪式S型無碳小車的各部分設計，使其滿足沿規(guī)定軌跡行駛的要求，又能保持行駛過程軌跡的平穩(wěn)及各結構的穩(wěn)定性。采用線型牽引產(chǎn)生帶動主動軸的力矩，利用齒輪傳動有效減少能量損耗，相比其它類型的轉(zhuǎn)向機構，使用推桿凸輪機構能夠更好的保持行駛過程中各機構間的配合的平順性。使用計算分析得到的凸輪輪槽曲線，避免了其它機構中產(chǎn)生的急回特性，保障了小車的平穩(wěn)行駛。通過改變凸輪的行程H，在其他機構不做改變的情況下可以微調(diào)前輪的轉(zhuǎn)角，使行駛軌跡可以按照不同的要求進行改變。

參考文獻：

[1]陳果，黃榮舟，李炳川.無碳小車轉(zhuǎn)向機構設計與微調(diào)分析[J].機械工程師，2015，（08）：152154.

[2]曹斌，張海波，朱華炳.基于槽輪機構的8字軌跡無碳小車設計[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2014，（06）：661665+704.

[3]季元進，任利惠，顧建.利用變心齒輪傳動的無碳小車的機構創(chuàng)新設計[J].機械設計，2014，（03）：7174.

[4]豆龍江，詹長庚，龐晨露，萬書亭.無碳小車的機械結構設計[J].機械工程與自動化，2014，（02）：8486.

[5]歐仕榮.淺析齒輪加工方法[J].電子制作，20151118，12.

[6]劉洋，姜吉光，謝醇.基于“軌跡分析法”的無碳小車微調(diào)機構的創(chuàng)新設計[J].機械傳動，2015，（12）：8387.

項目：遙操作機器人的網(wǎng)絡隨機時延的預測控制研究，武漢商學院科研項目（2016KY004）

作者簡介：李祥光（1995），男，河南駐馬店人，學生，2014級汽車服務工程，主要從事機械設計、機械制造研究。

通訊作者：劉義才（1982），男，工程師，武漢商學院機電工程與汽車服務學院教師。