“8”字繞障無碳小車微調機構的設計＊

王 帥，蘇航杰，武振宇，徐凌峰

（天津科技大學機械工程學院，天津 300457）

“8”字繞障無碳小車設計比賽是全國大學生工程訓練綜合能力競賽的比賽項目之一，迄今已經舉辦了五屆。無碳小車為了補償加工和安裝誤差，實現精確的軌跡要求，必須設計一套可靠的微調機構，這是無碳小車設計的難點之一。從以往的比賽情況來看，很多無碳小車都能夠完成特定樁距的“8”字形軌跡路線，但一旦樁距發生改變，很多小車便不能按照精確設計好的路線行駛，導致繞樁失敗。

1 對軌跡偏移的分析

圖1是“8”字繞障無碳小車的理想軌跡。該軌跡由4個部分組成，其中，AB和CD由過渡曲線組成，BC和DA由圓弧組成；AB與CD的交點為O，定義為軌跡中心；圓弧DA的圓心為O1，圓弧BC的圓心為O2。如果小車能夠重復不斷的、無偏移的沿該軌跡運行，則繞樁成功。

圖1 “8”字繞障無碳小車理想軌跡

圖2 小車轉彎時的運動狀態

為了分析小車軌跡出現偏移的原因，建立了無碳小車的數學模型。小車為三輪對稱結構，前輪為轉向輪，前輪轉角可以實現周期偏轉；后輪為驅動輪，左右兩側車輪由同一根軸驅動，軸上裝有差速器。小車前后軸距L為12 mm，后輪輪距B為13 mm，取后輪距中心點P為參考軌跡點，則小車在轉彎時的狀態如圖2所示[2]。

圖2中，θ為小車轉彎時前輪轉角。設小車左轉時前輪轉角為θ1，小車右轉時小車轉角為θ2，則小車每完成一個“8”字軌跡，前輪的總轉角β＝θ1＋θ2。如果小車軌跡對稱，則θ1＝θ2，給定樁距就可計算出θ值。設樁距等于400 mm，則計算出θ1＝θ2＝28.68°[3]。

將前輪轉角賦予不同的數值，利用MATLAB軟件對所建立小車模型的運行軌跡進行模擬仿真發現，當θ1＝θ2且θ1與θ2之和即前輪總轉角β與理論值相等時，小車沿理想“8”字軌跡運行；當θ1≠θ2且θ1與θ2之和與理論值相等時，小車沿偏移軌跡運行；當θ1＝θ2且θ1與θ2之和與理論值不相等時，小車沿偏移軌跡運行；當θ1≠θ2且θ1與θ2之和與理論值不相等時，小車沿偏移軌跡運行。

圖3 雙螺旋微調機構

2 對微調機構的改進

小車軌跡出現偏移的主要原因是前輪總轉角過大或過小，前輪左轉和右轉角度不相等造成。因此，微調機構必須具有能夠調整總轉角大小以及分配左右轉角的功能。傳統的無碳小車微調機構有滑塊式機構、螺母式機構2種。螺母式機構沒有刻度，調整無法量化；滑塊式機構精度太小，調整起來困難比較大，且不能連續調整。這些調整機構均不能精確調整前輪總轉角大小，分配左右轉角。為此，本設計提出引入2套高精度的螺旋測微裝置用于微調機構，1套用于前輪總轉角調整，1套用于左右轉角分配，如圖3所示。

為了驗證微調機構方案的正確性，制造了樣車。經測試，通過對該樣車傳動系統和微調機構的調整，可以實現300～500 mm的繞樁行駛，并接近于理想的“8”字形軌跡。繞400 mm樁距時，平均可重復46圈。

3 結束語

本文對無碳小車運行軌跡的偏移進行分析，對微調機構進行創新設計。在試驗調試中發現，微調機構中的2套高精度螺旋測微裝置能夠精準調整總轉角大小，并分配左右轉角，有效實現軌跡要求。這個設計能更好地達到比賽的要求。

［1］趙國博，趙保璇，潘瑞鵬.基于MATLAB的“8”字繞障無碳小車的軌跡模擬［J］.機械工程師，2017（1）：97-98.

［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］.合肥工業大學學報（自然科學版），2014，37（6）：661-665.

［3］任帥，高遠，邵夢瑩.8字無碳小車的結構設計［J］.科技創新導報，2017（18）：110-111.