雙8字軌跡無碳小車設(shè)計

陳青山 朱彪彪 夏圣博 馮鑫晟

摘 要：文章闡述實現(xiàn)第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽命題無碳小車雙“8”字型賽道避障行駛常規(guī)賽命題要求無碳小車結(jié)構(gòu)創(chuàng)新思路。為滿足雙8軌跡要求對小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行創(chuàng)新性設(shè)計，用凸輪推桿和兩個微調(diào)機構(gòu)配合實現(xiàn)小車較高精度的軌跡運動。

關(guān)鍵詞：無碳小車；雙8軌跡；轉(zhuǎn)向微調(diào)機構(gòu)；凸輪推桿

一、概述

競賽場地在半張標準乒乓球臺上有三個障礙樁沿中線放置。障礙樁為直徑200mm的圓棒，兩端的樁至中心樁的距離350±50 mm。小車需繞中線上的三個障礙樁按雙8字型軌跡循環(huán)運行。一個成功的8字繞障軌跡為3個封閉圈軌跡和軌跡的 4 次變向交替出現(xiàn)變向指的是軌跡的曲率中心從軌跡的一側(cè)變化到另一側(cè)。

通過對該命題的分析，大致設(shè)計思路為：砝碼從距小車底板400mm的高處下落帶動繞線軸轉(zhuǎn)動。通過一級齒輪嚙合將動力傳給傳動軸帶動驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動，齒輪嚙合將動力傳給凸輪軸，通過凸輪推桿機構(gòu)和兩個微調(diào)機構(gòu)配合實現(xiàn)小車雙8軌跡的運行。

二、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）傳動機構(gòu)設(shè)計

常見的簡單機械傳動方式有摩擦傳動、鏈條傳動、齒輪傳動、帶傳動和蝸桿蝸輪傳動等。由于摩擦傳動效率低噪聲較大，鏈條傳動與蝸桿蝸輪傳動效率低，故優(yōu)先考慮齒輪傳動和帶傳動。因使用帶傳動存在傳動精度不高以及空間占用較大故擬定碳鋼齒輪作傳動機構(gòu)。

如圖為小車結(jié)構(gòu)簡圖，其中傳動機構(gòu)主要由繞線軸、傳動軸和凸輪軸三部分組成。當(dāng)砝碼錘下落拖動尼龍線帶動繞線軸套使得繞線軸轉(zhuǎn)動，繞線軸通過一級齒輪傳動將動力傳動至傳動軸，傳動軸帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動為小車傳遞動力。傳動軸通過齒輪嚙合將動力傳動至凸輪軸，帶動凸輪周期性轉(zhuǎn)動。

（二）轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)向機構(gòu)是小車設(shè)計創(chuàng)新的關(guān)鍵部分，轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計直接決定小車的性能優(yōu)劣。轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)具備小摩擦耗能、機構(gòu)簡單、零部件已獲得等基本條件，且需有特殊運動特性能夠帶動轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)躲避物障的功能。原定轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計方案有：凸輪機構(gòu)+推桿和不完全齒輪+曲柄搖桿，由于不完全齒輪不間歇機構(gòu)運動存在裝配精度不高等、避障轉(zhuǎn)向可控性不高的問題，綜合考慮選用凸輪推桿與微調(diào)機構(gòu)配合使用作為本小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

1.凸輪

凸輪是根據(jù)命題雙8軌跡模擬設(shè)計的具有一定曲線輪廓的構(gòu)件并與凸輪軸作等速轉(zhuǎn)動，通過凸輪與推桿上的滾子高副接觸傳動動力，從而使推桿獲得連續(xù)或不連續(xù)的預(yù)期往復(fù)運動。

優(yōu)點：適當(dāng)?shù)卦O(shè)計出凸輪的輪廓曲線后就可以使推桿精準地實現(xiàn)所需的運動規(guī)律，而且響應(yīng)快速。缺點：凸輪輪廓線和推桿之間為點、線接觸、易磨損；凸輪精準制造較困難；需要使用額外機構(gòu)，利用皮筋的彈性固定作用使凸輪與滾子保持接觸。

2.微調(diào)機構(gòu)

2.1凹槽推桿

圖為凹槽推桿微調(diào)機構(gòu)。根據(jù)路線設(shè)計計算出凹槽推桿與轉(zhuǎn)向槽桿的相對位置關(guān)系即兩槽桿的夾角，用螺柱螺母進行固連。凹槽推桿通過滾子與凸輪接觸進而傳遞推程運動，又通過皮筋作用保持滾子與凸輪的接觸傳遞回程運動。依靠凸輪、滾子、凹槽推桿、螺柱螺母、轉(zhuǎn)向槽桿的相互位置關(guān)系傳遞動力完成周期性轉(zhuǎn)向。調(diào)整凹槽推桿與轉(zhuǎn)向槽桿的相對位置關(guān)系用螺柱螺母固連，當(dāng)螺柱螺母固連的位置靠近凹槽推桿滑槽后端時，轉(zhuǎn)向輪的偏角增大，當(dāng)螺柱在凹槽推桿滑槽前端時轉(zhuǎn)向輪偏角變小，使小車走過的路程發(fā)生變化，改變轉(zhuǎn)動半徑。

2.2微調(diào)螺母

圖為轉(zhuǎn)向槽桿微調(diào)機構(gòu)。采用微調(diào)螺母對轉(zhuǎn)向槽桿與轉(zhuǎn)向輪軸連接，可方便調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向槽桿與轉(zhuǎn)向輪軸的相對角度關(guān)系。在轉(zhuǎn)向輪軸上加裝與輪軸固定連接的偏角指針，底板位置加裝量角器。轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向輪軸同步偏轉(zhuǎn)帶動指針偏轉(zhuǎn)一定角度，通過指針所指示角度變化值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向槽桿與轉(zhuǎn)向輪軸的相對角度螺母進固連從而微調(diào)小車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動半徑控制行走軌跡。凹槽推桿與微調(diào)螺母兩個微調(diào)機構(gòu)的相互配合使用可大大提高微調(diào)精度實現(xiàn)雙8軌跡運行。

三、運動簡要說明

砝碼按照規(guī)定下落400mm過程中拖動尼龍線，帶動繞線軸套使得繞線軸轉(zhuǎn)動；繞線軸上的齒輪A與傳動軸上的齒輪B嚙合，通過齒輪嚙合將動力傳動到傳動軸上，使傳動軸帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動為小車提供動力；傳動軸上的齒輪B與凸輪軸上的齒輪C進行嚙合，將動力傳動至凸輪軸帶動凸輪轉(zhuǎn)動；凸輪與滾子通過皮筋彈性力作用始終保持接觸，將動力傳遞至凹槽推桿是凹槽推桿周期性進程回程運動；凹槽推桿與轉(zhuǎn)向槽桿通過螺栓螺母連接，將動力傳遞至轉(zhuǎn)向槽桿帶動轉(zhuǎn)向槽桿轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)向槽桿與轉(zhuǎn)向輪軸通過螺母連接，將動力傳遞至轉(zhuǎn)向輪，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向輪實現(xiàn)周期性偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車的雙8字軌跡。

參考文獻：

[1]王斌，王衍，李潤蓮等.“無碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計[J]. 山西大同大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2012，28（1）：59-62 ，96.

[2]潘存云.機械原理[M].2版.長沙：中南大學(xué)出版社，2013：185-186.

[3]張井洋，王恒廠，陳春陽. S型無碳小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 機電信息，2015（36）：154-155.