陳冬冬 梅杰 王沛棟 智惠

摘 要：針對(duì)2017年第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力的命題“無(wú)碳小車(chē)?yán)@8字組”的要求，對(duì)小車(chē)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，主要是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)Adams軟件強(qiáng)大的輔助功能進(jìn)行參數(shù)化建模和仿真，對(duì)無(wú)碳小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算仿真模擬，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。利用Matlab軟件對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。比賽實(shí)踐表明，小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行軌跡滿(mǎn)足“8字形”軌跡的要求，運(yùn)行平穩(wěn)，能量損失少，設(shè)計(jì)方案正確，在競(jìng)賽中取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

關(guān)鍵詞：無(wú)碳小車(chē)；8字形；行走軌跡；計(jì)算仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）07-0141-02

Abstract：In view of the proposition of the Fifth National College Students' engineering training comprehensive ability in 2017， the title of this contest is a car without carbon emission run around “8 character” .And this contest complete innovation design of the car， mainly steering mechanism design. Through the parametric modeling and Simulation of the powerful auxiliary function of Adams software， the trajectory simulation of the no carbon car is simulated， and the design parameters are optimized. At the same time， Matlab software is used to analyze the simulation data and obtain the best structure design. Competition practice shows that the design of the car structure is reasonable， the running track meets the requirements of the "8 character" trajectory， the operation is smooth， the energy loss is less， the design scheme is correct， and good results have been achieved in the competition.

Key Words：carbon free car； 8 character； walking track； calculation simulation

本設(shè)計(jì)源于全國(guó)工程能力設(shè)計(jì)競(jìng)賽無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)，該競(jìng)賽要求設(shè)計(jì)一種根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理完成繞固定樁距的八字形小車(chē)。

1設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性分析

根據(jù)比賽要求，無(wú)碳小車(chē)必須能夠完成8字形的周期性繞圈，并且保證軌跡有較高的重合度，同時(shí)小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡曲率要保證是均勻連續(xù)沒(méi)有突變的變化，這樣小車(chē)才能平穩(wěn)運(yùn)行不發(fā)生傾覆的現(xiàn)象。為使小車(chē)精確地走“8”行曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與后輪之間需存在精確的傳動(dòng)比關(guān)系。

小車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分就是對(duì)于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它將直接決定小車(chē)的整車(chē)性能和所繞8字形的圈數(shù)。為實(shí)現(xiàn)“8”字軌跡，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)必須是周期性受驅(qū)動(dòng)力。

能夠?qū)崿F(xiàn)此特定功能的機(jī)構(gòu)有：曲柄連桿+搖桿、齒輪齒條、正弦機(jī)構(gòu)（曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)）、RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)等。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單但一個(gè)滑動(dòng)副，能量損失大，效率低，存在急回特性使之難以實(shí)現(xiàn)精穩(wěn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；齒輪齒條在往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)因?yàn)榇嬖诩庸ふ`差會(huì)使軌跡誤差累加，軌跡會(huì)紊亂；RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)有2個(gè)球副，搖桿與前輪的角度難以精準(zhǔn)的控制。

綜合以上，我們選用正弦機(jī)構(gòu)（曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)）與直線(xiàn)軸承結(jié)合控制運(yùn)動(dòng)的方案作為無(wú)碳小車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 Adams參數(shù)化模型的建立

2.1正弦機(jī)構(gòu)擺角規(guī)律

正弦機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1，其曲柄長(zhǎng)度可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可改變無(wú)碳小車(chē)的前輪擺角。

前輪擺角與后輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下：推桿水平移動(dòng)距離為D=R×sinα，其中α為曲柄轉(zhuǎn)角，R為曲柄長(zhǎng)度；前輪擺角正切為tanθ=D/L，其中L 為推桿距前輪軸心的距離；前輪擺角大小與后輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系為：

tanθ=Rsinα/L （1）

2.2對(duì)稱(chēng)性分析

將式（1）改寫(xiě)，得到正弦機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)角和前輪擺角間有以下結(jié)論：正弦機(jī)構(gòu)正反方向的轉(zhuǎn)角變化完全對(duì)稱(chēng)，可使無(wú)碳小車(chē)前輪左右擺角相同。

2.3可調(diào)節(jié)性分析

式（1）中的R 為任意值，故改變R 的大小都不會(huì)改變前輪擺角，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整前輪擺角的大小，而且調(diào)整后的擺角規(guī)律和原來(lái)一樣。但是實(shí)際調(diào)試中，由于加工精度和安裝誤差的存在，即使前輪擺角規(guī)律對(duì)稱(chēng)，小車(chē)也很難走出重合度較好的軌跡。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)象是小車(chē)軌跡向一側(cè)彎曲。此時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整推桿的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)前輪左右擺動(dòng)的擺角的大小。正弦機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，搖桿在最向前和最向后的兩極限位置如圖 2 所示。

當(dāng)使推桿長(zhǎng)度增長(zhǎng)△L 時(shí)，推桿末端相對(duì)前輪軸軸線(xiàn)向前移動(dòng)的最大位移為 R+△L，此時(shí)的前輪擺角為

θ=arctan（（R+△L）sin/L）； （2）

推桿末端相對(duì)前輪軸軸線(xiàn)向后移動(dòng)的最大位移為 R-L，此時(shí)前輪擺角為

θ=arctan（（R-△L）sin/L）。 （3）

據(jù)此可知無(wú)碳小車(chē)前輪向左擺動(dòng)的最大擺角大于向右擺動(dòng)的最大擺角（以圖 2 右側(cè)為前進(jìn)方向）。因此，當(dāng)小車(chē)軌跡向右發(fā)生偏移時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)長(zhǎng)推桿的長(zhǎng)度，從而增大小車(chē)向左轉(zhuǎn)向擺角的大小，以保持小車(chē)軌跡的重合度；同理，當(dāng)小車(chē)軌跡向左發(fā)生偏移時(shí)，可以適當(dāng)縮短推桿長(zhǎng)度，以提高小車(chē)軌跡的重合度。

3運(yùn)動(dòng)分析

3.1小車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)比賽要求，參賽小車(chē)需要按照“8”形狀的曲線(xiàn)行走并自動(dòng)避過(guò)預(yù)先放置好的固定距離的障礙物。建立數(shù)學(xué)建模并利用分析軟件對(duì)其進(jìn)行仿真、模擬、分析得到理論的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)來(lái)減小甚至消除運(yùn)動(dòng)軌跡誤差，以精確運(yùn)動(dòng)軌跡。有兩種“8”形軌跡提供我們選擇：（1）采用正三輪的小車(chē)結(jié)構(gòu)，完成對(duì)稱(chēng)型的“8”字形軌跡；（2）偏三輪的小車(chē)結(jié)構(gòu)，完成非對(duì)型稱(chēng)“8”字形軌跡。

通過(guò)Adams參數(shù)化建模、仿真對(duì)用單輪驅(qū)動(dòng)的無(wú)碳小車(chē)前輪位置對(duì)軌跡的影響進(jìn)行了試驗(yàn)；并利用Matlab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模分析。所得結(jié)論與查詢(xún)資料結(jié)果一致：前輪放在驅(qū)動(dòng)輪一側(cè)能夠得到更好的無(wú)碳小車(chē)的運(yùn)行軌跡，且將前輪與驅(qū)動(dòng)輪共面更有利于保證無(wú)碳小車(chē)機(jī)架質(zhì)心軌跡的直線(xiàn)度。最終我們決定采用轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動(dòng)輪共面的偏三輪式的單輪驅(qū)動(dòng)的小車(chē)。

3.2轉(zhuǎn)向輪擺角

轉(zhuǎn)向輪的擺角確定是采用經(jīng)驗(yàn)法與實(shí)驗(yàn)法確定的。先參考車(chē)輛設(shè)計(jì)中一般三輪車(chē)的轉(zhuǎn)向角，初步確定理論轉(zhuǎn)角的范圍，理論轉(zhuǎn)角值控制在一定的范圍之內(nèi)，保證在后期的調(diào)試過(guò)程中方便的總結(jié)與更改。

4 小車(chē)結(jié)構(gòu)的確定

4.1 原動(dòng)機(jī)構(gòu)

小車(chē)的原動(dòng)機(jī)構(gòu)主要功能是將重錘下降的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小車(chē)前進(jìn)的動(dòng)能。

考慮采用可調(diào)驅(qū)動(dòng)力矩的方法那就是采用變徑繞線(xiàn)軸。繞線(xiàn)軸的直徑會(huì)影響驅(qū)動(dòng)力矩的大小和所繞線(xiàn)的圈數(shù)。繞線(xiàn)軸越細(xì)，繞線(xiàn)圈數(shù)越多，小車(chē)走出的“8”字軌跡越多，繞線(xiàn)軸傳遞扭矩越小，驅(qū)動(dòng)力矩越?。环粗?。通過(guò)直徑控制小車(chē)運(yùn)行車(chē)速，使之平穩(wěn)運(yùn)行。

重錘和繞線(xiàn)軸間采用漁線(xiàn)連接，重錘下落拉動(dòng)漁線(xiàn)，經(jīng)過(guò)滑輪變向，帶動(dòng)變徑繞線(xiàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)?；啿捎秒p連輪方式，雙連輪成放大比，則傳遞到繞線(xiàn)軸上的力減小，小車(chē)驅(qū)動(dòng)力減小，繞線(xiàn)軸上纏繞漁線(xiàn)圈數(shù)增多，小車(chē)走出的“8”字軌跡增多；反之小車(chē)驅(qū)動(dòng)力增大，走出的“8”字軌跡減少。

4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

小車(chē)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)一定的傳動(dòng)比把繞線(xiàn)軸上的力矩傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上，使小車(chē)運(yùn)行，同時(shí)繞線(xiàn)軸將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

齒輪傳動(dòng)中，瞬時(shí)傳動(dòng)比是恒定的，可以使小車(chē)行駛路程最大。故選用齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

小車(chē)“8”字軌跡的大小，由齒輪的傳動(dòng)比決定。由試驗(yàn)結(jié)果，選擇齒數(shù)比為26∶134，可以將小車(chē)的軌跡控制完成300mm-500mm任意樁距。相同中心距的齒輪，相近的傳動(dòng)比，模數(shù)大，齒數(shù)少；模數(shù)小，齒數(shù)多。選用承受載荷小的小模數(shù)齒輪，可以有效地減小齒輪嚙合間隙，減弱嚙合碰撞，減小能量損耗。

4.3 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)就是小車(chē)驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向輪，因?yàn)樾≤?chē)路徑為“8”字形，如果采用雙輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎時(shí)就會(huì)產(chǎn)生差速差，必須添加差速器，這樣增加了小車(chē)的復(fù)雜性，而且會(huì)增加能量損耗，故采偏三輪的小車(chē)結(jié)構(gòu)，即采用單輪前驅(qū)轉(zhuǎn)向輪后置，并配以輔助輪穩(wěn)定車(chē)身。

5 小車(chē)的裝配調(diào)試

各機(jī)構(gòu)按照其選定的裝配基準(zhǔn)分別進(jìn)行安裝，確定各部分裝配正確，由轉(zhuǎn)向輪輪架―支撐輪輪架―軸承座―傳動(dòng)機(jī)構(gòu)―正弦機(jī)構(gòu)―重錘支架的順序進(jìn)行各部分的總裝。小車(chē)調(diào)試采用控制變量法，即通過(guò)保持一個(gè)或多個(gè)量不變，調(diào)整另一個(gè)或多個(gè)量改變，來(lái)探究這些量之間的關(guān)系。

6 總結(jié)

本文介紹了基于2017年第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中繞8字無(wú)碳小車(chē)命題的整個(gè)設(shè)計(jì)制造調(diào)試過(guò)程，通過(guò)前期對(duì)設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性分析，參數(shù)化模型建立以及運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)小車(chē)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行最后的確定加工，最終進(jìn)行小車(chē)的裝配調(diào)試。小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行軌跡滿(mǎn)足“8字形”軌跡的要求，運(yùn)行平穩(wěn)，能量損失少，設(shè)計(jì)方案正確合理，可供后續(xù)比賽設(shè)計(jì)借鑒推廣。

參考文獻(xiàn)

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