王云云，徐龍飛，邱震明，楊 琦，王思奇，姜 浩

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

基于偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)的S型軌跡無碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王云云1，徐龍飛1，邱震明2，楊 琦2，王思奇1，姜 浩1

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

本文根據(jù)第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽“S”型軌跡無碳小車的命題，提出了偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)和雙輪差速驅(qū)動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立三維模型，利用MATLAB運(yùn)動仿真得出理想軌跡，制作的小車實(shí)現(xiàn)了全部設(shè)計(jì)功能，獲得優(yōu)異成績.

無碳小車；偏置曲柄滑桿；虛擬樣機(jī)

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練訓(xùn)練綜合能力競賽要求制作的無碳小車是用高度為400+2mm、1kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力勢能驅(qū)動小車行走和轉(zhuǎn)向，比賽內(nèi)容包括第一輪“S”型賽道避障行駛競賽、3D打印制作、參賽小車機(jī)械拆卸及重裝、第二輪“S”型賽道避障行駛競賽等項(xiàng)目.

第五屆競賽在以往比賽賽道樁距都為1m的前提下，將偶數(shù)位置的障礙物按抽簽得到的障礙物間距變化值(200～300mm)和變化方向進(jìn)行移動（正值遠(yuǎn)離，負(fù)值移近），產(chǎn)生的“S”型軌跡由以往的等間距變?yōu)椴坏乳g距，如圖1所示，命題難度大幅增加，在理論分析、設(shè)計(jì)方面提出了更高的要求，在制作、裝配和調(diào)整過程中鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力.

圖1 無碳小車的在重力勢能作用下的運(yùn)動軌跡

針對本屆賽事的命題，我們圍繞小車提出了偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)和雙輪差速驅(qū)動機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，制作出的無碳小車能夠較好地滿足命題的需求.

1 方案分析及設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動裝置

無碳小車的源動力為重物下落做功所得到的4J能量，為使小車穩(wěn)定可靠、調(diào)整方便，我們的主傳動系統(tǒng)采用一級齒輪傳動，提高傳動效率.

小車行進(jìn)中，兩后輪在轉(zhuǎn)向過程中會存在差速現(xiàn)象.傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，小車多采用單輪驅(qū)動，一輪為導(dǎo)向輪另一輪為從動輪，這種機(jī)構(gòu)雖然能實(shí)現(xiàn)兩輪差速運(yùn)動，但實(shí)踐表明，單輪差速運(yùn)動在一個周期內(nèi)的行走軌跡比雙輪驅(qū)動要短，并且從動輪在運(yùn)動過程中慣性大易打滑使軌跡偏斜.因此，本文小車采用雙輪差速驅(qū)動，能夠交替變換主從動輪（小車行進(jìn)時(shí)后輪速度較大的車輪被稱為從動輪），利用單向軸承實(shí)現(xiàn)差速[1].

1.2 轉(zhuǎn)向裝置

1.2.1 偏置曲柄滑桿機(jī)構(gòu)

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄擺桿機(jī)構(gòu)這類四連桿機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)等間距“S”軌跡運(yùn)動的基礎(chǔ)上，本文采用偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)作為無碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，利用急回運(yùn)動產(chǎn)生不等間距“S”型軌跡.

偏置曲柄滑桿機(jī)構(gòu)由于偏心距的存在，會使曲柄滑桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生急回現(xiàn)象.如圖2所示，滑桿的兩個極限位置對應(yīng)曲柄的位置有一個極位夾角θ.滑桿從左極限點(diǎn)到右極限點(diǎn)與從右極限點(diǎn)到左極限點(diǎn)擺桿擺相同角度，對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)過的角度并不相同，分別為θ1和θ2,θ2＞θ1.

圖2 曲柄滑桿機(jī)構(gòu)簡圖

圖3 微調(diào)螺桿

滑桿從左極限點(diǎn)到右極限點(diǎn)小車軌跡長：

滑桿從右極限點(diǎn)到左極限點(diǎn)小車軌跡長：

注：i為齒輪傳動比，R為后輪直徑

小車在行進(jìn)時(shí)，擺桿擺相同度數(shù)φ1=φ2，軌跡滿足S型不等間距的要求.

偏置曲柄滑桿機(jī)構(gòu)有急回運(yùn)動，在傳動過程中若最小傳動角過小易使小車行走不穩(wěn)定，消耗更多能量.當(dāng)曲柄與滑桿的行程垂直時(shí)，曲柄與滑桿的傳動角最小，其值為[2]:

注：a為曲柄長度，b為連桿長度，c為偏置距離

設(shè)計(jì)時(shí)在滿足桿長關(guān)系的條件下，減小曲柄長度和偏置距離或增加連桿長度可增大小車傳動過程中的最小傳動角，使能量利用最大化.

1.2.2 微調(diào)螺桿

小車的周期性軌跡對桿長關(guān)系精度要求很高，針對小車設(shè)計(jì)及安裝過程中桿長存在誤差問題，我們將滑桿長度設(shè)計(jì)成可微調(diào)形式，采用微調(diào)連桿長度改變滑桿長度，方便調(diào)節(jié)并提高調(diào)節(jié)精度.微調(diào)螺桿位置在滑桿上方與滑桿連接在同一組連接件上，其一端與滑桿連接件固定連接，另一端與滑桿連接件用螺紋配合連接，通過調(diào)節(jié)微調(diào)螺桿與滑桿連接件的螺紋旋合長度調(diào)節(jié)滑桿長度.微調(diào)螺桿如圖3所示.

2 小車虛擬樣機(jī)建模及運(yùn)動仿真

2.1 小車虛擬樣機(jī)建模

小車方案制訂后進(jìn)行虛擬樣機(jī)技術(shù)三維實(shí)體建模.首先利用Solidworks軟件進(jìn)行零件建模，利用設(shè)計(jì)好的二維零件圖尺寸畫出草圖，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、孔功能、陣列功能建立小車的各零件模型.再根據(jù)各零件間的約束關(guān)系利用自下而上的方法進(jìn)行零件的虛擬模型裝配.最后根據(jù)已經(jīng)定義約束好的小車裝配體，利用評估板塊的干涉檢查命令對實(shí)際尺寸進(jìn)行干涉約束檢查，計(jì)算結(jié)果顯示零件間均無干涉情況.得到小車裝配體如圖4所示.

圖4 小車裝配體

2.2 運(yùn)動軌跡仿真

虛擬樣機(jī)制作完成后進(jìn)行小車的運(yùn)動軌跡仿真及分析，簡化其模型，利用matlab進(jìn)行運(yùn)動軌跡仿真.通過不斷改變小車初始擺放角度和各桿長長度，最終找到仿真出理想軌跡的數(shù)據(jù)，得出軌跡仿真圖如圖5所示，模擬后的曲線符合不等間距“S”型軌跡要求.

圖5 小車運(yùn)動軌跡圖

3 設(shè)計(jì)制作與調(diào)試

3.1 小車的制作

小車車底板用鋁合金材料制作，當(dāng)鋁合金板材厚度＞3mm時(shí)，小車在運(yùn)行時(shí)沒有應(yīng)力變形，因此制作車底板厚度為4mm.前叉采用數(shù)控銑銑出兩個U型槽，保證前輪軸與擺桿中心位置的垂直度.在大齒輪輪面上到齒輪中心曲柄長度處鉆孔，通過螺紋連接桿與連桿連接，使曲柄與大齒輪固連在一起，簡化小車機(jī)構(gòu).車底板與兩軸承支撐板在機(jī)床上同時(shí)鉆孔，用螺栓連接，保證其位置精度.后輪與軸承通過軸承端蓋連接，利用套筒和軸套將軸承定位，方便小車快速拆卸與重裝.

3.2 小車的調(diào)試

小車制作并裝配好后，通過微調(diào)各桿長調(diào)節(jié)小車的運(yùn)動周期與軌跡.微調(diào)擺桿長度可調(diào)節(jié)小車一個運(yùn)動周期起點(diǎn)與終點(diǎn)的間距，即調(diào)節(jié)小車運(yùn)動的周期長度.微調(diào)滑桿長度使擺桿中心位置與滑桿垂直，將此位置定為小車起始狀態(tài)位置，通過反復(fù)調(diào)節(jié)小車起始擺放角度和距出發(fā)線距離可使小車軌跡中心線在理論要求的直線上.

針對雙輪差速驅(qū)動中小車后輪易打滑導(dǎo)致小車實(shí)際軌跡偏斜，周期性運(yùn)動不準(zhǔn)確問題，我們采用對后輪輪面進(jìn)行滾花，加大后輪對地面的附著力，使小車后輪不易打滑，實(shí)踐證明此方法有效可靠，小車行進(jìn)更加平穩(wěn)，未明顯增加小車行進(jìn)阻力.

4 結(jié)論

本文通過雙輪差速驅(qū)動、曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向的無碳小車，在驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，建立虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行干涉檢查后發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)尺寸合理，無干涉情況，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行運(yùn)動軌跡仿真，仿真結(jié)果符合競賽要求的不等間距“S”型軌跡.制作樣車的實(shí)際運(yùn)動軌跡符合設(shè)計(jì)軌跡，運(yùn)行穩(wěn)定，獲得安徽省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽一等獎，并獲得國賽的出線權(quán).

〔1〕張燦,林國帥,巫梁峰.基于重物下落實(shí)現(xiàn)規(guī)定軌跡運(yùn)動的無碳小車的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào),2013（3）:285.

〔2〕董萍.具有最優(yōu)傳力性能的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].科研發(fā)展,2012（12）:79.

TH122

A

1673-260X（2017）08-0022-02

2017-05-07

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610360034）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（2015ckjh010）；安徽工業(yè)大學(xué)校企合作實(shí)踐教育基地項(xiàng)目(2012-5)