王 帥，蘇航杰，武振宇，徐凌峰

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300457）

“8”字繞障無碳小車設(shè)計(jì)比賽是全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的比賽項(xiàng)目之一，迄今已經(jīng)舉辦了五屆。無碳小車為了補(bǔ)償加工和安裝誤差，實(shí)現(xiàn)精確的軌跡要求，必須設(shè)計(jì)一套可靠的微調(diào)機(jī)構(gòu)，這是無碳小車設(shè)計(jì)的難點(diǎn)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(fā)生改變，很多小車便不能按照精確設(shè)計(jì)好的路線行駛，導(dǎo)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(gè)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(diǎn)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(fù)不斷的、無偏移的沿該軌跡運(yùn)行，則繞樁成功。

圖1 “8”字繞障無碳小車?yán)硐胲壽E

圖2 小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

為了分析小車軌跡出現(xiàn)偏移的原因，建立了無碳小車的數(shù)學(xué)模型。小車為三輪對稱結(jié)構(gòu)，前輪為轉(zhuǎn)向輪，前輪轉(zhuǎn)角可以實(shí)現(xiàn)周期偏轉(zhuǎn)；后輪為驅(qū)動(dòng)輪，左右兩側(cè)車輪由同一根軸驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)P為參考軌跡點(diǎn)，則小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的狀態(tài)如圖2所示[2]。

圖2中，θ為小車轉(zhuǎn)彎時(shí)前輪轉(zhuǎn)角。設(shè)小車左轉(zhuǎn)時(shí)前輪轉(zhuǎn)角為θ1，小車右轉(zhuǎn)時(shí)小車轉(zhuǎn)角為θ2，則小車每完成一個(gè)“8”字軌跡，前輪的總轉(zhuǎn)角β＝θ1＋θ2。如果小車軌跡對稱，則θ1＝θ2，給定樁距就可計(jì)算出θ值。設(shè)樁距等于400 mm，則計(jì)算出θ1＝θ2＝28.68°[3]。

將前輪轉(zhuǎn)角賦予不同的數(shù)值，利用MATLAB軟件對所建立小車模型的運(yùn)行軌跡進(jìn)行模擬仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)θ1＝θ2且θ1與θ2之和即前輪總轉(zhuǎn)角β與理論值相等時(shí)，小車沿理想“8”字軌跡運(yùn)行；當(dāng)θ1≠θ2且θ1與θ2之和與理論值相等時(shí)，小車沿偏移軌跡運(yùn)行；當(dāng)θ1＝θ2且θ1與θ2之和與理論值不相等時(shí)，小車沿偏移軌跡運(yùn)行；當(dāng)θ1≠θ2且θ1與θ2之和與理論值不相等時(shí)，小車沿偏移軌跡運(yùn)行。

圖3 雙螺旋微調(diào)機(jī)構(gòu)

2 對微調(diào)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

小車軌跡出現(xiàn)偏移的主要原因是前輪總轉(zhuǎn)角過大或過小，前輪左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)角度不相等造成。因此，微調(diào)機(jī)構(gòu)必須具有能夠調(diào)整總轉(zhuǎn)角大小以及分配左右轉(zhuǎn)角的功能。傳統(tǒng)的無碳小車微調(diào)機(jī)構(gòu)有滑塊式機(jī)構(gòu)、螺母式機(jī)構(gòu)2種。螺母式機(jī)構(gòu)沒有刻度，調(diào)整無法量化；滑塊式機(jī)構(gòu)精度太小，調(diào)整起來困難比較大，且不能連續(xù)調(diào)整。這些調(diào)整機(jī)構(gòu)均不能精確調(diào)整前輪總轉(zhuǎn)角大小，分配左右轉(zhuǎn)角。為此，本設(shè)計(jì)提出引入2套高精度的螺旋測微裝置用于微調(diào)機(jī)構(gòu)，1套用于前輪總轉(zhuǎn)角調(diào)整，1套用于左右轉(zhuǎn)角分配，如圖3所示。

為了驗(yàn)證微調(diào)機(jī)構(gòu)方案的正確性，制造了樣車。經(jīng)測試，通過對該樣車傳動(dòng)系統(tǒng)和微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)，平均可重復(fù)46圈。

3 結(jié)束語

本文對無碳小車運(yùn)行軌跡的偏移進(jìn)行分析，對微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，微調(diào)機(jī)構(gòu)中的2套高精度螺旋測微裝置能夠精準(zhǔn)調(diào)整總轉(zhuǎn)角大小，并分配左右轉(zhuǎn)角，有效實(shí)現(xiàn)軌跡要求。這個(gè)設(shè)計(jì)能更好地達(dá)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(jī)械工程師，2017（1）：97-98.

［2］曹斌，張海波，朱華炳.基于槽輪機(jī)構(gòu)的8字軌跡無碳小車設(shè)計(jì)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，37（6）：661-665.

［3］任帥，高遠(yuǎn)，邵夢瑩.8字無碳小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（18）：110-111.