陳青山 朱彪彪 夏圣博 馮鑫晟

摘 要：文章闡述實(shí)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(duì)小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，用凸輪推桿和兩個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)小車較高精度的軌跡運(yùn)動(dòng)。

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

一、概述

競賽場地在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)上有三個(gè)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(gè)障礙樁按雙8字型軌跡循環(huán)運(yùn)行。一個(gè)成功的8字繞障軌跡為3個(gè)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(duì)該命題的分析，大致設(shè)計(jì)思路為：砝碼從距小車底板400mm的高處下落帶動(dòng)繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過一級(jí)齒輪嚙合將動(dòng)力傳給傳動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪嚙合將動(dòng)力傳給凸輪軸，通過凸輪推桿機(jī)構(gòu)和兩個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)小車雙8軌跡的運(yùn)行。

二、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

如圖為小車結(jié)構(gòu)簡圖，其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由繞線軸、傳動(dòng)軸和凸輪軸三部分組成。當(dāng)砝碼錘下落拖動(dòng)尼龍線帶動(dòng)繞線軸套使得繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繞線軸通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳動(dòng)至傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)為小車傳遞動(dòng)力。傳動(dòng)軸通過齒輪嚙合將動(dòng)力傳動(dòng)至凸輪軸，帶動(dòng)凸輪周期性轉(zhuǎn)動(dòng)。

（二）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車設(shè)計(jì)創(chuàng)新的關(guān)鍵部分，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接決定小車的性能優(yōu)劣。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)具備小摩擦耗能、機(jī)構(gòu)簡單、零部件已獲得等基本條件，且需有特殊運(yùn)動(dòng)特性能夠帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)躲避物障的功能。原定轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有：凸輪機(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)配合使用作為本小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

1.凸輪

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

優(yōu)點(diǎn)：適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線后就可以使推桿精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且響應(yīng)快速。缺點(diǎn)：凸輪輪廓線和推桿之間為點(diǎn)、線接觸、易磨損；凸輪精準(zhǔn)制造較困難；需要使用額外機(jī)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(jī)構(gòu)

2.1凹槽推桿

圖為凹槽推桿微調(diào)機(jī)構(gòu)。根據(jù)路線設(shè)計(jì)計(jì)算出凹槽推桿與轉(zhuǎn)向槽桿的相對(duì)位置關(guān)系即兩槽桿的夾角，用螺柱螺母進(jìn)行固連。凹槽推桿通過滾子與凸輪接觸進(jìn)而傳遞推程運(yùn)動(dòng)，又通過皮筋作用保持滾子與凸輪的接觸傳遞回程運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(duì)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(shí)，轉(zhuǎn)向輪的偏角增大，當(dāng)螺柱在凹槽推桿滑槽前端時(shí)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(dòng)半徑。

2.2微調(diào)螺母

圖為轉(zhuǎn)向槽桿微調(diào)機(jī)構(gòu)。采用微調(diào)螺母對(duì)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(duì)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(dòng)指針偏轉(zhuǎn)一定角度，通過指針?biāo)甘窘嵌茸兓嫡{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向槽桿與轉(zhuǎn)向輪軸的相對(duì)角度螺母進(jìn)固連從而微調(diào)小車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑控制行走軌跡。凹槽推桿與微調(diào)螺母兩個(gè)微調(diào)機(jī)構(gòu)的相互配合使用可大大提高微調(diào)精度實(shí)現(xiàn)雙8軌跡運(yùn)行。

三、運(yùn)動(dòng)簡要說明

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

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