基于不完全齒輪齒條轉向的避障小車研究*

鄒光明，王東雄，尹志朋，劉源泂，沈 歡

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢 430081）

基于不完全齒輪齒條轉向的避障小車研究*

鄒光明，王東雄，尹志朋，劉源泂，沈 歡

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢 430081）

設計了一種以不完全齒輪和齒條嚙合來控制轉向的避障小車。小車在前行過程中能自動避開相隔一定距離的障礙物。該小車由轉向系統、傳動系統和車架等組成。轉向系統由兩個不完全齒輪與齒條嚙合驅動轉向輪轉向；傳動系統由齒輪機構組成。實踐表明該避障小車的設計是合理可行的。

不完全齒輪；齒條；避障小車；轉向系統

根據第三屆工程訓練大賽的主題，對避障小車進行了設計。設計要求為：給定4 J的重力勢能，根據能量轉換原理，設計一種小車，該小車可將4 J的重力勢能轉換為機械能驅動小車行走，并且在前行過程中能夠自動避開設置在賽道上的固定間距為1 000 mm的障礙物。對于避障小車的研究一直以來受到全國各高校及研究機構相關人員的關注，他們的研究取得了一些成果，并已有相關文獻發表[1-3]。

1 小車方案設計

通過對小車進行功能分析可知小車需要完成的功能有：實現重力勢能的轉換、驅動自身行走、自動避開障礙物。根據小車所要完成的功能將小車劃分為傳動系統、轉向系統和車架等部分。

1.1 轉向系統方案設計

轉向系統是本小車設計的關鍵部分，直接決定著小車的繞障功能。轉向系統需要盡可能地減少摩擦損耗，具有結構簡單、零部件易獲得等基本條件，同時還需具有特殊的運動特性——能夠將連續的旋轉運動轉化為轉向桿的往復擺動，從而帶動轉向輪左右轉動實現轉向避障的功能。轉向系統的方案主要考慮以下幾種形式。

（1）凸輪機構。通過對凸輪機構的設計可以達到運動特性的要求，但是凸輪輪廓加工較困難，一旦凸輪輪廓如果加工不準確小車運動軌跡將發生很大的變化。

（2）曲柄搖桿機構。根據文獻[4]知曲柄搖桿機構可以將連續的旋轉運動轉化為轉向桿的往復擺動，然而曲柄搖桿機構有急回特性，這將不利于小車穩定轉向。

本小車轉向系統采用不完全齒輪齒條機構。在文獻[5]基礎上設計如圖1所示的轉向系統，轉向系統主要由兩個不完全齒輪、雙面齒條和轉向桿等部分組成。兩個不完全齒輪所在的軸以相同的角速度轉動。當不完全齒輪1與齒條上齒面嚙合時（此時，不完全齒輪2與齒條下齒面未嚙合），不完全齒輪1帶動齒條向前運動，帶動轉向桿向前運動，驅動小車前輪向右轉動；同理，當不完全齒輪2與齒條下齒面嚙合時齒條向后運動，帶動轉向桿向后運動，驅動小車前輪向左轉動。如此往復循環，實現小車繞障運動。

圖1 小車轉向系統簡圖

1.2 傳動系統方案設計

傳動機構的功能是把動力和運動傳遞到驅動輪上。要使小車行駛的距離更遠并按設計的軌跡精確地行駛，傳動系統必須具備傳遞效率高、傳動穩定、結構簡單、重量輕等特點。傳動系統的方案主要考慮以下幾種形式。

（1）采用帶傳動。將重物的重力勢能通過皮帶傳遞給后輪和轉向系統。以此達到設計目的。根據文獻[6]知道帶傳動具有結構簡單、傳動平穩、價格低廉、緩沖吸震等特點但其效率及傳動精度并不高。

（2）采用齒輪傳動。通過齒輪嚙合將能量傳遞給后輪和轉向系統，使小車在前行并成功繞障。齒輪副具有效率高、結構緊湊、工作可靠、傳動比穩定等特點。

本小車傳動系統采用齒輪傳動。

2 小車詳細設計

2.1 轉向系統

根據小車轉向系統的工作原理分析可知：重物在勻速下落的過程中，小車的運動軌跡將是由幾段拋物線組成，如圖2所示。圖2中A為小車偏離賽道中心線最遠距離，a為相鄰障礙物之間的間距。

圖2 小車運行軌跡

由圖2可得在一個周期內，小車的運動軌跡方程如式（1）。

選取前四分之一個周期為研究對象，對式（1）的第一式求導得：

由于運行軌跡線上每點切線的斜率為前輪偏離水平位置的正切值，即：

式中，β為轉向桿的轉角。

設齒條運動過程中的最大位移為b，齒條中心線與前輪支架的距離為c，如圖3所示，規定β在轉向桿右邊為正，左邊為負。

小車運行過程中如偏離賽道中心線較遠，則前行的直線距離減小；如偏離賽道中心線較近時，小車又容易碰倒設置的障礙物。因此，考慮小車的結構緊湊性和運行穩定性，設小車偏離賽道中心線的最遠距離A=120 mm。從小車整體結構考慮，如c值取值較大則會使車體結構變大，造成小車結構不緊湊；如c值取值較小則所需轉向的力較大，能量消耗大。綜合考慮后取c=30 mm，則根據式（3）得b=28.8 mm。小車轉向系統的三維圖如圖4所示。

圖3 轉向桿與齒條的關系

圖4 小車轉向系統三維圖

2.2 傳動系統

小車傳動系統如圖5所示，其中圖5（a）為重物降落滑輪子系統，圖5（b）傳動子系統，圖5（c）不完全齒輪齒條子系統。如圖5（a）所示，隨著重物1的下降，重物勢能由繩通過定滑輪2傳到定滑輪3上，定滑輪3的轉動帶動與定滑輪3同軸的齒輪6、7（如圖5（b）所示）一起轉動；齒輪6與后輪軸上齒輪4嚙合使后輪向前運動。齒輪7與齒輪8、9同時嚙合。齒輪8、9的轉動分別帶動與齒輪8、9同軸的上下兩個不完全齒輪12、13（如圖5（c）所示）轉動，這樣能量便順利地傳遞到轉向系統。

圖5 小車傳動系統

通過分析，齒輪8、9和齒輪7的齒數比分別為1︰1，齒數均為38；齒輪4和齒輪6的傳動比為5︰1，齒輪6齒數為70，齒輪4齒數為14。所有齒輪模數均為m=0.5 mm。

2.3 車輪直徑

主動軸上的齒輪6與后輪軸上的齒輪4相嚙合，帶動后輪轉動，又通過齒輪7與齒輪8、11的同時嚙合帶動半齒輪齒條機構運動。設半齒輪角速度為ω，后輪角速度為ω'，ω與ω'呈線性關系。通過對傳動系統的分析知ω=5ω'，即半齒輪轉動一周后輪轉動5周，也就是說，在一個轉向周期內，后輪轉過5圈。

設小車所運行的路程為L，則一個周期內小車前行的距離為:

設后輪直徑為D1，則一個周期后輪走過的距離為：L=5×πD1，計算得：D1=132.06 mm，故后輪的直徑D1取132 mm。

為了使小車能靈活轉向小車的前輪直徑取60 mm。

2.4車架

車架是避障小車的基礎，小車所有其他的部件全部固定在小車上。車架必須滿足重量輕，結構合理等特點。由于小車所承受的載荷比較小，選用5 mm的鋁合金板材來加工車架。考慮小車的裝配性，車架的基本尺寸為220 mm×110 mm× 5 mm。為了安裝其他部件還應在車架上加工相應的槽和孔。所設計出小車整體結構如圖6所示。

Study on the Obstacle Avoidance Car Based on Incomplete Gear Rack Mechanism for Steering

ZOU Guang-ming，WANG Dong-xiong，YIN Zhi-peng，LIU Yuan-jong，SHEN Huan
（School of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan430081，China）

A car whose steering system is based on incomplete gear and rack is designed.The car could automatically avoid an obstruction at intervals when running.The car is composed of steering system，transmission system and frame.Steering system driven by two incomplete gear and rack joint steering wheel steering;Driving system consists of gear mechanism.Practice shows that the design of the car is feasible.

incomplete gear；rack；obstacle avoidance car；steering system

TH122

A

1009－9492(2014)03－0008－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.003

*國家自然科學基金資助項目（編號：50805108，51175388）

2013－09－26