基于偏置曲柄滑桿組合機構的S型軌跡無碳小車的創新設計

王云云，徐龍飛，邱震明，楊 琦，王思奇，姜 浩

（1.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業大學 創新教育學院，安徽 馬鞍山 243032）

基于偏置曲柄滑桿組合機構的S型軌跡無碳小車的創新設計

王云云1，徐龍飛1，邱震明2，楊 琦2，王思奇1，姜 浩1

（1.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業大學 創新教育學院，安徽 馬鞍山 243032）

本文根據第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽“S”型軌跡無碳小車的命題，提出了偏置曲柄滑桿組合機構和雙輪差速驅動機構的創新設計，運用虛擬樣機技術建立三維模型，利用MATLAB運動仿真得出理想軌跡，制作的小車實現了全部設計功能，獲得優異成績.

無碳小車；偏置曲柄滑桿；虛擬樣機

全國大學生工程訓練訓練綜合能力競賽要求制作的無碳小車是用高度為400+2mm、1kg標準砝碼的重力勢能驅動小車行走和轉向，比賽內容包括第一輪“S”型賽道避障行駛競賽、3D打印制作、參賽小車機械拆卸及重裝、第二輪“S”型賽道避障行駛競賽等項目.

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)和變化方向進行移動（正值遠離，負值移近），產生的“S”型軌跡由以往的等間距變為不等間距，如圖1所示，命題難度大幅增加，在理論分析、設計方面提出了更高的要求，在制作、裝配和調整過程中鍛煉了學生的實踐能力.

圖1 無碳小車的在重力勢能作用下的運動軌跡

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構和雙輪差速驅動機構的創新設計，制作出的無碳小車能夠較好地滿足命題的需求.

1 方案分析及設計

1.1 驅動裝置

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

小車行進中，兩后輪在轉向過程中會存在差速現象.傳統的設計中，小車多采用單輪驅動，一輪為導向輪另一輪為從動輪，這種機構雖然能實現兩輪差速運動，但實踐表明，單輪差速運動在一個周期內的行走軌跡比雙輪驅動要短，并且從動輪在運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動，能夠交替變換主從動輪（小車行進時后輪速度較大的車輪被稱為從動輪），利用單向軸承實現差速[1].

1.2 轉向裝置

1.2.1 偏置曲柄滑桿機構

在曲柄搖桿機構、曲柄擺桿機構這類四連桿機構能實現等間距“S”軌跡運動的基礎上，本文采用偏置曲柄滑桿組合機構作為無碳小車的轉向機構，利用急回運動產生不等間距“S”型軌跡.

偏置曲柄滑桿機構由于偏心距的存在，會使曲柄滑桿機構產生急回現象.如圖2所示，滑桿的兩個極限位置對應曲柄的位置有一個極位夾角θ.滑桿從左極限點到右極限點與從右極限點到左極限點擺桿擺相同角度，對應的曲柄轉過的角度并不相同，分別為θ1和θ2,θ2＞θ1.

圖2 曲柄滑桿機構簡圖

圖3 微調螺桿

滑桿從左極限點到右極限點小車軌跡長：

滑桿從右極限點到左極限點小車軌跡長：

注：i為齒輪傳動比，R為后輪直徑

小車在行進時，擺桿擺相同度數φ1=φ2，軌跡滿足S型不等間距的要求.

偏置曲柄滑桿機構有急回運動，在傳動過程中若最小傳動角過小易使小車行走不穩定，消耗更多能量.當曲柄與滑桿的行程垂直時，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

設計時在滿足桿長關系的條件下，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 微調螺桿

小車的周期性軌跡對桿長關系精度要求很高，針對小車設計及安裝過程中桿長存在誤差問題，我們將滑桿長度設計成可微調形式，采用微調連桿長度改變滑桿長度，方便調節并提高調節精度.微調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，通過調節微調螺桿與滑桿連接件的螺紋旋合長度調節滑桿長度.微調螺桿如圖3所示.

2 小車虛擬樣機建模及運動仿真

2.1 小車虛擬樣機建模

小車方案制訂后進行虛擬樣機技術三維實體建模.首先利用Solidworks軟件進行零件建模，利用設計好的二維零件圖尺寸畫出草圖，利用拉伸、旋轉、孔功能、陣列功能建立小車的各零件模型.再根據各零件間的約束關系利用自下而上的方法進行零件的虛擬模型裝配.最后根據已經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際尺寸進行干涉約束檢查，計算結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 運動軌跡仿真

虛擬樣機制作完成后進行小車的運動軌跡仿真及分析，簡化其模型，利用matlab進行運動軌跡仿真.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據，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 小車運動軌跡圖

3 設計制作與調試

3.1 小車的制作

小車車底板用鋁合金材料制作，當鋁合金板材厚度＞3mm時，小車在運行時沒有應力變形，因此制作車底板厚度為4mm.前叉采用數控銑銑出兩個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，簡化小車機構.車底板與兩軸承支撐板在機床上同時鉆孔，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 小車的調試

小車制作并裝配好后，通過微調各桿長調節小車的運動周期與軌跡.微調擺桿長度可調節小車一個運動周期起點與終點的間距，即調節小車運動的周期長度.微調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位置，通過反復調節小車起始擺放角度和距出發線距離可使小車軌跡中心線在理論要求的直線上.

針對雙輪差速驅動中小車后輪易打滑導致小車實際軌跡偏斜，周期性運動不準確問題，我們采用對后輪輪面進行滾花，加大后輪對地面的附著力，使小車后輪不易打滑，實踐證明此方法有效可靠，小車行進更加平穩，未明顯增加小車行進阻力.

4 結論

本文通過雙輪差速驅動、曲柄滑桿組合機構調節轉向的無碳小車，在驅動裝置、轉向裝置進行創新設計，建立虛擬樣機模型，進行干涉檢查后發現設計尺寸合理，無干涉情況，運用MATLAB進行運動軌跡仿真，仿真結果符合競賽要求的不等間距“S”型軌跡.制作樣車的實際運動軌跡符合設計軌跡，運行穩定，獲得安徽省大學生工程訓練綜合能力競賽一等獎，并獲得國賽的出線權.

〔1〕張燦,林國帥,巫梁峰.基于重物下落實現規定軌跡運動的無碳小車的設計[J].企業導報,2013（3）:285.

〔2〕董萍.具有最優傳力性能的曲柄滑塊機構的設計[J].科研發展,2012（12）:79.

TH122

A

1673-260X（2017）08-0022-02

2017-05-07

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201610360034）；安徽省大學生創業實驗室建設計劃項目（2015ckjh010）；安徽工業大學校企合作實踐教育基地項目(2012-5)