基于凸輪結(jié)構(gòu)的S環(huán)無碳小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊飛燕，曹璐，徐穩(wěn)，于延濤

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，吉林 長春 130022）

1 設(shè)計(jì)要求

“S 環(huán)形”賽道，由直線段和圓弧段組合而成一封閉環(huán)形賽道，沿賽道中線放置12 個障礙物，障礙樁為直徑20mm、高200mm 的塑料圓棒。競賽小車需在環(huán)型賽道上以“S環(huán)形”路線依次繞過賽道上障礙樁，自動前行直至停止。賽道水平鋪設(shè)，直線段寬度為1200mm，兩側(cè)直線段賽道之間設(shè)有隔墻；沿賽道中線平均擺放5 個障礙樁，奇數(shù)樁位置不變，偶數(shù)樁位置在±（200～300）mm 范圍內(nèi)相對于中心樁做相向調(diào)整（相對于中心樁，正值遠(yuǎn)離，負(fù)值移近）。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 凸輪的設(shè)計(jì)

凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡單，運(yùn)動鏈短結(jié)構(gòu)緊湊，易得到預(yù)期的運(yùn)動軌跡，故選用凸輪進(jìn)行S 環(huán)型軌跡的設(shè)計(jì)當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)一圈，小車行走S 環(huán)軌跡半個周期；凸輪旋轉(zhuǎn)兩圈，小車行走S 環(huán)軌跡一周期。用解析法設(shè)計(jì)凸輪廓線，根據(jù)已知機(jī)構(gòu)的參數(shù)和滿足工作要求的推桿運(yùn)動規(guī)律，列出凸輪廓線的方程式，精確計(jì)算出凸輪廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊初步計(jì)算出凸輪的基圓半徑r0，S0=（r0–e0）?，偏距e，滾子的半徑r。推桿的運(yùn)動規(guī)律選擇二次多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)設(shè)計(jì)要求推桿升程可劃分為等加速段和等減速段。等加速段的運(yùn)動方程為:s=2hδ2/δ02。設(shè)計(jì)凸輪廓線時(shí)，利用反轉(zhuǎn)法原理求出滾子中心在復(fù)合運(yùn)動中的軌跡是凸輪的理論廓線。此時(shí)滾子中心處的直角坐標(biāo)為：x=(s0+s)sinδ+e cosδ；y=(s0+s)cosδ-esinδ。求出滾子的理論廓線后，將理論廓線上的點(diǎn)沿改點(diǎn)的法線方向取滾子半徑長度的距離，即可得到凸輪的工作廓線上的點(diǎn),此時(shí)工作廓線上的點(diǎn)坐標(biāo)為：x′=x-rrcosθ；y′=y-rrsinθ。依次類推，可寫出推程等加速段、遠(yuǎn)休、回程和近休時(shí)的凸輪理論廓線和工作廓線的方程式。帶入各部分的軌跡長度在凸輪上相對應(yīng)的角度，并由此確定凸輪各項(xiàng)參數(shù)，并繪出大概形狀。最終設(shè)計(jì)如圖1 所示。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是小車結(jié)構(gòu)中最重要的部分，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了小車是否能完成避障從而實(shí)現(xiàn)“S”環(huán)型路線。為保證運(yùn)動的準(zhǔn)確，所以最終選擇轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)由凸輪+微調(diào)滑塊+轉(zhuǎn)向塊組成。

圖1 凸輪

圖2 轉(zhuǎn)向塊

圖2-1 跟底板用橡皮筋纏繞，可避免回程時(shí)轉(zhuǎn)向塊回復(fù)太快而翻車，圖2-2 用長螺釘和微調(diào)滑塊固定，圖2-3 跟前輪支撐架配合，并固定支撐架的角度

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動時(shí)推動微調(diào)塊運(yùn)動，從而帶動轉(zhuǎn)向塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)向塊帶動前輪支撐架運(yùn)動，將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為前輪周期性左右轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)拐彎避障功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的路徑。

2.3 微調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微調(diào)機(jī)構(gòu)屬于小車的控制部分，通過微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)可以修正小車行走軌跡。我們確定了小車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用凸輪+微調(diào)滑塊塊+轉(zhuǎn)向塊方案，如圖所示，微調(diào)滑塊用長螺釘跟轉(zhuǎn)向三個端孔連接，當(dāng)需要調(diào)整距離時(shí)，擰緊/擰松螺釘調(diào)整微調(diào)塊與轉(zhuǎn)向塊之間的距離，實(shí)現(xiàn)微調(diào)功能，從而修正小車軌跡。

2.4 前后輪的設(shè)計(jì)

（1）前輪。前輪的軌跡極大的影響小車的軌跡，故采用45 號鋼制作前輪，提高精度避免磨損消耗，最終直徑確定為30mm。（2）后輪。后輪直徑根據(jù)凸輪的軌跡及小車行進(jìn)的最佳距離確定直徑，為保使小車在調(diào)試過程中后輪不會產(chǎn)生以下情況：一是與地面打滑；二是輪子產(chǎn)生大的磨損；三是行進(jìn)過程晃動影響行進(jìn)軌跡，故采用亞克力板制作后輪，避免上述情況發(fā)生后輪采用一主動一從動形式，使用單向軸承實(shí)現(xiàn)后輪差速；保證小車轉(zhuǎn)彎時(shí)穩(wěn)定性提高，不易發(fā)生側(cè)翻。

2.5 動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

動力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可將重物下落的重力勢能轉(zhuǎn)化為帶動無碳小車行進(jìn)的動能：（1）滑輪。滑輪由兩個平行排列的定滑輪組成，如圖3 所示，纏繞繞線軸的漁線纏繞定滑輪1，然后繞定輪滑輪2。由定滑輪1 和定滑輪2 為剛性連接同時(shí)轉(zhuǎn)動，該設(shè)計(jì)可使調(diào)整重錘的位置使重錘可垂直下落，避免重心偏移。（2）支撐桿。為防止小車在行駛過程中支撐桿晃動過大，造成翻車，采用三根碳棒支撐，經(jīng)檢驗(yàn)碳棒質(zhì)量較輕且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能滿足設(shè)計(jì)的需求，且結(jié)構(gòu)固定可達(dá)到預(yù)期效果，是理想的支撐材料。（3）繞線輪。為避免小車出現(xiàn)無法啟動情況，設(shè)計(jì)根據(jù)小車的啟動力矩設(shè)計(jì)了五種直徑為22mm、23mm、24mm、25mm、26mm 的繞線輪，可根據(jù)場地的不同，選取合適的繞線輪為防止軸套與軸打滑，用緊定螺釘跟軸固定。

2.6 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

小車傳動機(jī)構(gòu)通過一定的傳動比把繞線軸上的力矩傳遞到驅(qū)動輪上，使小車運(yùn)行，同時(shí)繞線軸將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給凸輪機(jī)構(gòu)控制小車轉(zhuǎn)向，為使傳動結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、效率高、傳動穩(wěn)定，傳動機(jī)構(gòu)選用的是齒輪傳動，對“S”環(huán)無碳小車的凸輪，及后輪的直徑可得出所需傳動比，因兩級齒輪傳動所選用的齒輪較大故所選用四級齒輪傳動，齒輪材料為45 號鋼。

2.7 車身的設(shè)計(jì)

小車啟動的難易以及小車行走距離的長短和小車車體質(zhì)量有直接關(guān)系，同時(shí)為避免重心太高而導(dǎo)致翻車，設(shè)計(jì)底板整體距離地面8mm。車身部分設(shè)計(jì)時(shí)考慮到車身支撐桿座的特殊性和難以加工，所以選擇用3D 打印打印小車底板和軸承座，打印的底板輕便，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖3 定滑輪

3 結(jié)語

小車的整體設(shè)計(jì)如圖4 所示，經(jīng)過調(diào)試小車可繞預(yù)定軌跡兩圈，并在第六屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽吉林賽區(qū)中取得了一等獎的好成績，但是小車仍有不足之處，如微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)時(shí)不夠精確，重錘易晃動，出發(fā)點(diǎn)位置不可控，仍可繼續(xù)優(yōu)化，

圖4 小車整體示意圖