雙8字型無碳小車的研究設計

夏有強 王茂 趙泓宇

摘 ? 要：根據第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的要求以及“無碳”的時代新理念，現設計出一種基于凸輪機構的雙8字型無碳小車。本文將介紹競賽要求，從能量轉換機構、轉向機構、傳動機構及車身結構等多方面進行設計說明。在加工裝配小車后驗證了該無碳小車可按預定軌跡行進達到預期成果，說明了小車具有高效率和低偏差的優點，證明了研究設計的科學高效。

關鍵詞：雙8字軌跡 ?無碳小車 ?齒輪傳動 ?凸輪機構

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0085-03

Abstract：According to the requirements of the 6th national engineering training comprehensive ability competition for college students， and the new idea of carbon free，now design a cam-based double-8-shaped carbon-free car. This article will introduce the competition requirements， and explain the design from the energy conversion mechanism， steering mechanism， transmission mechanism and body structure .After processing and assembling the car， it was verified that the carbon-free car could travel on a predetermined track and achieve the expected results，which has the advantages of high efficiency and low deviation and proves the scientific efficiency of research design.

Key Words： Double 8-shaped track; Carbon-free car; Gear transmission; CAM mechanism

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是由教育部高教司主辦的全國性大學生科技創新實踐競賽活動，為提升大學生工程創新意識、實踐動手能力以及團隊合作精神。2018年，第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽主題為“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”，要求設計出一種無碳小車可完成自啟、行進、避障等動作而完全由H=400±2mm、M=1kg的標準砝碼（Ф50×65mm，碳鋼制作）提供能量，且無碳小車行進時承載的標準砝碼不允許發生掉落。同時，競賽要求無碳小車可調節轉向以適應不同間距障礙樁的場地限制[1-2]。

無碳小車需繞中線上的三個障礙樁按“雙8”字型軌跡循環運行，以小車成功完成“雙8”字繞行圈數的多少來評定成績。一個成功的“8”字繞障軌跡為：3個封閉圈軌跡和軌跡的4次變向交替出現，變向指的是：軌跡的曲率中心從軌跡的一側變化到另一側。比賽中，小車需連續運行，直至停止。小車沒有繞過障礙、碰倒障礙、將障礙物推出定位圓區域、砝碼脫離小車、小車停止或小車掉下球臺均視為本次比賽結束[3]。

1 ?設計背景

本屆競賽命題為“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”。按照競賽要求，設計制作一款靠重力勢能驅動且控制機構可調節方向的純機械自驅動小車。供能砝碼預置高度為 400±2mm（如圖1所示）。無碳小車在半張標準乒乓球臺賽道上前行時可自動避開障礙，并按雙“8”字形軌跡運行，如圖2所示。

2 ?無碳小車的設計方案

首先設計出合適的機架實現重物勢能的高效轉換與傳遞，以及前輪規律轉向的控制，其次根據已設計的各部分機構及預定雙8字軌跡設計無碳小車的前后輪尺寸、傳動機構的齒輪傳動比及往復運動機構的運動軌跡，再由各機構的連接裝置合理設置各零件間的配合尺寸、連接方式，使各機構零部件相互不干涉且高效運行[4]。

2.1 確定雙8字型軌跡

無碳小車的理論軌跡為雙8字型（見圖3），因桌面設有三處D=40mm的礙物樁以及W/2=59mm的車身自寬限制，故軌跡中間處設計為R=70mm的小圓以及兩端處R=280mm的大圓。為防止小車在運行中發生側翻，提高小車運行平穩性，在軌跡大圓與軌跡小圓的過渡段采用合適的樣條曲線作為設計軌跡（過渡曲線參考值由小車軌跡模擬實驗得出）。

2.2 小車驅動方案

無碳小車沿預定曲線行進，因后輪與地面之間的運動約束而產生差速，而由重物作為唯一動力源，為此小車后輪采用單輪驅動方式[5]。重物降落通過細繩和滑輪帶動主動軸轉動，主動軸通過齒輪將動力傳遞給主動輪從而帶動轉向機構運作。同時，采用二級齒輪傳動可使齒輪具有傳動比穩定、工作可靠、效率高的特點，小車傳動簡圖如圖4所示。

2.3 小車平衡

小車底架采用3D打印技術制造，保證車體強度足夠可支撐全車構件，同時較金屬底架減小阻力，降低能量損耗，使車身整體結構最優化與重量最輕化;主動輪和從動輪倒圓角處理，減小與桌面的接觸面積，減小摩擦阻力與降低桌面黏附物的粘結程度[6];重物支撐架采用D=10mm的玻纖管，側板、底板、前橫梁以及大齒輪采用鋁合金且鏤空減輕小車重量;重物勢能部分轉化為小車動能，部分消耗為摩擦做功，為此轉動副全部安裝軸承。

若小車變速行駛會造成前后輪差速較大，效率嚴重降低，因此小車行進時盡可能在長軌跡上做勻速運動且保持桌面平穩;小車行進時需不斷改變前輪偏向角度，因此將小車前輪設計在后輪中線上，同時外加一個前輪支撐架（見圖5），使車身前后高度一致;若小車重物布置太靠后，會使小車前進時由于重心偏移發生翻車，且對小車啟動造成極大阻力而無法自啟。根據前期受力分析，重物置于小車后輪中線上且距前輪85mm處最為適宜，無碳小車設計方案如圖6所示。

2.4 小車設計方案

2.4.1 能量轉換機構

為使重物可靠穩定地降落且實現重力勢能到機械能的轉化，因此采用較好的尼龍線，一端纏繞于重物掛鉤，另一端纏繞于繞線輪輪盤，利用重物重力產生的力矩驅動繞線輪回轉;繞線輪輪盤直徑決定著驅動力矩的大小，考慮到尼龍線轉動的連貫性，故采用階梯式繞線輪輪盤;小車啟動時采用大直徑繞線輪輪盤作為啟動盤以實現較大力矩加速自啟，當達到正常行進速度后，繞線輪輪盤直徑減小，小車勻速行進[7]。

2.4.2 傳動機構

傳動機構由前齒輪、中齒輪、大齒輪、后齒輪、后軸組成，前軸帶動齒輪又帶動后軸轉動將動能傳遞于后輪使其轉動。為高效利用能量，使小車行進距離更遠，則小車采用二級齒輪傳動。具體計算如下：繞線軸直徑Dmax=11mm，小車行進距離S=67128.37mm，單位軌跡距離S0=350×3.14×2+230×3.14=2920.2mm，理論軌跡數目M=S/S0=67128.37/2920.2≈23個，單位里程耗功率=砝碼下降長度H（mm）/小車行進距離S（mm）=400/67128.37=0.00595873。

2.4.3 凸輪尺寸

小車實際行進軌跡可分解為兩個近似半圓（分別為160°和88°）和半段正弦曲線及鏡像翻轉的半段正弦曲線，取障礙樁間距350mm進行實驗。通過前期軌跡的理論分析初步設計出凸輪輪廓，隨后通過實驗反復修正凸輪參數（行進5圈時后輪初始偏移量△x=10mm），最終修正完成的凸輪如圖7所示。

2.4.4 轉向機構

轉向機構由凸輪10、擺桿和前叉12組成（如圖8所示），前軸帶動凸輪旋轉引導擺桿規律擺動，通過前叉（由16和17組成）使前輪方向偏移變換，引導小車行進出雙“8”字軌跡。

2.4.5 車身設計

為使小車整體結構緊湊、不相互干涉以及便于轉向，三根傳動軸呈空間分布，凸輪軸和繞線軸的水平距離L1=11mm， 后輪軸和凸輪軸的水平距離L2=71mm，前輪軸到凸輪軸的水平距離L3=39mm，前輪軸到驅動輪軸的水平距離L4=110mm，車身設計尺寸為L=195mm、W=130mm、H=507mm。

為保持車身運行穩定，應設計為正方體結構;在側板及前叉軸承邊打孔，利用墊片使軸承更好地定位，避免軸向移動;后軸采用光軸以雙輪轂兩端定位，軸承采用法蘭盤軸承便于拆裝;各零件配合處都鉆取Φ=3mm的孔，增加各零件間的配合度與緊密型。

2.4.6 零部件加工選擇

小車車輪統一采用激光切割加工，為減小阻力，主動輪和從動輪通過倒圓角處理以減小與桌面的接觸面積;車底架采用3D打印技術一體化制造，可減輕車身自重;重物支撐架采用D=10mm的現成玻纖管;側板、底板、前橫梁和大齒輪采用鋁合金材料，保持車體結構強度，且鏤空以減輕小車的重量。

3 ?結語

（1）最終通過實踐驗證小車可完成12個完整雙8字軌跡，且獲得第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽四川賽區比賽一等獎，證明了設計的科學性與高效性;

（2）實踐中通過在前軸端部凸輪處設置螺釘鎖緊機構可快速高效地定量修正軌跡，滿足軌跡要求;

（3）與一般控制機構比較，凸輪可實現小車任意軌跡的行進，尤其對于較為復雜的軌跡、相對傳統的曲柄連桿機構具有極大的優勢。

參考文獻

[1] 黃艷紅.基于圓柱凸輪機構的“雙8字”型無碳小車的設計[J].南方農機，2019，50（9）：103，109.

[2] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].北京： 高等教育出版社，1997.

[3] 吳亞昆.雙“8”字繞障無碳小車的創新設計[J].科學技術創新，2019（10）：154-155.

[4] 趙海龍，崔立軍.一種挑戰8字軌跡最小樁距無碳小車設計[J].產業與科技論壇，2017，16（22）：61-62.

[5] 劉洋，姜吉光，謝醇.基于“軌跡分析法”的無碳小車微調機構的創新設計[J].機械傳動，2015，39（12）：83-87.

[6] 廖智雄，彭松林，胡南，等.基于任意張角曲線的8字凸輪小車[J].中國新技術新產品，2015（20）：105.

[7] 吳新良，劉建春，鄭朝陽.重力驅動的避障小車設計與制造[J].機械設計，2014，31（10）：25-28.