双8字轨迹无碳小车设计

陈青山 朱彪彪 夏圣博 冯鑫晟

摘 要：文章阐述实现第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题无碳小车双“8”字型赛道避障行驶常规赛命题要求无碳小车结构创新思路。为满足双8轨迹要求对小车转向机构进行创新性设计，用凸轮推杆和两个微调机构配合实现小车较高精度的轨迹运动。

关键词：无碳小车；双8轨迹；转向微调机构；凸轮推杆

一、概述

競赛场地在半张标准乒乓球台上有三个障碍桩沿中线放置。障碍桩为直径200mm的圆棒，两端的桩至中心桩的距离350±50 mm。小车需绕中线上的三个障碍桩按双8字型轨迹循环运行。一个成功的8字绕障轨迹为3个封闭圈轨迹和轨迹的 4 次变向交替出现变向指的是轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧。

通过对该命题的分析，大致设计思路为：砝码从距小车底板400mm的高处下落带动绕线轴转动。通过一级齿轮啮合将动力传给传动轴带动驱动轮的转动，齿轮啮合将动力传给凸轮轴，通过凸轮推杆机构和两个微调机构配合实现小车双8轨迹的运行。

二、主要结构设计

（一）传动机构设计

常见的简单机械传动方式有摩擦传动、链条传动、齿轮传动、带传动和蜗杆蜗轮传动等。由于摩擦传动效率低噪声较大，链条传动与蜗杆蜗轮传动效率低，故优先考虑齿轮传动和带传动。因使用带传动存在传动精度不高以及空间占用较大故拟定碳钢齿轮作传动机构。

如图为小车结构简图，其中传动机构主要由绕线轴、传动轴和凸轮轴三部分组成。当砝码锤下落拖动尼龙线带动绕线轴套使得绕线轴转动，绕线轴通过一级齿轮传动将动力传动至传动轴，传动轴带动驱动轮转动为小车传递动力。传动轴通过齿轮啮合将动力传动至凸轮轴，带动凸轮周期性转动。

（二）转向机构设计

转向机构是小车设计创新的关键部分，转向机构的设计直接决定小车的性能优劣。转向机构应具备小摩擦耗能、机构简单、零部件已获得等基本条件，且需有特殊运动特性能够带动转向轮左右转动从而实现躲避物障的功能。原定转向结构设计方案有：凸轮机构+推杆和不完全齿轮+曲柄摇杆，由于不完全齿轮不间歇机构运动存在装配精度不高等、避障转向可控性不高的问题，综合考虑选用凸轮推杆与微调机构配合使用作为本小车的转向机构。

1.凸轮

凸轮是根据命题双8轨迹模拟设计的具有一定曲线轮廓的构件并与凸轮轴作等速转动，通过凸轮与推杆上的滚子高副接触传动动力，从而使推杆获得连续或不连续的预期往复运动。

优点：适当地设计出凸轮的轮廓曲线后就可以使推杆精准地实现所需的运动规律，而且响应快速。缺点：凸轮轮廓线和推杆之间为点、线接触、易磨损；凸轮精准制造较困难；需要使用额外机构，利用皮筋的弹性固定作用使凸轮与滚子保持接触。

2.微调机构

2.1凹槽推杆

图为凹槽推杆微调机构。根据路线设计计算出凹槽推杆与转向槽杆的相对位置关系即两槽杆的夹角，用螺柱螺母进行固连。凹槽推杆通过滚子与凸轮接触进而传递推程运动，又通过皮筋作用保持滚子与凸轮的接触传递回程运动。依靠凸轮、滚子、凹槽推杆、螺柱螺母、转向槽杆的相互位置关系传递动力完成周期性转向。调整凹槽推杆与转向槽杆的相对位置关系用螺柱螺母固连，当螺柱螺母固连的位置靠近凹槽推杆滑槽后端时，转向轮的偏角增大，当螺柱在凹槽推杆滑槽前端时转向轮偏角变小，使小车走过的路程发生变化，改变转动半径。

2.2微调螺母

图为转向槽杆微调机构。采用微调螺母对转向槽杆与转向轮轴连接，可方便调节转向槽杆与转向轮轴的相对角度关系。在转向轮轴上加装与轮轴固定连接的偏角指针，底板位置加装量角器。转向轮与转向轮轴同步偏转带动指针偏转一定角度，通过指针所指示角度变化值调节转向槽杆与转向轮轴的相对角度螺母进固连从而微调小车转向轮转动半径控制行走轨迹。凹槽推杆与微调螺母两个微调机构的相互配合使用可大大提高微调精度实现双8轨迹运行。

三、运动简要说明

砝码按照规定下落400mm过程中拖动尼龙线，带动绕线轴套使得绕线轴转动；绕线轴上的齿轮A与传动轴上的齿轮B啮合，通过齿轮啮合将动力传动到传动轴上，使传动轴带动驱动轮转动为小车提供动力；传动轴上的齿轮B与凸轮轴上的齿轮C进行啮合，将动力传动至凸轮轴带动凸轮转动；凸轮与滚子通过皮筋弹性力作用始终保持接触，将动力传递至凹槽推杆是凹槽推杆周期性进程回程运动；凹槽推杆与转向槽杆通过螺栓螺母连接，将动力传递至转向槽杆带动转向槽杆转动；转向槽杆与转向轮轴通过螺母连接，将动力传递至转向轮，从而实现了转向轮实现周期性偏转实现小车的双8字轨迹。

参考文献：

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[3]张井洋，王恒厂，陈春阳. S型无碳小车结构优化设计[J]. 机电信息，2015（36）：154-155.