基于偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)的S型軌跡無(wú)碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王云云，徐龍飛，邱震明，楊 琦，王思奇，姜 浩

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

基于偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)的S型軌跡無(wú)碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

本文根據(jù)第五屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“S”型軌跡無(wú)碳小車的命題，提出了偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)和雙輪差速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立三維模型，利用MATLAB運(yùn)動(dòng)仿真得出理想軌跡，制作的小車實(shí)現(xiàn)了全部設(shè)計(jì)功能，獲得優(yōu)異成績(jī).

無(wú)碳小車；偏置曲柄滑桿；虛擬樣機(jī)

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽要求制作的無(wú)碳小車是用高度為400+2mm、1kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)小車行走和轉(zhuǎn)向，比賽內(nèi)容包括第一輪“S”型賽道避障行駛競(jìng)賽、3D打印制作、參賽小車機(jī)械拆卸及重裝、第二輪“S”型賽道避障行駛競(jìng)賽等項(xiàng)目.

第五屆競(jìng)賽在以往比賽賽道樁距都為1m的前提下，將偶數(shù)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(jìn)行移動(dòng)（正值遠(yuǎn)離，負(fù)值移近），產(chǎn)生的“S”型軌跡由以往的等間距變?yōu)椴坏乳g距，如圖1所示，命題難度大幅增加，在理論分析、設(shè)計(jì)方面提出了更高的要求，在制作、裝配和調(diào)整過(guò)程中鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力.

圖1 無(wú)碳小車的在重力勢(shì)能作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡

針對(duì)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(jī)構(gòu)和雙輪差速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，制作出的無(wú)碳小車能夠較好地滿足命題的需求.

1 方案分析及設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置

無(wú)碳小車的源動(dòng)力為重物下落做功所得到的4J能量，為使小車穩(wěn)定可靠、調(diào)整方便，我們的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，提高傳動(dòng)效率.

小車行進(jìn)中，兩后輪在轉(zhuǎn)向過(guò)程中會(huì)存在差速現(xiàn)象.傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，小車多采用單輪驅(qū)動(dòng)，一輪為導(dǎo)向輪另一輪為從動(dòng)輪，這種機(jī)構(gòu)雖然能實(shí)現(xiàn)兩輪差速運(yùn)動(dòng)，但實(shí)踐表明，單輪差速運(yùn)動(dòng)在一個(gè)周期內(nèi)的行走軌跡比雙輪驅(qū)動(dòng)要短，并且從動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(qū)動(dòng)，能夠交替變換主從動(dòng)輪（小車行進(jìn)時(shí)后輪速度較大的車輪被稱為從動(dòng)輪），利用單向軸承實(shí)現(xiàn)差速[1].

1.2 轉(zhuǎn)向裝置

1.2.1 偏置曲柄滑桿機(jī)構(gòu)

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄擺桿機(jī)構(gòu)這類四連桿機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)等間距“S”軌跡運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，本文采用偏置曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)作為無(wú)碳小車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，利用急回運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不等間距“S”型軌跡.

偏置曲柄滑桿機(jī)構(gòu)由于偏心距的存在，會(huì)使曲柄滑桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生急回現(xiàn)象.如圖2所示，滑桿的兩個(gè)極限位置對(duì)應(yīng)曲柄的位置有一個(gè)極位夾角θ.滑桿從左極限點(diǎn)到右極限點(diǎn)與從右極限點(diǎn)到左極限點(diǎn)擺桿擺相同角度，對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度并不相同，分別為θ1和θ2,θ2＞θ1.

圖2 曲柄滑桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 微調(diào)螺桿

滑桿從左極限點(diǎn)到右極限點(diǎn)小車軌跡長(zhǎng)：

滑桿從右極限點(diǎn)到左極限點(diǎn)小車軌跡長(zhǎng)：

注：i為齒輪傳動(dòng)比，R為后輪直徑

小車在行進(jìn)時(shí)，擺桿擺相同度數(shù)φ1=φ2，軌跡滿足S型不等間距的要求.

偏置曲柄滑桿機(jī)構(gòu)有急回運(yùn)動(dòng)，在傳動(dòng)過(guò)程中若最小傳動(dòng)角過(guò)小易使小車行走不穩(wěn)定，消耗更多能量.當(dāng)曲柄與滑桿的行程垂直時(shí)，曲柄與滑桿的傳動(dòng)角最小，其值為[2]:

注：a為曲柄長(zhǎng)度，b為連桿長(zhǎng)度，c為偏置距離

設(shè)計(jì)時(shí)在滿足桿長(zhǎng)關(guān)系的條件下，減小曲柄長(zhǎng)度和偏置距離或增加連桿長(zhǎng)度可增大小車傳動(dòng)過(guò)程中的最小傳動(dòng)角，使能量利用最大化.

1.2.2 微調(diào)螺桿

小車的周期性軌跡對(duì)桿長(zhǎng)關(guān)系精度要求很高，針對(duì)小車設(shè)計(jì)及安裝過(guò)程中桿長(zhǎng)存在誤差問(wèn)題，我們將滑桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成可微調(diào)形式，采用微調(diào)連桿長(zhǎng)度改變滑桿長(zhǎng)度，方便調(diào)節(jié)并提高調(diào)節(jié)精度.微調(diào)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(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)螺桿與滑桿連接件的螺紋旋合長(zhǎng)度調(diào)節(jié)滑桿長(zhǎng)度.微調(diào)螺桿如圖3所示.

2 小車虛擬樣機(jī)建模及運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 小車虛擬樣機(jī)建模

小車方案制訂后進(jìn)行虛擬樣機(jī)技術(shù)三維實(shí)體建模.首先利用Solidworks軟件進(jìn)行零件建模，利用設(shè)計(jì)好的二維零件圖尺寸畫(huà)出草圖，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、孔功能、陣列功能建立小車的各零件模型.再根據(jù)各零件間的約束關(guān)系利用自下而上的方法進(jìn)行零件的虛擬模型裝配.最后根據(jù)已經(jīng)定義約束好的小車裝配體，利用評(píng)估板塊的干涉檢查命令對(duì)實(shí)際尺寸進(jìn)行干涉約束檢查，計(jì)算結(jié)果顯示零件間均無(wú)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(yùn)動(dòng)軌跡仿真

虛擬樣機(jī)制作完成后進(jìn)行小車的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真及分析，簡(jiǎn)化其模型，利用matlab進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡仿真.通過(guò)不斷改變小車初始擺放角度和各桿長(zhǎng)長(zhǎng)度，最終找到仿真出理想軌跡的數(shù)據(jù)，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(yùn)動(dòng)軌跡圖

3 設(shè)計(jì)制作與調(diào)試

3.1 小車的制作

小車車底板用鋁合金材料制作，當(dāng)鋁合金板材厚度＞3mm時(shí)，小車在運(yùn)行時(shí)沒(méi)有應(yīng)力變形，因此制作車底板厚度為4mm.前叉采用數(shù)控銑銑出兩個(gè)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(zhǎng)度處鉆孔，通過(guò)螺紋連接桿與連桿連接，使曲柄與大齒輪固連在一起，簡(jiǎn)化小車機(jī)構(gòu).車底板與兩軸承支撐板在機(jī)床上同時(shí)鉆孔，用螺栓連接，保證其位置精度.后輪與軸承通過(guò)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(diào)試

小車制作并裝配好后，通過(guò)微調(diào)各桿長(zhǎng)調(diào)節(jié)小車的運(yùn)動(dòng)周期與軌跡.微調(diào)擺桿長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)小車一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期起點(diǎn)與終點(diǎn)的間距，即調(diào)節(jié)小車運(yùn)動(dòng)的周期長(zhǎng)度.微調(diào)滑桿長(zhǎng)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(tài)位置，通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)小車起始擺放角度和距出發(fā)線距離可使小車軌跡中心線在理論要求的直線上.

針對(duì)雙輪差速驅(qū)動(dòng)中小車后輪易打滑導(dǎo)致小車實(shí)際軌跡偏斜，周期性運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確問(wèn)題，我們采用對(duì)后輪輪面進(jìn)行滾花，加大后輪對(duì)地面的附著力，使小車后輪不易打滑，實(shí)踐證明此方法有效可靠，小車行進(jìn)更加平穩(wěn)，未明顯增加小車行進(jìn)阻力.

4 結(jié)論

本文通過(guò)雙輪差速驅(qū)動(dòng)、曲柄滑桿組合機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向的無(wú)碳小車，在驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，建立虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行干涉檢查后發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)尺寸合理，無(wú)干涉情況，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，仿真結(jié)果符合競(jìng)賽要求的不等間距“S”型軌跡.制作樣車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡符合設(shè)計(jì)軌跡，運(yùn)行穩(wěn)定，獲得安徽省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，并獲得國(guó)賽的出線權(quán).

〔1〕張燦,林國(guó)帥,巫梁峰.基于重物下落實(shí)現(xiàn)規(guī)定軌跡運(yùn)動(dòng)的無(wú)碳小車的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào),2013（3）:285.

〔2〕董萍.具有最優(yōu)傳力性能的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].科研發(fā)展,2012（12）:79.

TH122

A

1673-260X（2017）08-0022-02

2017-05-07

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610360034）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（2015ckjh010）；安徽工業(yè)大學(xué)校企合作實(shí)踐教育基地項(xiàng)目(2012-5)