基于凸轮转向的S型无碳小车的结构设计
摘要：为对凸轮式S型无碳小车进行结构设计，使其按照预设轨迹运行。首先通过计算确定所需轨迹的振幅和偏转角的数值，并采用SOILDWORKS在确定数值情况下对无碳小车各机构零部件进行参数化建模、部件受力分析及全部零件的装配模拟，然后将实际轨迹与预设轨迹进行误差分析，对各部件进行优化处理，使其更加符合预设轨迹。通过对制作的实物模型进行实验，使无碳小车达到行驶轨迹稳定，结构简单轻巧和便于拆装的要求。
关键词：无碳小车；参数化建模；装配模拟；误差分析；轨迹稳定
“无碳”是当今社会发展的趋势，此次全国大学生工程训练综合能力竞赛，以“无碳小车”为主题，基于全国各高校综合性工程训练教学平台来提高大学生的创新意识，实践能力和团队协作精神，对各大高校创新型人才的培养极有意义。
在历届的工程训练大赛中，对于“无碳小车”的机构总是有不同的创新，陈果等使用了了空间曲柄摇杆机构，通过连杆的传递使得水平面上的摇杆前后摆动，与摇杆固定连接的方向轮随之左右摆动从而实现小车转向要求[1]。曹斌等确定了槽轮机构用公式计算迭代和描点成像功能，实现了小车轨迹的仿真和参数的即时修正[2]。季元进等改变了一般齿轮定心啮合为变心啮合导致后轮形成速度差使车体走似简谐波从而达到轨迹要求[3]。本文采用了凸轮结构，通过计算所需要的转角及结构所需行程确定凸轮行程及基圆半径，通过凸轮推杆带动前轮摆动，使小车按预设轨迹运行。
一、设计概述
无碳小车主要由传动机构和转向机构组成，行走的轨迹与车轮主动轮直径、传动比、凸轮行程、车头转向角的大小相关。在小车行进过程中由动力源（砝码）带动的小车下落产生的能量为4J，因此设计过程中齿轮间传动比与主动轮的大小对减小摩擦力有很大的关系，适当的减轻车身重量对减少能量消耗起很大的帮助。设计时考虑零件尺寸时，选用常用标准件能够有效的减少加工时间和节省经费，并且具有可替换性。无碳小车简图如图1。
二、设计进程
（一）底板设计
无碳小车的底板承载所有机构，必须足够坚固才能满足良好的承重性要求，同时要尽量轻便，减少小车整体的重量。因此选定4mm厚的铝合金材料。通过对车身做镂空处理，镂空最小间距为15mm，减轻重量同时保持了良好的受力性。车身宽度对轨迹也有影响，轴距的大小影响两轮差速的大小以及运行的平稳性。轴距太小会降低小车运行的平稳性，轴距太大又会加大转向难度[4]。通过预设轨迹曲线确定宽度为110mm。底板结构如图2。
（二）动力转换机构
动力转换机构功能有两种：1）力的转化：砝码下落重力转化为驱动主动轴转动的力矩；2）运动形式转化：砝码下落直线运动转化为小车前进并转向的运动。为使能量利用最大化，采用无弹性的尼龙绳连接砝码和主动轴，实现力矩的转化。
力矩大小应能实现小车匀速行驶，因此需要预估整车质量并利用力矩平衡估算出质心位置，考虑小车结构及地面摩擦损失，最终确定用最大直径为18mm的梯形绕线轴，使小车能够在初始发车位置力矩最大，完成启动加速到匀速行驶的缓慢过渡，进而增长小车行驶的距离。
（三）传动机构
传动机构可以把动力传至驱动轮和转向机构上，因此传动机构要满足能源损耗低，传动稳定的要求。齿轮传动是机械产业中使用频率最高的机构之一，其传动精度高、传递扭矩达、使用寿命长、能实现轴向距离较远的场合[5]；齿轮传动的效率是98%，并且構成简单，拆装方便，对轨迹路程分析后确定选用传动比为4：1的一级齿轮组成，计算确定齿轮数据，方便直接购买标准件。已知走一个完整的S的直线距离是2000mm，为避免撞桩振幅设定为400mm，则通过计算：
①d为绕线轴直径，i12为绕线轴与曲柄轴的传动比，则得关系式：
Ν=400d·π×2×i12（1）
②定传动比和后轮直径：
Α为振幅，x为直线距离，小车行进轨迹曲线方程为：
y=ΑSinω·x（2）
其形成曲线的长度即为小车行驶路程的长度，则一个周期内的曲线长度S为：
S=∫2π01+cos2ω·xdx（3）
已知振幅Α设定为400mm，x为直线距离取2000mm，则主动轮走过的距离为2641.3165mm，一个周期内的轨迹长度为S，i23为曲柄轴与后轮轴传动比，D为后轮直径。
S=π·D·i23（4）
先根据标件齿轮定传动比，再定后轮直径。由式（2）得过圆心最大斜率k为：
k=y′=ωΑCosω·x（5）
当x=0也就是小车的最大转动角度：
tanα=k=ωΑCosω·x=1.2566
α=arctan1.2566≈51°（6）
则小车主动轮的最佳半径D为210mm，设定所绕桩数为20，经过实验，最佳绕线轴直径为22mm；结合（1）（3）（4）式确定i12=i23=4。行进轨迹及偏角大小如图3。
（四）转向机构
转向机构对于小车的轨迹有着及其重要的作用，它决定了前轮的摆动幅度，从而决定了无碳小车能否绕过更多桩稳定前进。转向机构作为控制单位，应充分减少结构间的能量损耗。在设计初期利用摆杆来带动前轮转向，实际操作中发现摆杆与推杆间摩擦力较大，并容易造成卡死。经过实验，确定利用齿轮齿条来推动转向，通过推杆行程的设定，可实现精确的偏转角度。
常见的转向机构主要为：曲柄摇杆，曲柄连杆+摇杆三种结构。经过分析得知凸轮推杆结构更加稳定且无急回特性。推杆与小车前轮之间利用了齿轮齿条的啮合机构，使前轮摆动幅度更加精确。小车行驶“S”型路线时，根据所需振幅及周期的要求，需要修正转向的角度。
凸轮直杆运动示意图：直动滚子从动件凸轮一连杆组合机构，凸轮与直杆固联在一起，凸轮推动从动杆作水平运动，直杆带动从动杆运动，如图4。
（五）凸轮设计
转向角度确定：设导向轮最大偏角为α，由公式（5）（6）知α=arctan1.2566≈51°
设行程H，齿轮齿条啮合点为N，转向齿轮分度圆半径
R=m·z（7）
当导向轮达到最大偏角时，推杆达到最大行程，
M=2NR·tanα（8）
凸轮基圆确定：推杆与凸轮接触点瞬时速度为v1，主动轮转动角速度为ω1，凸轮最大半径为rmax，凸轮基圆半径r0，凸轮机构的压力角为70°，从动件的位移为S2。则由该点速度与矢量关系，可知：
v1=rtanα→r=36mm（9）
S2=rmaxr0（10）
综合考虑整体结构，为避免凸轮占据空间过大，选取凸轮基圆半径为31mm，凸轮行程为5mm。由此得到凸轮轮廓，如图6。
（六）微调装置
针对影响轨迹形状变化的参数设计微调机构，用轨迹形状的变化规律对微调机构进行调节。
无碳小车在多次行驶后或者在重新装配之后，零件之间的配合会出现微小偏差。这些偏差会造成小车行驶过程中的轨迹较大的改变，为修正轨迹形状变化的参数设计微调机构，用轨迹形状的变化规律对微调机构进行调节[6]。确定采用微调螺母螺旋结构来实现，因其操作简单，固定性好，且带有微调螺母的推杆可调长度能够有效的解决细微的偏差，通过对微调螺母进行调节，可以精确的控制方向轮左右的转角，使轨迹始终保持对称。这决定了小车绕桩的情况。因此对这些小的偏差做及时的调整很重要，这需要微调机构对其做出相应的调整。微调机构位于转向机构上的推杆之间，通过扭动外部套筒改变杆间间距，调节有效距离为6mm。如图7。
三、结语
本文通过对凸轮式S型无碳小车的各部分设计，使其满足沿规定轨迹行驶的要求，又能保持行驶过程轨迹的平稳及各结构的稳定性。采用线型牵引产生带动主动轴的力矩，利用齿轮传动有效减少能量损耗，相比其它类型的转向机构，使用推杆凸轮机构能够更好的保持行驶过程中各机构间的配合的平顺性。使用计算分析得到的凸轮轮槽曲线，避免了其它机构中产生的急回特性，保障了小车的平稳行驶。通过改变凸轮的行程H，在其他机构不做改变的情况下可以微調前轮的转角，使行驶轨迹可以按照不同的要求进行改变。
参考文献：
[1]陈果，黄荣舟，李炳川.无碳小车转向机构设计与微调分析[J].机械工程师，2015，（08）：152154.
[2]曹斌，张海波，朱华炳.基于槽轮机构的8字轨迹无碳小车设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014，（06）：661665+704.
[3]季元进，任利惠，顾建.利用变心齿轮传动的无碳小车的机构创新设计[J].机械设计，2014，（03）：7174.
[4]豆龙江，詹长庚，庞晨露，万书亭.无碳小车的机械结构设计[J].机械工程与自动化，2014，（02）：8486.
[5]欧仕荣.浅析齿轮加工方法[J].电子制作，20151118，12.
[6]刘洋，姜吉光，谢醇.基于“轨迹分析法”的无碳小车微调机构的创新设计[J].机械传动，2015，（12）：8387.
项目：遥操作机器人的网络随机时延的预测控制研究，武汉商学院科研项目（2016KY004）
作者简介：李祥光（1995），男，河南驻马店人，学生，2014级汽车服务工程，主要从事机械设计、机械制造研究。
通讯作者：刘义才（1982），男，工程师，武汉商学院机电工程与汽车服务学院教师。
