不完全齿轮与曲柄摇杆的无碳小车设计_徐冰.pdf

第 35 卷 第 2 期 2016 年 2 月 实验室研究与探索 ESEA CH AND EXPLO ATION IN LABO ATO Y Vol 35 No 2 Feb 2016 不完全齿轮与曲柄摇杆的无碳小车设计 徐冰 印江 陈俊君 山西大学 自动化系 山西 太原 030013 摘要 针对山西省大学生工程训练综合能力竞赛的主题 设计了一种将重力势能 转化为动能且自动绕行 8 字轨迹的小车 首先 通过 Matlab 软件模拟计算出小 车绕行的最佳 8 字轨迹 根据轨迹的大小确定小车后轮直径和齿轮机构的传动 比 然后 通过不完全齿轮和曲柄摇杆机构相结合来设计小车的自动换向系统 当 不完全齿轮有齿部分和无齿部分周期性地进入啮合时 小车相应地绕行 8 字轨迹 的非圆弧部分和圆弧部分 最后 采用 UG NX 软件对小车的各组成机构进行三维 建模 装配及运动仿真 在仿真取得理想的效果后 对小车进行加工制作与调试 经过参加省赛的实践检验 证明了该机构设计的合理性 关键词 无碳小车 8 字轨迹 不完全齿轮机构 曲柄摇杆机构 中图分类号 TH 122文献标志码 A 文章编号 1006 7167 2016 02 0059 03 Design of Carbon free Car Based on Incomplete Gear and Crank rocker Mechanism XU Bing YIN Jiang CHEN Jun jun Department of Automation Shanxi University Taiyuan 030013 China Abstract Based on the requirements of Shanxi College Students Comprehensive Ability Competition in Engineering Training a car which converts gravitational potential energy into kinetic energy and automatically detours 8 track is designed According to the competition requirements the structure of the car is designed First we simulate the best 8 shaped track using Matlab software and then use the track to determine the car s wheel diameter and gear mechanism s transmission ratio Furthermore we design the car s steering system through a combination of incomplete gear and crank rocker mechanism The car detours 8 shaped track s non circular section and circular section when incomplete gear is in toothed portion and the non toothed portion periodicity Finally UGNX software is used for three dimensional modeling assembling and motion simulation of the car constituted bodies After achieving the desired effect from the simulation the car is manufactured and debugged The practice tests verify the rationality of the mechanism Key words carbon free car 8 shaped track incomplete gear mechanism crank rocker mechanism 收稿日期 2015 04 13 作者简介 徐冰 1988 女 河北秦皇岛人 硕士 助教 现主要 从事机械电子方向研究 TelE mail xubing sxu edu cn 0引言 2014 年山西省大学生工程训练综合能力竞赛的 主题为 无碳小车越障竞赛 1 3 要求设计一种能够 将重力势能转化为动能驱动小车自动行走换向的装 置 如图 1 所示 该重力势能由质量为 1 kg 的标准砝 码 50 mm 65 mm 碳钢制作 下降 400 2 mm 的 高度来获取 同时要求小车具有转向控制机构 实现 在间距 300 400 或 500 mm 的两个障碍物间绕行 8 字功能 4 7 如图 2 所示 对此 本文设计了一种利用 不完全齿轮和曲柄摇杆机构进行转向的小车 该机构 具有简单可靠 转向灵活准确的特点 能够较好地实现 在不同的障碍物间绕行 8 字轨迹的功能 实验室研究与探索第 35 卷 1小车运行轨迹的分析 设计 8 字轨迹的难点在于小车在 2 个距离很近 的障碍物间绕行时需要转过很大的角度 由于车长和 车宽值都必须尽可能的小 所以小车在绕行过程中极 易出现撞上障碍物甚至重心不稳导致倾覆 为使小车 行走过程中能够平稳 尽可能多地绕过障碍物 所设计 的小车运行轨迹应尽可能饱满些 8 整个轨迹长度也 应该尽量短一些 这样可以在小车消耗尽能量之前绕 行更多的 8 字 山西省赛要求障碍物距离为 300 400 或 500 mm 比赛时随机抽取绕障距离 现取绕障 距离为 400 mm 设小车的运行轨迹由两段圆弧和两段 正弦曲线组成 9 如图 3 所示 图 1无碳小车示意图 mm 图 2 8 字绕障所用乒乓 球台及障碍设置 图 3 8 字轨迹示意图 AB 段的轨迹为 y x1 x x2 1 式中 为 AB 段优弧所对应的圆心角的弧度值 为 圆弧轨迹的半径 由式 1 可知 CA 段轨迹上任意点的曲率半径为 1 y 23 2 y 2 为保证小车运行平稳 在 CA 段轨迹与 AB 段的轨迹交 汇处 曲率不可突变 因而有 x x1 经过 Matlab 数 值分析后 发现取 f 240 mm T 取 160 mm 较为合 理 此时前轮转角应为 67 5 2小车结构设计 2 1原动机构设计 由于小车运转过程中所有能量均来自砝码的重力 势能 所以动力转换机构应能够实现简洁 高效地将重 力势能向动能的转换 比较简单 可靠的方法是 利用 耐磨 强度高的细线和定滑轮机构来实现 细线的一端 拴在砝码钩上 另一端绕在绕线轴上 而绕线轴与驱动 轮轴固连在一起 这样在砝码下落过程中 重力势能就 可以转换为驱动轮轴上的转矩 进而带动主动轮实现 走行功能 绕线轴直径的大小对小车能否启动及车速 的稳定性都有着重要的影响 合理的绕线轴直径应能 保证小车顺利启动 启动后能够平稳匀速地完成绕障 功能 对此 本文将绕线轴设计成锥形 在小车启动时 需要较大力矩 此时线绕在粗端 小车顺利启动后 线 逐渐向细端进行绕线 实现小车匀速稳定运行 由于 小车在转弯时 两轮的轮速不同 如果两个后轮同时作 为驱动轮的话 小车容易因差速问题出绕行轨迹精度 变差甚至是倾覆 严重影响绕障效果 为了解决差速 问题 本文借鉴三轮车的工作原理 直接使用单轮驱动 的方法 将后轮中的一个与驱动轴固结在一起 实现和 驱动轴的同步转动 而另一个则作为从动轮通过轴承 套在轴上 在运行过程中自动调整其转速 2 2传动机构设计 传动机构的作用是把动力和运动传递给驱动轮和 转向机构 为了使小车在允许的误差内绕障数目更 多 传动机构应传递效率高 平稳可靠 结构简单等 齿轮传动效率很高 可达 98 左右 10 同时还具有工 作可靠 结构紧凑 传动比稳定的特点 因此本设计方 案选择了两对齿轮进行啮合传动 11 其中一对齿轮为 不完全齿轮 与曲柄摇杆机构相连 实现换向功能 根 据障碍物间距的不同 本文采用了变传动比的方式实 现传动 设绕障距离为 400 mm 的小车运行轨迹长度 为 L 将后轮直径 d 定为 120 mm 则根据齿轮机构的 传动比 i L d 3 计算出绕障距离 300 400 500 mm 下齿轮的传动比分 别为 6 8 10 2 3转向机构设计 转向机构通过控制前轮摆角的变化来实现小车走 行 8 字轨迹 是整个小车设计的关键 经过分析 发 现利用间歇机构能够实现转向的功能 考虑到凸轮 槽 轮等机构加工制造困难 精度较难保证 本文采用不完 全齿轮和曲柄摇杆机构相结合的方式 来实现稳定快 速的转向效果 2 3 1不完全齿轮机构 为了实现小车绕行饱满的 8 字轨迹 增加其绕 障数目 轨迹的左右两段都为圆弧形 对此要求前轮在 最大摆角处有一段时间的停歇效果 12 考虑到加工制 造的限制以及精度要求 本文选取了结构简单 停歇比 可靠的不完全齿轮机构 13 其设计制造容易 工作可 靠 占用空间较小 比较适合绕行 8 字轨小车 为了使小车的实际运行轨迹能够像设定的那样实 现对称 在不完全齿轮的从动轮上连接了曲柄摇杆机 06 第 2 期徐冰 等 不完全齿轮与曲柄摇杆的无碳小车设计 构 14 15 通过齿轮的周期性啮合实现曲柄摇杆的往复 运动 当齿轮啮合处于锁止弧接触段时 曲柄处于水 平位置 此时摇杆的摆角处在极限位置 小车的前轮转 角就相应地达到最大 此时实现绕行 8 字轨迹的圆 弧部分 当齿轮处于啮合状态时 从动轮带动曲柄摇杆 机构运动 实现前轮转角的变化 控制小车走行 8 字 轨迹的非圆弧部分 考虑到空间曲柄摇杆机构稳定性 较差 设计时让曲柄的回转中心与摇杆的摆动平面等 高 这样就将空间运动转化为了平面运动 可提高换向 的可靠性和平稳性 转向机构的设计如图 4 所示 图 4转向机构设计 2 3 2无急回特性的曲柄摇杆机构的设计计算 图 5 表示无急回特性的曲柄摇杆机构在摇杆处于 两极限位置 C1D 与 C2D 时所对应的曲柄位置 16 由 图 5 可推导出 C1C2 AC2 AC1 a b b a 2a 4 可见 当摇杆处于两极限位置时所构成的等腰三 角形 C1DC2底边长只与曲柄长度有关 其中 a b c d 依次对应图 5 中各杆 a AB1 AB2 C1E C2E b B1C1 B2C2 c C1D d AD 设摇杆摆角为 即 C1DC2 另 C1C2 的中点为 E 则在直角三角形 C1DE 或 C2DE 中有 sin 2 a c 5 当摆角 的数值已知 曲柄 a 和摇杆 c 成确定的比例 关系 由图 5 中的几何关系可知 在 t C2DE 中有 cos a c 6 又在 AC2D 中 由余弦定理可得 cos a b 2 c2 d2 2 a b c 7 联立式 6 和 7 得 a c a b 2 c2 d2 2 a b c 8 化简后可得 a2 d2 b2 c2 9 可见 曲柄摇杆机构无急回特性的充要条件为曲 柄 机架平方和等于连杆 摇杆平方和 结合式 5 9 并通过 UG9 0 运动仿真 最后将曲柄摇杆机构的 各个尺寸定为 a 22 5 b 48 7 c 40 2 d 59 图 5无急回特性的曲柄摇杆机构分析图 小车的总体设计图如图 6 所示 考虑到加工制造 和装配的误差 曲柄摇杆设置为可以微调的机构 在 现场比赛过程中 可以通过不断调整连杆与摇杆的长 度 使小车获得较为理想的 8 字轨迹 图 6无碳小车装配图 3结语 根据山西省无碳小车竞赛的要求 设计了一种结 构简单 运行可靠的绕行 8 字轨迹的无碳小车 根 据设定好的 8 字轨迹 确定小车整体布局和一些关 键尺寸 考虑到轨迹由圆弧段和非圆弧段组成 可以选 用间歇机构来实现 本文利用不完全齿轮和曲柄摇杆 机构相结合控制小车的周期性换向 实现小车绕行 8 字轨迹的功能 实践证明 该机构传动比准确 冲 击振动较小 能够较好地实现小车平稳换向 参考文献 eferences 1 邹光明 杨秀光 以势能驱动的涡卷弹簧储能小车研究 J 机 械设计 2012 29 4 32 35 2 杨秀光 邹光明 避障小车转向系统的设计 J 机械传动 2012 36 4 41 43 3 刘金肖 何秋熟 杨延清 等 无碳小车创新性结构设计 J 电 气与自动化 2014 43 5 189 191 下转第 134 页 16 实验室研究与探索第 35 卷 Computer Vision and Pattern ecognition Providence USA IEEE 2012 2496 2503 15 G nen M Alpaydin E Localized multiple kernel learning C Proceedings ofthe 25thInternationalConferenceonMachine Learning New York USA ACM 2008 352 359 16 Baudat G Anouar F Generalized discriminant analysis using a kernel approach J Neural Computation 2010 12 10 2385 2404 17 Lin Y Y Liu T L Fuh C S Multiple kernel learning for dimensionality reduction J PatternAnalysisandMachine Intelligence IEEE Transactions on 2011 33 6 1147 1160 18 Lee K C Ho J Yang M H et al Video based face recognition using probabilistic appearance manifolds C Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern ecognition Madison USA IEEE 2003 313 320 19 Wang Shan S Chen X et al Manifold manifold distance with application to face recognition based on image set C Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern ecognition Anchorage USA IEEE 2008 1 8 20 Kim M Kumar S Pavlovic V et al Face tracking and recognition with visual constraints in real world videos C Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern ecognition Anchorage USA IEEE 2008 1 8 21 Viola P Jones MJ obustreal timefacedetection J International Journal of Computer Vision 2004 57 2 137 154 22 Leibe B Schiele B Analyzing appearance and contour based methods for object categorization C Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern ecognition Madison USA IEEE 2003 215 222 23 Hu Y Mian A S Owens Sparse approximated nearest points for image set classification C Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern ecognition Colorado Springs USA IEEE 2011 121 128 24 Lu J Zhou X Tan Y P et al Neighborhood repulsed metric learning for kinship verification J Pattern Analysis and Machine Intelligence IEEE Transactions on 2014 36 2 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 331 345 上接第 61 页 4 胡越铭 高德文 张瑞 等 基于凸轮组合机构的 8 字形无碳 小车创新设计 J 北方工业大学学报 2014 26 1 38 43 5 王建军 朱海龙 尹洪友 无碳小车 8 字转向机构设计 J 机械 制造 2014 52 6 17 19 6 张文海 刘春东 赵成刚 等 基于大学生科技创新能力培养的一 种无碳小车设计与制作 J 河北建筑工程学院学报 2014 32 3 77 80 7 陈晓东 石雁南 张莉莉 无碳小车的设计 制作与创新实践 J 实验室研究与探索 2013 32 12 92 95 8 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 37 6 661 666 9 吴新良 刘建春 郑朝阳 重力驱动的避障小车设计与制造 J 机械设计 2014 31 10 25 28 10 王斌 王衍 李润莲 等 无碳小车 的创新性设计 J 山 西大同大学学报 自然科学版 2012 28 1 59 62 11 朱孝录 齿轮传动设计手册 M 北京 化学工业出版社 2005 12 邹慧君 殷鸿梁 间歇运动机构设计与应用创新 M 北京 机械 工业出版社 2008 13 赖雅琳 张金顺 间歇机构 不完全齿轮机构设计及应用 J 机械工程师 2002 9 15 16 14 李树军 机械原理 M 沈阳 东北大学出版社 2002 15 杨可桢 程光蕴 李仲生 机械设计基础 M 北京 高等教育出 版社 2006 16 元增民 马璇 曲柄摇杆机构无急回特性的条件及其应用 J 邢台职业技术学院学报 2000 17 3 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 49 53 上接第